阻抗源量程调节设备和方法
【专利摘要】本发明公开了一种阻抗提供电路和方法，所述阻抗提供电路用于构造成对被测试装置（DUT）进行测量的测量装置。阻抗提供电路包括电压/电流源。具有构造成调节可变电阻的控制输入的电控可变电阻耦合至DUT。回路增益控制器耦合至电控可变电阻的控制输入。回路增益控制器构造成驱动电控可变电阻的控制输入，以调节可变电阻使其与DUT的阻抗基本匹配。阻抗提供电路还可以包括构造成检测DUT两端的电压的电压检测器并且包括电压基准。回路增益控制器可以构造成基于在DUT的两端检测到的电压和电压基准来驱动电控可变电阻的控制输入。
【专利说明】阻抗源量程调节设备和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明总的涉及电测量，并且更具体地，涉及源测量单元。
【背景技术】
[0002]在包括半导体产品测试在内的很多领域中，源测量单元(SMU)用来进行精确的测量。例如，美国专利N0.5，039, 034公开了一个这种装置，并且在美国专利N0.5，144，154中描述了这种装置中的量程变化，这两个专利都通过参引的方式全部并入本文。典型的SMU设计包括具有集成的电压和电流测量功能的电压源或电流源。被测试装置(DUT)耦合至SMU并且然后利用电压源或电流源激励。只要负载阻抗与选择的SMU提供方法相匹配，典型的SMU就将正常地工作。如果SMU构造成提供电压并且测量电流(SVMI)，那么高阻抗负载是所希望的。如果SMU构造成提供电流并且测量电压(SIMV)，那么低阻抗负载是所希望的。实际上负载阻抗可能不与SMU源阻抗相匹配。这能够导致减幅振荡(ring)和其他瞬态问题。当负载阻抗随频率变化时，出现其他问题，例如，用于DC的正确提供方法在较高频率下不是正确的方法。已有的SUM设计不改变其特性以适于随频率而改变DUT阻抗。提供解决这些问题的改进的源阻抗量程调节功能将是所希望的。
【发明内容】
[0003]公开了一种阻抗提供电路和方法，所述阻抗提供电路用于构造成对被测试装置(DUT)进行测量的测量装置。阻抗提供电路包括电耦合至DUT的电压/电流源。具有构造成调节可变电阻的控制输入的电控可变电阻耦合至DUT。回路增益控制器耦合至电控可变电阻的控制输入。回路增益控制器构造成驱动电控可变电阻的控制输入，以调节可变电阻使其与DUT的阻抗基本匹配。阻抗提供电路还可以包括构造成检测DUT两端的电压的电压检测器并且包括电压基准。回路增益控制器可以构造成基于在DUT的两端检测到的电压和电压基准来驱动电控可变电阻的控制输入。
[0004]回路增益控制器可以包括运算放大器(op-amp)，该运算放大器构造成基于在DUT的两端检测到的电压和电压基准来驱动电控可变电阻的控制输入。电压基准电路可以被提供并构造成将由电压/电流源供给的电压分成两半。电压基准电路可以包括缓冲放大器，该缓冲放大器具有耦合至非反相输入的电阻分压器。电控可变电阻构造为电压受控电流源。
[0005]阻抗提供电路还可以包括外部回路，该外部回路构造成用于电流/电压的提供以及DUT的至少一个电气特性的测量。阻抗提供电路还可以包括增益压缩/扩展电路，该增益压缩/扩展电路构造成增大或减小电压/电流源的跨导(gm)。电压/电流源可以构造为电压源或电流源。
[0006]还公开了一种提供阻抗提供电路的方法，所述阻抗提供电路用于构造成对被测试装置(DUT)进行测量的测量装置。所述方法包括向DUT提供电压/电流源。提供电控可变电阻，该电控可变电阻具有构造成调节可变电阻的控制输入。电控可变电阻的控制输入被驱动，以调节可变电阻使其与DUT的阻抗基本匹配。所述方法还可以包括检测DUT两端的电压以及生成电压基准。所述方法还可以包括基于在DUT的两端检测到的电压和电压基准来驱动电控可变电阻的控制输入。
