所公开技术的实施例一般涉及电气测试和测量仪器，并且特别地涉及用于保护电气组件免受不想要的电流影响的设备和方法。
背景技术：
保护是几乎任何低电流测量的重要方面。电气仪器制造商通常采用许多常规技术中的任何技术来将期望测量的阻抗与不是所需测量的一部分的所有电流和阻抗隔离。保护本质上是屏蔽的特殊情况，以通过防止耦合到测量引线来防止噪声或不想要的电流成为测量的一部分。此外，保护防止直流（dc）以及理想地交流（ac）正常模式电流电耦合到测量端子。
在常规电气测试和测量系统中，通常通过测试和测量设备将保护装置（guard）驱动到与测量端子完全相同的电压。该保护装置应该在测量端子周围的所有位置处存在，除了直接在预期的测量处之外。然而，在将保护装置驱动到与测量端子相同电压的过程中出现若干问题。例如，存在从保护放大器到测量端子的反馈路径，所述测量端子是保护放大器的输入。因为该放大器具有反馈路径，所以需要维持频率稳定性，但是这样做的常规尝试不期望地改变电路相位特性。
常规系统一般涉及添加与保护驱动电路的保护放大器串联的电阻以提供频率稳定性，但是这严重削弱了保护装置作为屏蔽的有用性。另外，这样的系统允许保护电压在瞬变条件下从测量节点电压偏离，例如由于串联保护电阻而导致的，并且因此对于通常的快速低电流测量系统是不足的。低电流测量需要某种技术来管理或控制哪些电流或阻抗被测量，以及哪些电流被排除。
即使保护驱动电路的保护放大器可以返回到稳定的操作，假如电阻足够大，这也是以保护装置带宽以及较高阻抗的保护装置输出为代价，并且保护装置将滞后于测量端子，允许受保护的电介质在瞬变期间充电和放电。而且，一般具有更多要充电的电介质的较长线缆将不期望地看到慢保护响应以及稳定时间，这是不可接受的性能。
因此，仍然存在对于用于与电气测试和测量装备集成的保护驱动电路的改进技术的需要。
附图说明
图1图示了实现保护驱动电路的电气测试和测量设备的示例。
图2a图示了根据所公开技术的某些实施方式的电气测试和测量设备的第一示例。
图2b是图示了由图2a图示的电气测试和测量设备的频率响应的伯德图（bodeplot）的示例。
图3a图示了根据所公开技术的某些实施方式的电气测试和测量设备的第二示例。
图3b是图示了由图3a图示的电气测试和测量设备的频率响应的伯德图（bodeplot）的示例。
图4是可以并入图2a和图3a的电气测试和测量设备二者任一的测试系统的示例。
具体实施方式
诸如物联网（iot）之类的许多新兴市场的应用需要更快的低电流测量。iot产品需要认真关注功耗，因为电池操作、低功耗、任务关键型设备比以往任何时候都多。保护技术使得能够实现线缆输出的低电流测量。
其它应用（诸如半导体工业中的参数测试）在来到电气测试和测量速度以及吞吐量时变得要求更多。参数测试市场一般要求增加的吞吐量，其意味着必须减少对于所有测量的测试时间，尤其是对于低电流测试，其通常占用设备测试时间的大部分。
所公开技术的实施例一般针对电气测试和测量设备，所述电气测试和测量设备被设计为以不需要诸如在常规系统中所使用的较低带宽保护驱动电路的方式解决频率不稳定性问题。
与通常通过控制相位来寻址耦合路径的常规系统不同，所公开技术的实施例一般包括移除一些耦合路径并提供小于1.00（即小于单位增益）的保护驱动电路增益，以稳定剩余的耦合路径。在这样的实施例中，信号与测量同相。如果保护驱动电路具有不足的增益，其将永远不会振荡。
图1图示了实现保护驱动电路的电气测试和测量系统100的示例。测量系统100包括源测量单元（smu）110和被测试设备（dut）102，所述源测量单元（smu）110具有被底盘120、仪器屏蔽130以及保护装置150屏蔽的源、电阻器118和地119，所述源可以是电流源115和/或电压源117。
