专利名称：具有充电升压器的脉冲电流发生器电路的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及用于测试电气组件和电路的电路系统，更具体地说，本发明涉及用于该测试的电流脉冲电路系统。
背景技术：
电流脉冲常用于测试电气组件和电路。当需要高重复频率电流脉冲时，例如在脉冲电迁移测试时，预期脉冲波形通常是矩形的。因此，各电流电平之间的转变必须是突变的，同时具有最小过冲，以便在每个电平有效提供预定电流驱动。图1分别示出了双极性电流脉冲和单极性电流脉冲。理想地，从地电平(“0”)到所需电流(“Ap”或“An”，或者为简便起见，总称为“A”)的转变是突变的，如图1所示。但是，实际上，这些转变要花费一定时间，并且可能因转变速度过慢而无法达到所需最大电平A。
一种实现电流脉冲的有效技术是通过如图2所示，将恒定(DC)电流源接地并因而从被测设备(DUT)分流电流而实现。这里，响应通过电阻器Rx连接到分流晶体管Qs的P点处的控制信号，分流晶体管Qs将流过被测设备(DUT)的电流分流至地。响应定时发生器而实现预期波形，该定时发生器具有所需周期T，其中“接通”时间为t，而“断开”时间为(T-t)。例如，参见Krieger等人的美国专利第6249137号“用于脉冲可靠性测试的电路和方法”(CIRCUITAND METHOD FOR PULSED RELIABILITY TESTING)。
通常，在主分流晶体管Qs的栅极(图2中的“P”点处)产生理想驱动脉冲是相对容易的。类似地，现代功率晶体管不仅可以提供低电阻，而且还可以在两个方向上在其导通和截止状态之间提供非常快速的本征转变。问题是，在输出节点“C”和地(Gnd)之间存在寄生电容Co，它包括Qs的输出电容、与DUT关联的任何杂散电容、DC电流源的输出电容和由诸如电缆或测试夹具等测试装置引入的任何其它电容。要想将该电容减小至所希望的等级是很困难的，因为它与Idc和Qs的电流吸收能力密切相关。因为脉冲电流应用通常需要宽范围的电流电平，所以牺牲高电流特性来利于低电流性能或者反之都是不切实际的。实际上，这个问题只限于低电流、也可能中等电流；但是，为了确保正确的高电流操作，Qs和DC电流源都必须足够强，这意味着Co的值也相应较大。
当涉及电压脉冲而不是电流时，这个限制就不是问题了。大多数电压源都能够在设法达到预定电平(A或地电平，这取决于具体转变)的同时驱动相对较大的电流；因此固有地产生快速转变。在脉冲电流源的情况下，当Qs导通时，Idc只是转向Qs，因为Co同时通过Qs放电。当Qs截止时，Co按指数规律充电至稳态电平Vo＝(Rdut)(Idc)，其时间常数τ＝(Co)(Rdut)。因为低电流应用通常需要几千欧姆(kΩ)的Rdut，且Co很少小于20pF，所以所得时间常数是几十纳秒。另一方面，因为Ron非常小，所以在Qs进入导通状态后，Co非常快速地放电；从而不会引起实际延迟。
本发明旨在促进使通过DUT的电流从0快速转变为A，其转变时间tr比相关脉冲持续时间tp、tn短得多，且具有可接受的最小过冲。
发明内容
根据本发明，提供一种充电升压电路，以便在对DUT再施加电流时促进对与DUT关联的寄生电容进行快速再充电。在分流晶体管从导通状态转变为截止状态的过程中，提供了短脉冲群，其中充电电流的强度大于脉冲电流的强度。限流器防止对寄生电容过度充电，从而避免所得电流脉冲波形中存在不可接受的过冲。
结合附图，通过以下详细描述和所附权利要求，将更容易明白本发明及其目的和特征。
图1示出用于测试电子设备的双极性和单极性电流脉冲。
图2示出用于DUT的传统脉冲电流发生器。
图3示出根据本发明的脉冲电流发生器。
图4示出根据本发明的脉冲发生器和充电升压电路的一个实施例。
图5示出根据本发明的脉冲发生器和充电升压电路的另一个实施例。
图6示出根据本发明的充电升压电路的另一个实施例。
图7分别示出用于充电升压的图5中的电路在正确设定和不正确设定时的波形。
具体实施例方式