[0007]所述方法还可以包括提供运算放大器(op-amp)，该运算放大器构造成基于在DUT的两端检测到的电压和电压基准来驱动电控可变电阻的控制输入。所述方法还可以包括提供电压基准电路，该电压基准电路构造成将由电压/电流源供给的电压分成两半，以生成电压基准。还可以提供电压基准电路，该电压基准电路具有缓冲放大器，该缓冲放大器具有耦合至非反相输入以生成电压基准的电阻分压器。电控可变电阻可以构造为电压受控电流源。
[0008]所述方法还可以包括提供外部回路，该外部回路构造成用于电流/电压的提供以及DUT的电气特性的测量。可以提供增益压缩/扩展电路，该增益压缩/扩展电路构造成增大电压/电流源的跨导(gm)。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1A是包括理想的阻抗源的电路的框图；
图1B是对于一定范围的源电阻，就44K欧姆电阻DUT而言的噪声计算；
图1C是典型的反馈安培计的简化框图；
图2A是示出用于阻抗源拓扑的内部回路的基本框图；
图2B是示出用于阻抗源拓扑的内部回路的示意图；
图3A是SMU的框图，该SMU具有外部回路和实施在内部回路中的阻抗源；
图3B是SMU的框图，该SMU具有外部回路和实施在内部回路中的阻抗源；
图3C是阻抗源的基本内部回路的简化框图，图示了内部回路增益；以及 图3D是具有添加了增益压缩/扩展的阻抗源的SMU的框图。
【具体实施方式】
[0010]传统的使用基于电流或电压(I/V)源的拓扑的SMU设计不改变其阻抗特性以适于改变DUT阻抗，或者基于频率的DUT阻抗发生变化。本文公开了一种使用电压可编程“阻抗源”的设备和方法，该“阻抗源”可以用来代替一般的基于I/V源的拓扑。
[0011]存在多个与使用传统的基于电流或电压源的拓扑进行的高速电流测量相关联的潜在问题。首要的问题涉及电容负载的存在。在电容负载的情况下，常规设计的I/V转换器感测电阻器将与DUT阻抗相互作用，从而将极点布置在反馈路径中。这种不期望的极点将使I/V放大器性能受损(例如，电压源、稳定性和带宽)。对于I/V转换器的情况，零伏电压源被直接施加在电容负载上。然后，电流测量将是施加在电容负载上的I/V噪声电压产生的电流与DUT电流之和。
[0012]有时候，DUT电流取决于该施加电压，就好像其作用于电阻负载的那样，而有时候装置本身产生其自身电流，就好像太阳能电池的情况，其实际上不需要任何刺激物(除了光)的存在，但依然是电容性的。该DUT电容将最终使信噪比变差。
[0013]第二个需要克服的问题是I/V转换器的电流感测电阻器的寄生电容。该寄生电容与电流感测电阻器相互作用，从而形成I/V传递函数中的极点。更糟糕的是，在该位置需要一定的电容以保持该反馈安培计I/V转换器拓扑的稳定性。这对于传统的基于I/V源的拓扑是根本的问题。
[0014]所公开的电压可编程阻抗源构架提供了以下功能:
1)提供了稳定的输出到DUT中的足够相位裕度；
2)对于基于频率的DUT阻抗变化的补偿；
3)允许提供和测量I和V(特别是低电流)而不会有DUT导致的频率依赖性；
4)能够与传统设计的SMU—样好地提供I和V ;
5)改变其阻抗特性以适应改变DUT阻抗。
[0015]图1A是包括理想的阻抗源的电路的框图。该电路包括电压源10、源电阻12和DUT
14。接下来:
Znl是与DUT处的信号电压的幅值相比的DUT 14的约翰逊噪声(单位:ppm)；
Zn2是与电流测量的幅值相比的电流测量元件12 (源电阻)的约翰逊噪声(单位:ppm); Zn3是与电压源10的幅值相比的电压源10处的噪声(单位也是ppm)。
[0016]图1B是对于一定范围的源电阻，就44K欧姆电阻DUT而言的噪声计算(考虑了以上计算的噪声Znl、Zn2和Zn3)。当源电阻与DUT电阻基本匹配时，实现了最小噪声。
[0017]图1C是典型的反馈安培计20的简化框图。反馈安培计电路20的运行在概念层面上与典型的SMU中的安培计电路类似。为了本公开的目的，本文公开的反馈安培计电路包含足够的细节来描述本文公开的主题的重要方面。应当理解，本文公开的主题可以结合包括SMU在内的多种测试和测量装置使用。反馈安培计20包括耦合至DUT 28的电压源