smu110包括保护放大器112，其通过电阻器114连接到保护装置150。取决于保护装置150是否具有到地119的耦合，该电阻器表现得有些不同。然而，在二者任一情况下，保护放大器112以保护装置150带宽以及较高阻抗保护装置150为代价返回到稳定的操作。因而，保护装置150现在滞后于测量端子116，允许受保护的电介质在瞬变期间充电和放电。另外，经常针对预期的最大线缆长度选择电阻器114的值。较长的线缆将看到最低的保护响应以及最慢的稳定时间。也就是说，在通路中具有最长线缆以及开关的参数的测试环境针对低电流测量通常需要大约10秒（s）以稳定到数百毫微微安（fa）水平，这对于许多应用来说是不可接受的性能。随着时间的推移，保护装置150最终确实返回到正确的电压，并且实际测量确实为dc误差拒绝所有阻抗以及泄漏电流。
图2a图示了根据所公开技术的某些实施方式的电气测试和测量设备200的第一示例，其不像图1的电气测试和测量系统一样在带宽上受到限制。电气测试和测量设备200可以是例如源测量单元（smu）。源测量单元是一种类型的电气测试和测量设备，其能够向被测试设备（dut）提供（sourcing）电压信号并且测量来自dut的所得到的电流信号，和/或向被测试设备（dut）提供电流信号并且测量来自dut的所得到的电压信号。如本领域技术人员将理解的，测试和测量设备200可以包括在图2a中没有图示的附加组件。
如在图2a中图示的，电气测试和测量设备200可以通过端口204和206连接到dut（未示出）。端口204和206可以被配置为接收线缆，诸如同轴或三轴的线缆，以在电气测试和测量设备200和dut之间承载信号。电气测试和测量设备200可以包括源（例如，电流源215和/或电压源217），其被配置为通过连接到端口204的线缆在第一信号线208上将源信号输出到dut。源信号通过第一信号线208以及连接的线缆被发送到dut。源信号然后传播通过dut，并且第二线缆从dut连接到端口206到第二信号线209，所述第二信号线209连接到地219，使得源信号流过dut以允许来自dut的信号被电气测试和测量设备200测量。
电气测试和测量设备200可以包括保护驱动电路250，其可以包括第一运算放大器（op-amp）212、衰减器电路211以及第二运算放大器221。电气测试和测量设备200还可以包括第一电阻器214，其电耦合在源215和/或217以及第一运算放大器212之间。第一电阻器214是感测电阻器，其在连接到dut时可以被电气测试和测量设备200用来测量系统中的电流。
衰减器电路211电耦合在第一运算放大器212和第二运算放大器221之间。例如，衰减器电路211可以是电阻分压器，其包括电耦合在第一运算放大器212和第二运算放大器221之间的第二电阻器222，以及电耦合在第二运算放大器221和地219之间的第三电阻器223。电阻器222和223的值可以被选择成使得衰减器电路211被配置为减小来自第一运算放大器的信号输出的幅度，以使得到第二运算放大器的信号输入以及第一运算放大器的信号输出的幅度之间的比率（本文中也称为增益）小于1.00，即小于单位增益。第二运算放大器221的输出经由保护信号线210连接到通过端口204连接的线缆的保护装置。保护驱动电路的输出，其是第二运算放大器221的输出，可以与第一信号线208同相地驱动线缆的保护装置，以保护第一信号线208免受电干扰。如本领域技术人员将理解的，虽然保护信号线210作为端口204的一部分示出，但是保护信号线210可以通过另一个端口（未示出）连接到线缆的屏蔽。
如图2a中图示的，源信号在第一运算放大器212处被接收，所述第一运算放大器212包括100%负反馈路径以将第一运算放大器212的输出馈送到第一运算放大器212的输入。第一运算放大器212的输出在衰减器电路211处被接收，所述衰减器电路211也连接到第二运算放大器221。如上面提到的，衰减器电路211具有小于1.00的增益，并且衰减器电路211的输出用作第二运算放大器221（其也包括反馈回路）的输入以与第一信号线208同相地稳定驱动连接到信号线210的线缆的保护装置。这允许连接到端口204的线缆的保护装置被驱动在几乎与源215和/或217相同的电压处，而不限制带宽。如上面提到的，如果保护驱动电路具有不足的增益，其将永远不会振荡。衰减器电路211通过具有小于单位的增益来防止放大器212和221振荡。