图3对应于图2中的电路，它具有根据本发明的升压电路10，用以在分流晶体管Qs从导通状态转变为截止状态的过程中提供短脉冲群。在此转变期间，升压电路10通过开关S1提供电流，以便促进对寄生电容Co进行充电。因为升压器电流比电流源的电流Idc高得多，所以促进了对寄生电容进行再充电。升压电路10和开关S1响应控制电路12和分流晶体管Qs的节点P处的控制电压。
图4是图3中的脉冲电流发生器的一个实施例的示意图，其进一步示出了升压电路10和控制电路12。这里，端子P处的定时发生器通过两个串联缓冲器20、22连接到主分流晶体管Qs的栅极，其中每个缓冲器在增加小延迟(td)的同时反转其输入信号。图中示出了P1、P2处的所得波形以及P处的定时发生器信号。注意，耦合栅极电阻器Rx无关紧要，添加该电阻器通常只是为了避免晶体管栅极和驱动信号之间直接耦合。
电路的剩余部分形成如10所示的升压器。由该升压器注入到输出节点C的电流路径包括NMOS晶体管Qn和PMOS晶体管Qp、电容器Cba和电阻器Ry。当以电方式进行升压器激活/停用时，开关S1的作用只是消除任何通过杂散电容的寄生耦合和泄漏。电阻器Ry为升压电流设定了上限，以避免过加热和大过冲。电容器Cba足够大(约为1μF或更大)，以便即使在需要强升压动作时，也可以确保共源极节点S处的恒定(DC)电压。
升压器的正确操作是基于对节点C处的实时实际情况和与预定目标的比较的明确认识。该目标只是节点C处与类似DC操作下的所得电压电平相同的所得“高”电压电平。换句话说，在施加预定定时发生器之前，先将Idc设定为所需电平，并且测量并获取节点C处的所得电压。接着，激活定时发生器，并且采用用于获取实测波形的最高电平的峰值检测器(峰值检测器未示出)来测量C处的所得电压。因为整个想法是在主分流晶体管Qs截止时使Idc流入DUT，所以与类似DC条件下观察到的值完全相同的这个峰值确保了正确操作。测量到较低或较高电平时，将以迭代算法分别加大或减弱升压动作，由此在几个这样的步骤后确保正确收敛。
为了实现上述想法，必须根据节点C处来自峰值检测器的相关数据适当地设定Y1和X1处的电压电平。首先，没有DC电流可以流过Qp，这意味着只要不在P处施加定时信号，Qp或Qn就截止。这个要求由以下关系式满足VX1-VY1＞Vtp-Vtn其中，Vtn对于增强型设备为正，而对于耗尽型设备则为负，而Vtp对于增强型设备为负，而对于耗尽型设备则为正。具体来说，当选择耗尽型NMOS晶体管(Qn)和增强型PMOS晶体管(Qp)的组合，并且假定它们的绝对值大约相等(即，|Vtn|≈|Vtp|)时，将VX1设定成略高于VY1便确保没有DC电流流过Qp。实际上，可以增加零点几伏特的额外“安全余量”以作为生产过程中电路调节的一部分。一旦获知最佳差值VX1-VY1，系统就必须为每个电平保持该最佳差值。在这方面，如图4所示的实施例不必要地有些麻烦，因为它需要两个独立的可调电压源，同时其中仅有一个根据内部算法而改变，因为另一个与它相距恒定距离(即，VX1＝VY1+Δ，其中Δ是上述经过预先调节的常数)。图5和图6分别示出了两个其它实施例，其中上述想法是由一个可调电压源和另一个固定源实现的。与电容器Cba相似，电容器Cbb和Cbc足够大，以便分别确保Y1和X1处的DC条件。增加电阻器Rd是为了避免使运算放大器负载有大电容。因为Y点只连接到Qn的栅极，且其中只有可以忽略不计的泄漏电流流过，所以VY实际上等于VY1，并且电阻器Re不太重要。Qp的栅极(X点)处的情形则有所不同，在脉冲操作下，其波形明显不同于VX1，并且Rf、Ct的具体值、甚至固有PMOS输入电容Cip都很重要。
在图5中，Vb可以是任何可用低电压电源(如+5V)，而可变电阻器Rp允许根据以下关系式在高于和低于VX1的适当范围内预先设定VY1VX1＝Vb(Rc/Ra)-Vbst(Rc/Rb) (Vbst≡可变源)VY1＝Vb[Rc/(Ra-δ+Rp)]-Vbst(Rc/Rb) (δ＜Rpmax＜Ra)这意味着VX1-VY1＝Vb[Rc(Rp-δ)]/[Ra(Ra-δ+Rp)]≡Δ通过在0和Rpmax之间调节Rp，获得(VX1-VY1)的必需值。类似地，图6示出了VX1-VY1＝Δ的另一实施例，它作为图5的左上部的部分50的一个备选实施例。这里，VY1是可变电压源Vbst，而两个可用固定源的任意组合提供所需差值Δ。通过使用两个具有相同量值和相反极性的固定电压源(例如，+5伏特和-5伏特)，上述差值可以根据Rp的中心端子的位置在-|Vb|Rp/(2Ry+Rp)和+|Vb|Rp/(2Ry+Rp)之间变化。