22。在本示例中，DUT 28示出为具有电阻和电容部件。放大器23为电压源22的应用而构造(用于高阻抗DUT)，并且将使负载电容快速地步进、充电和稳定(settle)。通过DUT电容的电流由熟悉的关系式来描述:I = C dv/dt。从该等式能够容易地看到,一旦施加的电压源稳定(dv/dt = 0)，则电容器电流快速地降为零，因而从阻抗测量中将其消除。然而，在这种构型中，电流测量将继续稳定在反馈安培计电流感测电阻和感测电阻器两端的电容的时间常数下。令人失望的是，通常必须将附加的电容添加到电阻器24两端，仅仅是为了保持反馈安培计频率稳定。该附加电容将更进一步地减慢电流测量电路。
[0018]为了克服前面列出的问题，可以使用阻抗源拓扑并且可以将其分解成两个独立的回路:内部回路和外部回路(非相互作用回路)。图2A是示出了构造成用于阻抗源拓扑的SMU的内部回路30的基本框图。内部回路包括通过电控可变电阻器38耦合至DUT 40的电压源32。在本示例中，DUT 40示出为具有电阻和电容部件。应当理解，DUT可以包括具有电阻、电容和/或电感特性的多种电气部件。电压源32还耦合至电压基准34。电压基准34构造成产生基准输出，该基准输出耦合至回路增益控制器36的第一输入35。回路增益控制器具有耦合至电控可变电阻器38的控制输入39的输出。电压检测器42耦合至DUT40并且具有耦合至回路增益控制器36的第二输入37的电压检测输出。
[0019]在工作中，电压基准通常构造成将电压源32的输出分成两半。这导致电压源的一半出现在回路增益控制器的第一输入35处。在DUT处检测到的电压耦合至回路增益控制器36的第二输入37。回路增益控制器36构造成基于输入35、37之间的差异来调节其输出。如果输入35、37匹配，回路增益控制器36的输出则不变。如果输入35、37不匹配，回路增益控制器36则变化:根据耦合至输入35和37的哪个电压信号较大而升高或降低。回路增益控制器36的输出驱动电控可变电阻器38的控制输入39，使得来自电压源32的电压的一半出现在DUT 40的两端，并且来自电压源32的电压的一半出现在电控可变电阻器38的两端。当这发生时，源阻抗与DUT 40阻抗匹配。
[0020]图2B是示出了用于阻抗源拓扑的内部回路50的示意图。内部回路包括通过电控可变电阻器58耦合至DUT 60的电压源52。电压源52还耦合至电压基准54。在本示例中，电压基准54利用运算放大器(op-amp)64来实施，运算放大器64构造成具有耦合至非反相输入的电阻分压器的缓冲放大器(单位增益)。电压基准54构造成产生处于电压源52的一半的电压水平的基准输出。基准输出耦合至回路增益控制器56的第一输入55。
[0021]在本示例中，回路增益控制器56利用运算放大器66来实施，运算放大器66构造成基于输入55、57之间的差异来调节其输出。回路增益控制器56具有耦合至电控可变电阻器58的控制输入59的输出。电压检测器52耦合至DUT 60并且具有耦合至回路增益控制器56的第二输入57的电压检测输出。在本示例中，电压检测器52构造成缓冲放大器(单位增益)。
[0022]在工作中，电压基准通常构造成将电压源32的输出分成两半。这导致电压源的一半出现在回路增益控制器的第一输入55处。在DUT处检测到的电压耦合至回路增益控制器56的第二输入57。回路增益控制器56构造成基于输入55、57之间的差异来调节其输出。如果输入55、57匹配，回路增益控制器56的输出则不变。如果输入55、57不匹配，回路增益控制器则变化:根据耦合至输入55和57的哪个电压信号较大而升高或降低。回路增益控制器56的输出驱动电控可变电阻器58的控制输入59，使得来自电压源52的电压的一半出现在DUT 60的两端，并且来自电压源52的电压的一半出现在电控可变电阻器58的两端。当这发生时，源阻抗与DUT 60阻抗匹配。