电气测试和测量设备200还可以包括第一屏蔽结构220，例如诸如底盘，其被配置为保护电气测试和测量设备200以及第一和第二信号线（当连接到dut时）免受电干扰。第二屏蔽结构230，其也可以在本文中被称为仪器屏蔽，被配置为进一步保护电气测试和测量设备200和dut（当连接到电气测试和测量设备200时）免受电干扰。例如，第二屏蔽结构230可以通过端口206连接到线缆。在其它实施例中，第二屏蔽结构230可以通过另一个端口连接到线缆。
图2b是图示了由图2a图示的电气测试和测量设备200当连接到dut时的频率响应的伯德图280的示例。伯德图280示出了0.999的增益的稳定操作的范围，其范围从经由线282（例如，始于0hz的闭合）示出的非常高的电容，到由线284示出的最低电容，例如cg=1/(rh)(100hz)(2)(pi)（其中rh代表在高测量端子上存在的电阻，例如，回看到smu的dut和任何阻抗）。交叉点286指示由于正在执行的低电流测量的阻抗和线缆长度而导致的极点。交叉点288是保护驱动电路250变得不稳定的点，并且示出为点线的线292指示不稳定性区域开始的位置。如在伯德图280中可以看到的，保持增益小于一防止线284处于不稳定区域。交叉点290指示保护驱动电路250的增益带宽。
在图2a中图示的电气测试和测量设备200中，保护电路放大器212和221的增益可以减小到小于1.00的使得保护驱动电路稳定的任何增益。虽然一般有效，但是该电气测试和测量设备200对于某个或某些高电压来说可能不是理想的。例如，对于使用0.999增益的高电压系统，例如在1000v处操作，保护误差电压将是：（1-0.999）*1000v=1v，其可能比期望的高。
图3a图示了根据所公开技术的某些实施方式的电气测试和测量设备300的另一个示例。电气测试和测量设备300包括与上面关于电气测试和测量设备200所讨论的那些相似的一些组件，并且因此，类似的组件将用相同的附图标记加100来编号。例如，电气测试和测量设备300可以包括第一屏蔽结构320和第二屏蔽结构330，其与上面关于图2a所讨论的那些类似，并且因而，在本文中没有关于图3a进一步讨论。
电气测试和测量设备300可以通过端口304和306连接到被测试设备（dut）。端口304和306可以被配置为接收线缆，诸如同轴或三轴线缆，以在电气测试和测量设备300和dut之间承载信号。如本领域技术人员将理解的，电气测试和测量设备300可以包括源315，其可以是电流源或电压源二者任一，取决于反馈到源315的是电压还是电流。源可以被配置为通过连接到端口304的线缆在第一信号线308上将源信号输出到dut。通过第一信号线308和连接的线缆将源信号发送到dut。源信号可以传播经过dut，并且第二线缆从dut连接到端口306以将dut连接到第二信号线309，所述第二信号线309连接到地319。这允许源信号流过dut，使得来自dut的信号可以由电气测试和测量设备300基于源信号测量。
与电气测试和测量设备200相似，电气测试和测量设备300还可以包括保护驱动电路350，其可以包括第一运算放大器312、衰减器电路311以及第二运算放大器321。电气测试和测量设备300还可以包括感测电阻器314，其电耦合在源315和第一运算放大器312之间。电气测试和测量设备300还可以包括电流测量设备318以及电压测量设备319作为源测量操作的一部分。
在图3a的保护驱动电路中，衰减器电路311包括电阻分压器，所述电阻分压器包括电耦合在第一运算放大器312和第三电阻器323之间的第二电阻器322。在该实施例中，第三电阻器323电连接到源信号，而不是地319。电阻器322和323的值可以被选择成使得衰减器311被配置为具有小于1.00的输出比率。第二运算放大器321的输出经由屏蔽信号线310连接到通过端口304连接的线缆的保护装置。保护驱动电路的输出，其是第二运算放大器321的输出，可以与第一信号线308同相地驱动线缆的保护装置以保护第一信号线308免受电干扰。如本领域技术人员将理解的，虽然屏蔽信号线310作为端口304的一部分示出，但是屏蔽信号线310可以通过另一个端口（未示出）连接到线缆的屏蔽。在一些实施例中，源信号的电压和来自保护驱动电路的电压可能不相等。