通过预先设定所需值Δ以便确保没有DC电流流过Qp，可以进行实际升压。这是由晶体管Qd、耦合电容器Ct、电阻器Rt和电阻器Rf的如下切换动作实现的当P点处的反相定时发生器脉冲从低(Gnd)升到高时，Qd急剧转变为有力的电流吸收，从而将其漏极节点驱动至接近地电平。此瞬态急剧传播至Qp的栅极(X点)，从而急剧地将其驱动至更低电平(精确的下降是所涉及的各个组件的相当复杂的函数)。此时，过去了短反相器延迟td，并且因为P2处的信号下降至Gnd电平，所以主分流器Qs因其栅极受到P2处的信号的驱动而截止。在Qp强导通时，一股升压电流浪涌流入Co和DUT，从而对节点C进行快速充电。同时，节点X以由Ct、Cip(Qp的输入电容)、Rt和Rf定义的速率朝向电平VX1上升，直到Qp再次进入其截止状态为止。对于由该系统支持的所有应用和脉冲重复频率来说，从Qd导通到Qp再次截止的总时间必须小于Qd导通的最小持续时间，即(T-t)。原则上，该定时机制可用于终止升压动作；但是，为了确保充足的升压以实现C点处的所需电平，同时没有过度过冲，还使用额外的机制。因为对于流过的升压电流必须满足|Vds|＞0，所以将S处的电压设定为与DC条件(只有Idc)下的Vdut(C点)的电平大约相等将能正确地实现上述想法。
在正确设定算法后，一旦C处的高电平达到它的所需值(与DC条件下Idc流过时所达到的电平相同)，Qp将不再驱动升压电流，因为它的Vds＝＞0。短时间后，其栅极处的电压会达到截止条件，之后P1处的波形再次变成地电位。这将立即使Qd截止，迫使来自Va的电流流过Rt以便进一步对Ct进行充电，使得X点升到高于VX1；从而使流过Rf的电流方向反向。这种方向变化虽然不与实际的升压动作直接相关，但它可有效地重新存储电容器Cbc在前述动作中损失的电荷。这种受Rt和Rf的值控制的充电很重要，因为运算放大器A具有有限的电流驱动。另外，通过如图5(虚线)所示将二极管D1设在Rf的两端上，可以根据需要缩短相关定时。该充电动作一直继续，直到随着Qd的漏极充满电并且流过Rt的充电电流减小，X处的电压达到小峰值、然后开始逐渐朝向VX1收敛为止。下一个转变标志着另一个脉冲循环的开始，依此类推。
对于上述操作来说基本的是由实时计算机控制并由所测得的相关数据供给的正确算法。第一步是，在开关S1打开、没有在P处施加定时发生器且将Vbst设定为使得VX1＝＞0、或甚至在需要时使其略为负的电平的情况下，将Idc设定为适当电平。然后，从峰值检测器获取C点处的电压，并将其作为参考值(下文称为“Vcdc”)进行存储。因为VX1(和相应的VY1)低至足以防止升压电流，所以啮合S1以及在P处施加定时发生器将相应地使Qs和Qd导通和截止，同时没有升压电流流过Qp。接着，获取峰值检测器读数(Vcp)，并将其与Vcdc作比较。如果Vcp＞Vcdc(不太可能)，那么应当断开S1。更可能的是Vcp＜Vcdc，在此情况下，需要进行升压。为了发起升压，增大Vbst，直到所得Vcp超过Vcdc为止。此时，Vcp减小，并且以收敛至任何进一步的变化的作用可忽略不计的点的方式重复该过程。从这时起，所需脉冲调制动作生效。对于足够长的脉冲来说，即使在没有进行升压的情况下，C点处的电压仍将逐渐“收敛”至所需电平Vcdc；但是，因为相关时间常数明显长于短脉冲(通常对于t＜500ns)，所以该“收敛”所提供的帮助很少，并且必需进行有效升压。注意，上述迭代法中所用的实际算法与本发明无关，因为它是有效收敛的问题。实际上，二进位检索法或类似方法都有效，但是本发明并不限于一种特定的算法或另一种算法，而是在使用任何迭代算法时都应有效。
