扩展的分路电流源的制作方法

扩展的分路电流源
[0001]
相关申请本申请是于2019年7月25日提交的美国临时专利申请no. 62/878,613的延续案，并要求该美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请以其整体并入本文。
技术领域
[0002]
本公开涉及测试和测量系统，并且更特别地，涉及用于在测试和测量系统中使用的电流源。


背景技术：

[0003]
许多不同类型的测试和测量系统使用电流源和电压源来向被测设备施加电流和/或电压。源测量单元（smu）提供了一个示例，但不限于此，并且通常将电压和/或电流施加到耦合到smu的被测设备（dut）。然后smu诸如利用电流表或电压表来测量dut的响应。
[0004]
电流源可以通过跨源电阻施加源电压来生成电流，并且然后将所得到的电流施加到dut。然而，当源电阻小于dut电阻时，与源电阻大于dut电阻时相比，电流源对源电压中的改变的响应更慢得多。可以使用具有大的增益的运算放大器（op-amp），以允许源电阻显现为更大，然而运算放大器增益在相对较低的频率下开始“滚降”，导致明显更大的电阻也“滚降”；显现出电容性并降低电流源的速度和稳定性。对电流源速度的不断增长的需求使这种担忧凸显出来。
[0005]
所公开的设备和方法的实施例解决了现有技术中的缺点。
附图说明
[0006]
图1示出了常规电流源的示例；图2示出了常规电流源的示例；图3示出了电流源的诺顿模型（norton model）的示图；图4示出了在反馈路径中具有增益组件的电流源的实施例的总体示意图；图5-6示出了跨宽频率范围具有诺顿模型的电流源的实施例；图7示出了类似于图6的具有替代电压源的实施例；图8示出了类似于图5的具有替代的电压源的实施例；图9示出了与图2的常规电流源嵌套的图4的实施例；图10-12示出了类似于图2的实施例，其可替代地具有降低的增益以及替代的电压源位置；图13示出了嵌套的增益降低的电流源的实施例；图14示出了包括电流源的测试和测量设备。
具体实施方式
[0007]
图1示出了一个常规电流源的示例。在该电流源中，由电压14供电的运算放大器
（op-amp）12跨源电阻器r
s 18放置电压v
s 16。这产生输出电流i
s
，输出电流i
s
等于v
s
/r
s
。由阻抗z
l 19表示的负载位于高输出端子15和低输出端子17之间。当z
l
小于r
s
时，输出电流随v
s
的改变而改变的速度由运算放大器的增益带宽g来确定。但是，当z
l
大于r
s
时，速度会按z
l
与r
s
的比率降低。一般方程是。对于，并且对于。β越小，电流源响应得越慢。
[0008]
图2示出了遭受相同问题的常规电流源的另一种配置。在该配置中，源电压v
s 16直接连接到源电阻器r
s 18。由电压22供电的运算放大器20连接在源电阻器18和低端子17之间。负载19位于高端子15和低端子17之间。
[0009]
在操作中，放大器看到一个反馈项β，其等于源电阻器的值除以源电阻器与负载电阻z
l
之和，或：。
[0010]
如果负载z
l
大于源电阻器r
s ，则β小于1，并且当在这种情况下时，图1和2的电路缓慢地响应于源电压的改变。例如，如果β = 0.1，则电流源的响应速度将是β等于1时的十分之一。在典型的高频率操作中，这将导致电路操作方面的滞后。
[0011]
一种可能的解决方案可以涉及使用更大的源电阻。然而，这将需要更大的源电压来生成大的电流。源电阻器中消耗的功率会增加。这里的实施例允许在保持较高速度的同时降低源电压和功耗。本质上，这里的实施例使得较低的电阻值“看起来”更大，允许在较高频率下生成较高的电流，而不会遭受功率耗散或要求较高的电压。
[0012]
诺顿定理，也被称为迈耶-诺顿定理（mayer-norton theorem），认为具有电压和电流源且仅具有电阻的任何线性电气网络，都可以在高端子和低端子处由与等效电阻并联连接的等效电流源来代替。图3将该模型示出为与电阻r
in 32并联的电流源i
s 30。
[0013]