与图2a中图示的电气测试和测量设备200相关联的某些潜在的缺陷可以通过图3a中图示的电气测试和测量设备300来解决，其中一些耦合路径可以通过参考对低阻抗源315输出而不是对地319的0.999衰减来消除。
如上面提到的，常规系统将保护装置精确地驱动到源电压。保护装置与源电压的耦合完成了围绕保护驱动电路的耦合，并且衰减器311为该耦合提供小于一的比率以防止运算放大器312和321振荡。
随着该比率适当地改变，保护驱动电路可能较少地被信号线308上的源信号输出影响。随着电气测试和测量仪器300的输出电流处于零或接近零，这是保护重要时的通常情况，保护驱动电路能够驱动保护装置，使得保护装置电压可以几乎完美。衰减器电路311的比率或增益在生产期间可以改变，以允许保护装置处于针对满量程电流值以及针对将被保护的预期电阻的最大可接受误差。只要比率小于一，衰减器电路311就将防止运算放大器312和321振荡。
图3b是图示了由图3a图示的电气测试和测量设备300的频率响应的伯德图380的示例。伯德图380示出了改进，例如与图2b的图280相比较。0.99的增益的稳定操作的范围从由线382（例如，始于0hz的闭合）示出的非常高的电容，到由线384示出的最低电容，例如cg=1/(rh)(10khz)(2)(pi)（其中rh代表在端口204处存在的电阻）。交叉点386指示由于正在执行的低电流测量的阻抗和线缆长度而导致的极点。交叉点388是保护驱动电路350变得不稳定的点，并且示出为点线的线392指示不稳定性区域开始的位置。如在伯德图380中可以看到的，保持增益小于一防止线384在不稳定区域中。交叉点390指示保护驱动电路350的增益带宽。如可以看到的，使用图3a的电气测试和测量设备300的稳定操作范围从0扩展到10khz，相对于使用图2a的电气测试和测量设备200看到的0到100hz的范围。
图4图示了示例系统，其中可以使用电气测试和测量设备200或300二者任一。所述系统包括可以是电气测试和测量设备200或300二者任一的电气测试和测量设备400，其通过第一线缆420以及第二线缆422连接到dut402，所述第一线缆420连接到与端口204或304二者任一相似的端口404，所述第二线缆连接到与端口206或306二者任一相似的端口406。
第一线缆420可以包括保护装置450，其由电气测试和测量设备400的保护驱动电路驱动以防止对行进通过第一线缆420的信号的电干扰。
示例
下面提供了本文中公开技术的说明性示例。技术的实施例可以包括下面描述的示例中的任何一个或多个以及其任何组合。
示例1是一种测试和测量设备，包括源，其被配置为输出源信号；源输出，其被配置为将源信号输出到连接的线缆；保护驱动电路，其电耦合到源并被配置为接收源信号并生成保护驱动信号，保护驱动电路具有小于一的增益；以及保护驱动电路输出，其被配置为将保护驱动信号输出到连接的保护装置。
示例2是根据示例1的测试和测量设备，其中保护驱动电路包括第一运算放大器，其电耦合到源并且被配置为接收源信号并基于该源信号输出信号；衰减器电路，其电耦合到第一运算放大器并被配置为从第一运算放大器接收信号并减小从第一运算放大器接收的信号的增益；以及第二运算放大器，其电耦合到衰减器电路并被配置为接收来自衰减器电路的信号并输出保护驱动信号。
示例3是根据示例2的测试和测量设备，其中衰减器电路包括电阻分压器。
示例4是根据示例3的测试和测量设备，其中电阻分压器包括第一电阻器，其电耦合在第一运算放大器和第二运算放大器之间；以及第二电阻器，其电耦合在第二运算放大器和地之间。
示例5是根据示例3的测试和测量设备，其中电阻分压器包括第一电阻器，其电耦合在第一运算放大器和第二运算放大器之间；以及第二电阻器，其电耦合在第二运算放大器和源之间。
示例6是根据示例1-5的任何一个的测试和测量设备，其中保护驱动信号是与源信号同相的输出。
示例7是根据示例1-6的任何一个的测试和测量设备，其中源是电流源或电压源。