[0023]前面讨论的阻抗源拓扑将使负载两端的dv/dt和编程电阻两端的dv/dt都修正为零。在电压的阶跃变化或负载阻抗变化的开始处，阻抗回路将(对源阻抗)做任何为了将DUT电压“修正”为源电压的一半所需要做的事情。为了实现这一点，可编程阻抗可以降到毫欧值，或者降到任何需要的值。只要负载和阶跃变化是比阻抗回路的带宽低的带宽，那么电压或阻抗变化一旦稳定，测量阻抗dv/dt和DUT dv/dt就将为零。
[0024]内部回路可以如上所述地设计成可变电阻器38、58。内部回路也可以设计成由内部回路反馈的电流源，从而看上去像可变电阻。图3A是具有外部回路和实施在内部回路74中的阻抗源的SMU 70的框图。外部回路构造成提供本领域熟知的典型SMU功能，包括电流/电压提供和DUT的电气特性的测量。在本示例中，增益/控制块76构造成驱动电压源72。为了实施外部回路，电压源可以变为电流源，并且接地线(和电源)可以移到电压源的正极端子。这种改型不改变电路的工作。
[0025]在本示例中，可变电阻可以实施为跨阻抗放大器(电压受控电流源)。无论是使用阻抗源还是使用电流源，接下来的SMU封套(wrapper)都能够用来围绕内部的低回路增益阻抗源回路来实施SMU (其向电抗性负载(reactive load)提供了改进的稳定性,提供了仪器抗噪性，并且提供了较低的假信号)。
[0026]图3B是具有围绕实施在内部回路84中的阻抗源的外部回路的SMU 80的框图。夕卜部回路构造成实现了所有的普通SMU功能，例如，本领域公知的源电压和源电流。SMU也可以构造成源功率和源电阻。源电阻模式利用该构型被简化，因为内部回路已经构造成执行该功能。
[0027]外部回路基本上控制负载与阻抗源两端的电压之和一无论哪个回路处于控制中:电压或电流，功率或电阻。图示的增益/控制块86提供了增益和本领域已知的开关电路或“箝位电路”。
[0028]外部回路与内部回路84对称地设计(对于为内部回路而用电流源代替可变电阻的情况尤其如此)，使得每个回路的温度变化将取消温度跟踪的提供以及其他非线性特性的取消。
[0029]增益压缩:
如果内部回路围绕电流源(其被控制为与负载相同的阻抗)设计和构建，那么一些负载可能具有带宽和稳定性问题。该内部回路的稳定性能够通过利用阻抗源和外部回路增益路径内的增益压缩/扩展电路来提高。实际上，该电路通过对高负载电流增大一个或多个电流源的跨导(gm)来增大回路增益一无论高负载电流是由于dc负载还是由于大电容负载，并且该电路降低轻负载的回路增益。增益压缩/扩展电路具有无论负载如何都能够使开环零db增益交叉稳定的效果。作为示例，对于具有为I的gm的电流源、取值为100的内部回路增益以及IG的负载，阻抗源内部回路将在没有15uf的负载电容的情况下振荡。通过增益压缩，取值为I的高gm将终止为低至le-9，从而使回路恢复到稳定运行。低阻抗、低电容负载不是问题。对于这些负载，gm将保持为I而不振荡，因为负载电阻在这种布置中也限制了 gm。
[0030]图3C是图示了 内部回路增益的基本内部回路的简化框图。能够得到基本阻抗源回路的回路增益:Vo=I*Zdut => I= Vin*G*gm => Vo= Vin*G*gm*Zdut => Vo/Vin =gm^G^Zduto
[0031]图3D是具有外部回路和实施在内部回路中的阻抗源124的SMU 120的框图，其中添加了增益压缩/扩展电路126、128。在图3D中，gm随着二极管阻抗变化而变化，从而提
供增益压缩/扩展。
[0032]应当理解，基于本文的公开内容，很多变型是可能的。尽管前面以特定的组合形式描述了特征和单元，但每个特征或单元都能够在没有其他特征和单元的情况下单独地使用，或者在具有或不具有其他特征和单元的情况下以各种组合形式使用。
【权利要求】
1.一种阻抗提供电路，用于构造成对被测试装置进行测量的测量装置，所述阻抗提供电路包括: 耦合至所述被测试装置的电压/电流源； 电控可变电阻，所述电控可变电阻具有构造成调节所述可变电阻的控制输入；以及 耦合至所述电控可变电阻的所述控制输入的回路增益控制器，所述回路增益控制器构造成驱动所述电控可变电阻的所述控制输入，以调节所述可变电阻使其与所述被测试装置的阻抗基本匹配。