图7中的波形提供了关于P1、P2、X和C点(参照图5)处的波形的更多细节。左手侧示出了Δ(VX1-VY1)的正确设定，由此产生预期输出波形。右手侧示出了不足升压以及由于过度的Δ量值而产生的所得不当输出波形。
尽管上文参照具体实施例描述了本发明，但是该描述只是说明本发明，不应将该描述解释为限制本发明。在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以想到各种修改和应用。
权利要求
1.一种脉冲电流发生器电路，包括a)电流源，用于向被测设备施加电流，b)受控电流分流器，用于从所述被测设备分流电流，以及c)升压电路，用于在所述受控电流分流器打开并且电流再次流过所述被测设备时向所述被测设备供应升压电流，从而便于对与所述被测设备关联的寄生电容进行再充电。
2.如权利要求1所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述升压电路包括NMOS晶体管，它在电压电位和所述寄生电容之间与PMOS晶体管串联，分流所述NMOS晶体管的电容器，用于在所述NMOS晶体管和所述PMOS晶体管的公共点处提供DC电压，以及控制电路，它经耦合以接收分流控制信号，并且响应所述分流控制信号来控制所述PMOS晶体管上的导通并提供所述升压电流。
3.如权利要求2所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述公共点处的所述DC电压近似等于所述寄生电容上的预期电压。
4.如权利要求3所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述升压电路包括用于所述NMOS晶体管和PMOS晶体管的偏压电路，由此所述PMOS晶体管上的偏压比所述NMOS晶体管上的偏压大电压增量Δ，由此两个晶体管在稳态条件下都不导通。
5.如权利要求4所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述偏压电路包括响应固定电压Vb和可变电压Vbst的第一和第二运算放大器。
6.如权利要求4所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述偏压电路包括响应两个具有相同电压量值和相反极性的固定电压之间的电压的运算放大器和可变电压Vbst，其中Vbst对所述NMOS晶体管施加偏压，而所述运算放大器对所述PMOS晶体管施加偏压。
7.如权利要求4所述的脉冲电流发生器电路，还包括电阻器，所述电阻器将所述PMOS晶体管连接至所述被测设备，以便限制升压电流。
8.如权利要求4所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述控制电路包括用以反转并延迟施加到它们的输入信号的级联缓冲器，一个缓冲器响应所述分流控制信号来控制对所述PMOS晶体管施加导通偏压，使其切换至打开所述受控电流分流器的电压电平。
9.如权利要求2所述的脉冲电流发生器电路，还包括电阻器，所述电阻器将所述PMOS晶体管连接至所述被测设备，以便限制升压电流。
10.如权利要求2所述的脉冲电流发生器电路，其特征在于，所述控制电路包括用以反转并延迟施加到它们的输入信号的级联缓冲器，一个缓冲器响应所述分流控制信号来控制对所述PMOS晶体管施加导通偏压，使其切换至打开所述受控电流分流器的电压电平。
全文摘要
一种用于向被测设备提供电流脉冲的脉冲电流发生器电路，包括用于向被测设备施加电流的电流源和用于从被测设备分流电流的受控电流分流器。提供了升压电路，用以在受控电流分流器打开并且电流再次流过被测设备时向被测设备提供升压电流，从而促进对与被测设备关联的寄生电容进行再充电。
文档编号G01R31/28GK1914803SQ200480041301
公开日2007年2月14日 申请日期2004年12月2日 优先权日2003年12月10日
发明者P·奎瓦斯, G·克里格尔, M·埃文斯, J·乌尔曼 申请人:夸利陶公司