示例8是根据示例1-7的任何一个的测试和测量设备，其中测试和测量设备是源测量单元，smu。
示例9是根据示例2的测试和测量设备，其中第一运算放大器和第二运算放大器均具有100%负反馈。
示例10是一种用于驱动连接到测试和测量仪器的线缆的保护装置的方法，包括生成源信号；将源信号输出到被配置为连接到线缆的输出端子；以及通过使用具有小于一的增益的保护驱动电路来衰减源信号而基于源信号生成保护驱动信号。
示例11是根据示例10的方法，其中源信号是电流源信号或电压源信号二者任一。
示例12是根据示例10或11二者任一的方法，其中保护驱动电路包括电阻分压器电路。
示例13是一种测试和测量设备，包括源，其被配置为生成源信号；端口，其被配置为电耦合到线缆和线缆的保护装置；以及保护驱动电路，其被配置为通过端口将保护驱动信号输出到线缆的保护装置。保护驱动电路包括第一运算放大器，其被配置为接收源信号并基于该源信号输出信号；衰减器电路，其电耦合到第一运算放大器并被配置为从第一运算放大器接收信号并减小从第一运算放大器接收的信号的幅度；以及第二运算放大器，其电耦合到衰减器电路并被配置为从衰减器电路接收信号并输出保护驱动信号。
示例14是根据示例13的测试和测量设备，其中衰减器电路是电阻分压器，所述电阻分压器包括第一电阻器，其电耦合在第一运算放大器和第二运算放大器之间；以及第二电阻器，其电耦合在第二运算放大器和地之间。
示例15是根据示例13的测试和测量设备，其中衰减器电路是电阻分压器，所述电阻分压器包括第一电阻器，其电耦合在第一运算放大器和第二运算放大器之间；以及第二电阻器，其电耦合在第二运算放大器和源之间。
示例16是根据示例13-15的任何一个的测试和测量设备，其中保护驱动信号是与源信号同相的输出。
示例17是根据示例13-16的任何一个的测试和测量设备，其中源是电流源或电压源。
示例18是根据示例13-17的任何一个的测试和测量设备，其中测试和测量设备是源测量单元，smu。
示例19是根据示例13-18的任何一个的测试和测量设备，其中第一运算放大器和第二运算放大器均具有100%负反馈。
示例20是根据示例13-19的任何一个的测试和测量设备，其中衰减器电路具有小于单位的增益。
本公开的方面易受各种修改和替换形式。特定的方面已经在附图中通过示例的方式示出并且在上面在本文中详细地描述。然而，应当注意，除非明确地限制，否则本文中公开的示例是出于清楚讨论的目的而呈现的，并且不旨在将公开的一般概念的范围限制于本文中描述的特定方面。因而，本公开旨在覆盖根据附图描述的方面的所有修改、等同物以及替换物。
说明书中对方面、示例等的参考指示所描述的项目可以包括特定特征、结构或特性。然而，每个公开的方面可以或可以不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，除非特别指出，否则这样的短语不一定指相同的方面。另外，当结合特定方面描述特定特征、结构或特性时，无论这样的特征是否结合这样的其它公开方面明确地描述，都可以结合另一个公开的方面采用这样的特征、结构或特性。
通信介质意味着可以用于计算机可读信息的通信的任何介质。通过示例的方式，并且不限制，通信介质可以包括同轴线缆、光纤线缆、空气或适合用于电、光、射频（rf）、红外线、声学或其它类型信号的通信的任何其它介质。
已经参考图示的实施例描述并图示了本发明的原理，将认识到，图示的实施例可以在不脱离这样的原理的情况下在布置和细节上被修改，并且可以以任何期望的方式组合。并且尽管前面的讨论已经集中在特定实施例，但是也预计到其它配置。
特别地，即使本文中使用了诸如“根据本发明的实施例”等表达，这些短语一般意味着参考实施例的可能性，并且不旨在将本发明限制于特定实施例配置。如本文中所使用的，这些术语可以参考可组合到其它实施例中的相同或不同的实施例。
因此，鉴于对本文中描述的实施例的各种各样的置换，该详细的描述和所附材料旨在仅是说明性的，并且不应当视为限制本发明的范围。因此，作为本发明要求保护的是如可以落入下面的权利要求及其等同物的范围和精神内的所有这样的修改。