这里的实施例采用衰减器来限制增益组件的增益。这里的实施例示出了运算放大器，但是可以使用任何增益组件，包括晶体管。其它组件的尺寸或值至少部分地依赖于增益组件的增益。这里使用的增益组件在较低频率下的增益大于较高频率下的增益。这里使用的术语“较低频率”指代在其处增益组件的增益恒定的频率。术语“较高频率”指代在其处增益组件的增益与频率成反比的频率。
[0014]
图4示出了电流源的实施例的示意图。电流源具有源电压36，源电压36可以存在于与源电阻器r
s 34串联的位置处，或者可以存在于38处的增益组件反馈组件中。反馈组件38降低增益组件40的增益。增益组件40具有正输入端和负输入端，并且具有输出端子和返回端子。增益组件40在低于某一频率点的频率处具有恒定增益，在高于该频率点的情况下，增益变得与频率成反比。增益组件40将跨源电阻器34的电压调节为源电压36。增益组件40的增益限制了跨高端子和低端子之间的负载19的输出电压的调节。反馈组件38接收被连接到增益组件的输入端的电流源输出电压的至少一部分，并且反馈组件降低增益组件的增益，所述增益组件可用于调节跨源电阻器的源电压。
[0015]
这里的实施例允许对增益进行调节以将其恒定增益维持到较高频率，从而将增加的电流源电阻维持到相同的较高频率。此外，可以添加与r
s
串联的电感器l
s
，其大小为，其中k是由衰减器设置的增益，并且g是放大器增益带宽。在下面的示例中，并非
进行限制并且仅仅为了便于讨论，k将被假设为10。
[0016]
图5示出了合并有衰减器以降低增益组件的增益的电流源的实施例。虽然各图示出了特定的电流源架构和增益组件，但是应当注意，实施例适用于任何电流源，正如它们可以采用任何增益组件那样。
[0017]
在图5的实施例中，电流源具有连接到运算放大器42的负输入端的电压源46，所述运算放大器42由电压44进行供电。运算放大器42的输出连接到源电阻器r
s 48，所述源电阻器r
s 48也被称为限流电阻器。运算放大器42的另一个输入端连接到衰减器的输出端，该衰减器充当降低增益的反馈组件。在该实施例中，衰减器包括两个电阻器52和54。电阻器54连接在运算放大器42的正输入端和低端子47之间，电阻器r
1 52连接在运算放大器的正输入端和高端子45之间。负载未在此示出，但是将存在于高端子45和低端子47之间。如上面所讨论的，使用衰减器选择k1，其中电阻器54暂时被称为r2，r2等于（k-1）r1，使用10作为k的讨论值，如果r1是1k欧姆，那么r2是9k欧姆。
[0018]
图6示出了一个实施例，其中电路包括如在上面关于图5所讨论的电阻器网络和如在上面提到的电感器50，电感器的大小为，其中k是由衰减器设置的增益，并且g是放大器增益带宽。这扩展了电流源保持其电阻的频率。
[0019]
图7示出了与图6中的架构类似的架构，但是具有替代的电压源。在该实施例中，电压源60包括电流源i
a 62和电流电阻器r
a 64。源电压等于电流乘以电阻器电阻，v
s = i
a
r
a
，源电流是电流源电流乘以电流电阻器电阻除以源电阻器电阻，i
s = i
a
r
a
/r
s
。
[0020]
图8示出了与图5中的架构类似的架构，但是电压源已经被移动到连接在放大器42的正输入端和电阻器衰减器网络的中间节点之间。
[0021]
图9示出了图6的电流源40的实施例，其与图2中的没有增益降低的电流源嵌套。在该实施例中，电压源46连接到由电压44供电的运算放大器42的一个输入端。运算放大器42的输出连接到电感器l
s 50，电感器l
s 50进而连接到源电阻器r
s 48。运算放大器42的另一输入端连接到作为增益降低反馈组件的电阻器网络。在该实施例中，电阻器网络包括两个电阻器52和54。电阻器54连接在运算放大器66的输入端和地之间，并且电阻器52连接在运算放大器的输入端和高端子45之间。负载49相应地位于高端子45和低端子47之间。
[0022]