2.根据权利要求1所述的阻抗提供电路，还包括: 构造成检测所述被测试装置两端的电压的电压检测器。
3.根据权利要求2所述的阻抗提供电路，还包括: 电压基准。
4.根据权利要求3所述的阻抗提供电路，其中，所述回路增益控制器构造成基于在所述被测试装置的两端检测到的电压和所述电压基准来驱动所述电控可变电阻的所述控制输入。
5.根据权利要求3所述的阻抗提供电路，其中，所述回路增益控制器包括运算放大器(op-amp)，所述运算放大器构造成基于在所述被测试装置的两端检测到的电压和所述电压基准来驱动所述电控可变电阻的所述控制输入。
6.根据权利要求1所述的阻抗提供电路，还包括电压基准电路，所述电压基准电路构造成将由电压/电流源供给的电压分成两半。`
7.根据权利要求6所述的阻抗提供电路，其中，所述电压基准电路包括缓冲放大器，所述缓冲放大器具有耦合至非反相输入的电阻分压器。
8.根据权利要求1所述的阻抗提供电路，其中，所述电控可变电阻构造为电压受控电流源。
9.根据权利要求1所述的阻抗提供电路，还包括外部回路，所述外部回路构造成用于电流/电压的提供以及所述被测试装置的电气特性的测量。
10.根据权利要求1所述的阻抗提供电路，还包括增益压缩/扩展电路，所述增益压缩/扩展电路构造成增大或减小所述电压/电流源的跨导(gm)。
11.根据权利要求1所述的阻抗提供电路，其中，所述电压/电流源构造为电压源或电流源。
12.一种提供阻抗提供电路的方法，所述阻抗提供电路用于构造成对被测试装置进行测量的测量装置，所述方法包括: 向所述被测试装置提供电压/电流源； 提供电控可变电阻，所述电控可变电阻具有构造成调节所述可变电阻的控制输入；以及 驱动所述电控可变电阻的所述控制输入，以调节所述可变电阻使其与所述被测试装置的阻抗基本匹配。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括: 检测所述被测试装置两端的电压。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括:生成电压基准。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括基于在所述被测试装置的两端检测到的电压和所述电压基准来驱动所述电控可变电阻的所述控制输入。
16.根据权利要求12所述的方法，还包括提供运算放大器(op-amp)，所述运算放大器构造成基于在所述被测试装置的两端检测到的电压和所述电压基准来驱动所述电控可变电阻的所述控制输入。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括提供电压基准电路，所述电压基准电路构造成将由电压/电流源供给的电压分成两半，以生成所述电压基准。
18.根据权利要求14所述的方法，还包括提供具有缓冲放大器的电压基准电路，所述缓冲放大器具有耦合至非反相输入以生成所述电压基准的电阻分压器。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电控可变电阻构造为电压受控电流源。
20.根据权利要求12所述的方法，还包括提供外部回路，所述外部回路构造成用于电流/电压的提供以及所述被测试装置的电气特性的测量。
21.根据权利要求12所述的方法，还包括提供增益压缩/扩展电路，所述增益压缩/扩展电路构造成增大或减小电压 /电流源的跨导(gm)。
【文档编号】G01R1/28GK103777047SQ201310502493
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月23日 优先权日:2012年10月23日
【发明者】J.A.尼曼 申请人:基思利仪器公司