在该实施例中，由电压67供电的第二运算放大器66连接在源电阻器的与电感器“相对”的一侧和地之间（即电流源80的输出端），同时所述第二运算放大器66的输出端连接到低端子47。在该实施例中，第二运算放大器66与负载相互作用，以将求和节点/输出端保持接地。这些架构仅仅是示例，并且可以变化，但是仍然落入以下权利要求的范围内。
[0023]
图10-12示出了类似于图2的实施例，但是运算放大器66具有以r
1 68和kr
1 70形式的增益降低反馈组件和增益组件72。增益反馈在图10-12中被反相，因此70的值是k1r1而不是（k
1-1）。如在前面的实施例中那样，图10的电压源46连接到源电阻器48。在图11中，电压源移动到源电阻器48的另一侧上，并连接到运算放大器66的负输入端子。在图12中，电压源46连接在增益降低反馈电路和运算放大器66的正端子之间。
[0024]
图13示出了每个都具有增益降低的嵌套电流源的实施例。方框80中示出了具有增
益降低的电流源，它替换了示意图右手侧的源电压和源电阻器。第二电感器82连接该电流源，以使其成为包括放大器66的左手侧电流源的一部分，其中电阻器r
2 86和r
3 88以及放大器89的增益减小，其中r3等于k2r2。两个常数k1和k2彼此不相关，但是每个常数都与每个电流源的增益相关。
[0025]
在任意一个实施例中，以及采用衰减器的替代架构中，电流源i
s
表现得好像电阻器网络是小的电阻器，使用较少的功率并且生成较少的热量，但是允许生成较大的电流。类似地，衰减器可以包括电阻器网络、电感器或这两者的组合。
[0026]
在这些实施例中，上面讨论的反馈β变成常数k乘以源电阻除以k乘以源电阻和负载电阻之和，。在z
l
值能够显著降低β之前，z
l
必须为更大的k倍。在z
l
达到该值的事件中，响应速度仍然比没有电感器和电阻器网络时快k倍。
[0027]
在测试和测量系统的领域中，测试和测量仪器可以在其中包括电流源，以允许系统向被测设备施加电流。图14示出了测试和测量仪器的一个实施例的框图。如本领域技术人员容易理解的，测试和测量仪器90可以包括图14中未图示的附加组件。
[0028]
测试和测量仪器90包括一个或多个端口92，端口92可以是任何电信号介质。测试和测量仪器90可以是可以生成测量并且然后测量被测设备的任何设备，诸如但不限于电流源、源测量单元或数字万用表，如上所述。端口92可以包括接收器、发射器和/或收发器。端口92可以耦合到源或者源和安培计94的组合，其可以包括前面讨论的任何电流源。尽管为了便于说明，在图14中仅示出了一个处理器96，但是本领域技术人员应当理解，可以组合使用不同类型的多个处理器96，而不是单个处理器96。处理器96可以电耦合到源94，以帮助测量、显示和/或存储所连接的被测设备的电流。
[0029]
一个或多个处理器96可以被配置成执行来自存储器98的指令，并且可以执行由这样的指令指示的任何方法和/或相关联的步骤。存储器98可以被实现为处理器高速缓存、随机存取存储器（ram）、只读存储器（rom）、固态存储器、（一个或多个）硬盘驱动器或任何其它存储器类型。存储器98充当用于存储数据、计算机程序产品和其它指令的介质。
[0030]
用户输入100耦合到一个或多个处理器98。用户输入100可以包括键盘、鼠标、轨迹球、触摸屏和/或用户可采用以与显示器102上的gui交互的任何其它控件。显示器102可以是数字屏幕、基于阴极射线管的显示器或向用户显示波形、测量值和其它数据的任何其它监视器。虽然测试和测量仪器90的组件被描绘为集成在测试和测量仪器90内，但是本领域普通技术人员应当领会，这些组件中的任何一个都可以在测试仪器90的外部，并且可以以任何常规方式耦合到测试仪器90，诸如以有线和/或无线通信介质和/或机制。例如，在一些实施例中，显示器92可以远离测试和测量仪器90。
[0031]
在本文中讨论的实施例允许在所有电流水平下精确的宽动态范围的电流。这些实施例可以允许用户在低电流和高电流下均精确地对设备进行测量，而不必改变电流表。例如，如果设备突然接收到大的电流，而先前接收到低的电流，则本文中公开的实施例的电流表能够精确地提供低的电流和高的电流这两者。
[0032]
在本公开中，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指称，除非上下文另有规定。术语“或者”旨在是包括性的，并且意味着所列出的项目中的任一个、任何一个、几个或全部。术语“包括”、“包括有”、“包含”、“包含有”或它们的其它变型旨在覆盖非排他性的包括，
使得包括一系列元素的处理、方法或产品不一定只包括那些元素，而是可以包括未明确列出的或这样的处理、方法、制品或装置固有的其它元素。相关术语，诸如“大约”、“近似”、“基本上”和“一般”，用于指示所阐明或所理解的值的
±
10%的可能变化。
[0033]
本公开的方面易于进行各种修改和采用各种替代形式。已经在附图中以示例的方式示出了特定的方面，并且在本文中进行了详细描述。然而，应当注意，本文中公开的示例是为了讨论清楚的目的而呈现的，并且不旨在将公开的一般概念的范围限制到本文中描述的特定方面，除非明确进行限制。照此，根据附图和权利要求，本公开旨在覆盖所描述的方面的所有修改、等同物和替代。
[0034]
说明书中对方面、示例等的引用指示所描述的项目可以包括特定的特征、结构或特性。然而，每个公开的方面可能或者可能不一定包括特定的特征、结构或特性。此外，这样的表述不一定指代同一方面，除非特别指出。进一步地，当结合特定方面描述特定特征、结构或特性时，这样的特征、结构或特性可以结合另一个公开的方面来使用，而不管这样的特征是否被结合这样的其它公开方面明确地描述。
[0035]
本公开的各方面可以在特别创建的硬件上、固件上、数字信号处理器上或者在包括根据编程指令操作的处理器的特别编程的通用计算机上操作。如本文中使用的术语控制器或处理器旨在包括微处理器、微型计算机、专用集成电路（asic）和专用硬件控制器。本公开的一个或多个方面可以体现在计算机可用数据和计算机可执行指令中，诸如体现在由一个或多个计算机（包括监控模块）或其它设备可执行的一个或多个程序模块中。通常，程序模块包括当由计算机或其它设备中的处理器执行时执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。计算机可执行指令可以存储在非暂时性计算机可读介质上，所述非暂时性计算机可读介质诸如硬盘、光盘、可移动存储介质、固态存储器、随机存取存储器（ram）等。如本领域技术人员应当领会的，程序模块的功能可以根据需要在各个方面中进行组合或分布。此外，功能可以全部或部分体现在诸如集成电路和fpga等的固件或硬件等同物中。特定的数据结构可以被用于更有效地实现本公开的一个或多个方面，并且这样的数据结构被设想在本文中描述的计算机可执行指令和计算机可用数据的范围内。
[0036]
在某些情况下，所公开的方面可以在硬件、固件、软件或它们的任意组合中实现。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个或非暂时性计算机可读介质携带或存储在一个或多个或非暂时性计算机可读介质上的指令，所述指令可以由一个或多个处理器读取和执行。这样的指令可以被称为计算机程序产品。如本文中所讨论的，计算机可读介质意味着可以由计算设备访问的任何介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。
[0037]
计算机存储介质意味着可以用于存储计算机可读信息的任何介质。作为示例而非限制，计算机存储介质可以包括ram、rom、电可擦除可编程只读存储器（eeprom）、闪存或其它存储器技术、压缩盘只读存储器（cd-rom）、数字视频盘（dvd）或其它光盘存储装置、盒式磁带、磁带、磁盘存储装置或其它磁存储设备，以及以任何技术实现的任何其它易失性或非易失性、可移动或不可移动介质。计算机存储介质不包括信号本身和信号传输的暂时形式。
[0038]
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。作为示例而非限制，通信介质可以包括同轴线缆、光纤线缆、空气或适合于电、光、射频（rf）、红外、声或其它
类型信号的通信的任何其它介质。
[0039]
示例下面提供了所公开技术的说明性示例。所述技术的实施例可以包括下面描述的示例中的一个或多个以及所述示例的任意组合。
[0040]
示例1是一种电流源，包括：至少一个增益组件，其在低于频率点的频率处具有恒定增益，并且在高于频率点的频率处具有与频率成反比的增益，所述增益组件具有输入端和输出端；与所述增益组件的输出端串联连接的源电阻器，所述增益组件将跨源电阻器的电压调节为源电压，使得所述增益组件的增益限制由增益组件来进行的对源电压和跨高端子和低端子之间的负载的输出电压的调节；以及接收输出电压的至少一部分的反馈组件，所述反馈组件连接到所述增益组件的输入端，所述反馈组件被配置为降低所述增益组件的增益，所述增益组件可用于调节跨源电阻器的源电压。
[0041]
示例2是示例1的电流源，进一步包括与源电阻器串联的电感，该电感的大小被设置为在频率点处具有等于源电阻器的电阻的阻抗。
[0042]
实施例3是示例1或2中的任一个的电流源，其中增益组件包括运算放大器。
[0043]
示例4是示例1-3中的任何一个的电流源，其中反馈组件包括跨输出端的电阻衰减器。
[0044]
示例5是示例1-4中的任何一个的电流源，其中反馈组件包括反相衰减器。
[0045]
示例6是示例1-5中的任何一个的电流源，其中电流源被插入以代替没有增益降低的第二电流源的源电阻器。
[0046]
示例7是示例1-6中的任何一个的电流源，其中电流源被插入以代替具有增益降低的第二电流源的源电阻器。
[0047]
示例8是一种电流源，包括：源电压；至少一个增益组件，其在低于频率点的频率处具有恒定增益，并且在高于频率点的频率处具有与频率成反比的增益，所述增益组件具有输入端和输出端；连接到所述增益组件的输出端的源电阻器；以及连接在所述源电阻器和所述增益组件的输入端之间的电阻器网络，所述电阻器网络包括至少两个电阻器，这两个电阻器由基于增益的常数相关联。
[0048]
示例9是示例8的电流源，其中增益组件包括运算放大器。
[0049]
示例10是示例9的电流源，进一步包括连接在电流源的高端子和低端子之间的第二运算放大器。
[0050]
示例11是示例8-10中的任何一个的电流源，进一步包括与源电阻器串联的电感器。
[0051]
示例12是一种生成电流的方法，包括：向至少一个增益组件提供功率，所述至少一个增益组件在低于频率点的频率处具有恒定增益，并且在高于频率点的频率处具有与频率成反比的增益，所述增益组件具有输入端和输出端；将源电阻器与所述增益组件的输出端串联连接，所述增益组件将跨源电阻器的电压调节为源电压，使得增益组件的增益限制对源电压和跨高端子和低端子之间的负载的输出电压的调节；以及从反馈组件产生反馈信号，所述反馈组件包括连接到增益组件的输入端的输出电压的至少一部分，所述反馈信号用于降低所述增益组件的增益，所述增益组件可用于调节跨源电阻器的源电压。
[0052]
示例13是示例12的方法，其中从反馈组件产生反馈信号包括从具有第一电阻器和
第二电阻器的电阻器网络产生反馈信号，所述第一电阻器和所述第二电阻器的值彼此成比例。
[0053]
示例14是示例13的方法，其中所述第二电阻器的值等于常数减一乘以第一电阻器的值。
[0054]
示例15是示例14的方法，进一步包括将电感器与源电阻器串联连接，并且基于在其处电感器的频率响应等于源电阻器的电阻的点来选择常数。
[0055]
示例16是示例13-15中的任何一个的方法，其中产生反馈信号进一步包括从包括运算放大器的附加增益组件产生反馈信号。
[0056]
示例17是示例12-16中的任何一个的电流源，其中产生反馈信号包括从反馈组件产生反馈信号，包括从高端子和低端子之间的运算放大器产生反馈信号。
[0057]
实例18是示例12-17中的任何一个的电流源，进一步包括将电感器与源电阻器串联连接。
[0058]
尽管为了说明的目的已经图示和描述了特定的实施例，但是应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，除了所附权利要求之外，本发明不应受到限制。