CN116774001A - 数字回路双级源测量单元 - Google Patents

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Abstract

一种双级源测量单元(SMU)具有：用户界面，允许用户输入一个或多个目标值；至少两个端子，耦合到测试中设备(DUT)；电流回路，具有电流数字控制回路(DCL)、电流数模转换器(DAC)、感测电阻器、电流模数转换器(ADC)和公共ADC，所述电流DCL接收来自所述电流ADC的输入、来自所述公共ADC的输入、以及针对所述输出电流的目标值，并控制第一输出级以产生所述输出电流；以及电压回路，具有电压DCL、电压DAC、电压ADC和所述公共ADC，所述电压DCL接收来自所述电压ADC的输入、来自所述公共ADC的输入、以及针对所述输出电压的目标值，并控制第二输出级以产生所述输出电压。

Description

数字回路双级源测量单元
相关申请的交叉引用
本公开要求于2022年3月17日提交的、名称为“DIGITAL LOOP DUAL-STAGE SOURCEMEASUREMENT UNIT”的美国临时申请No.63/321,068的权益，该美国临时申请的公开内容以其全文通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及测试和测量仪器，且更具体地涉及源测量单元(SMU)。
背景技术
源测量单元(SMU)仪器精确地源发(source)电压或电流到测试中设备(DUT)，且同时测量电压和/或电流。一般地，存在两种类型的SMU：单级SMU和双级SMU。在单输出级设计中，输出级递送跨负载和感测电阻器Rsense的电压。许多情况下的负载包括测试中设备(DUT)，并且负载的包括电阻的尺寸是未知的。感测电阻器允许SMU被用于测量或强制电流。
一些单级SMU与数字控制回路一起操作，如图1中所示。数字控制回路一般涉及某种类型的可编程控制电路，并将电压或电流设定到目标设定点。模数转换器(ADC)测量输出电压和电流，并且数字控制回路驱动数模转换器(DAC)，直到输出电压和/或电流达到相应期望电平。数字控制回路接收期望目标值并调整由DAC提供的电压。
双级SMU(诸如，图2中所示的双级SMU)允许在源发或测量跨负载(通常是DUT)的电压或跨感测电阻器的电流之间的选择。一个级递送跨感测电阻器的电压，其是通过V/R而作为电流I测量的。第二输出级递送跨负载的电压。开关一般使设备能够选择哪个级是活动的。在图2中，开关设定将产生跨负载的电压。美国专利No.7,903,008示出了该类型的SMU的示例，该美国专利的内容以其全文通过引用并入本文。
当前可用的所有已知SMU具有单个数字控制回路。它们都不使用两个数字控制回路以控制跨DUT的电压或经过DUT的电流。
附图说明
图1示出了单级数字回路SMU的示例。
图2示出了双输出级SMU的示例。
图3示出了具有两个数字控制回路的双输出SMU的实施例。
图4示出了具有两个数字控制回路的差分感测的双输出SMU的另一实施例。
具体实施方式
这里的实施例涉及使用两个数字控制回路的双级SMU。电压感测和电流感测不像在其他SMU设计中那样影响彼此。这产生于控制测试中设备(DUT)与电流感测之间的要被调节为与测量***接地相等的电压。这移除了共模测量误差。
图3示出了具有两个数字控制回路的双级SMU的实施例。术语“数字控制回路”和“DCL”意指下述设备或电路：其可以从ADC接收数字，将它与目标数进行比较，并输出用于驱动数模转换器(DAC)的数字以驱动电压输出，从而重复该过程以驱动来自ADC的数字以与目标数一致。该讨论会将该设备称作处理器或控制器，意指通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或者可执行那些功能的任何其他类型的控制器。
双级SMU在其架构中具有两个电路回路。电流回路包括电流DCL、电流数模转换器(DAC)、以及由电流DCL控制的第一输出级12。电流感测级14将反馈提供给与输出电流成比例的RS上的电压的电流ADC。电流DCL接收三个输入：通过CP感测级来自CP-ADC的公共点处的电压；来自电流ADC的输出电流；以及来自用户界面的目标电流。电流DCL控制电流DAC，以在SMU源发电流时驱动第一输出级12以源发与目标电流匹配的电流，并在SMU源发电压时驱动第一输出级以将公共点调节到0电压。
类似地，电压回路包括电压DCL、电压DAC、以及由电压DCL控制的第二输出级22。电压感测级16然后将输出电压提供给电压ADC。电压DCL接收三个输入：来自电压ADC的输出电压；通过CP感测放大器来自CP-ADC的公共点处的电压；以及来自用户界面的目标电压。公共点、CP感测放大器和CP ADC是在两个回路之间共享的。电压DCL控制电压DAC，以在SMU源发电压时驱动第二输出22级以源发与目标电压匹配的电压，并在SMU源发电流时驱动第二输出级以将公共点调节到0电压。
用户通过用户界面10来录入包括目标电压数或目标电流数中的一个或全部两个的目标值。目标电压数可以是电流ADC值的函数，并且目标电流数可以是电压ADC值的函数。用户界面可以包括将用户控制装置与显示器组合的触摸屏或者具有针对输入的分离旋钮和按钮的显示器。如下面更详细讨论的那样，用户可以录入电压和电流值两者，其中一个是主要目标并且另一个是在它尝试达到主要目标时对电路操作的界限。目标值可以由作为界限的上值和下值构成。
另外，电流ADC产生表示输出电流的第一值，并且电压ADC产生表示输出电压的第二值。电流DCL和电压DCL生成控制信号，以除了调节上面讨论的一个或另一个外还调节输出电流和输出电压的指定函数。除了许多其他以外，指定函数可以是输出电流、输出电压、功率或电阻。
电压DCL通过将电压DAC驱动到使电压ADC读取目标电压的值，来强制跨第一和第二端子18和20的电压。与电压DCL将电压DAC驱动到目标电压并行，电流DCL将电流DAC驱动到使CP-ADC读取0伏的值。端子18和20表示针对SMU的源端子和感测端子两者。
端子可以包括：一对端子，被配置成耦合到DUT的相应的一对节点，以将模拟输出信号传送到DUT。可替换地，端子可以包括：第一对源端子，被配置成耦合DUT的该相应的一对节点，以将模拟输出信号传送到DUT；以及第二对感测端子，耦合到电压ADC的相应输入且被配置成通过承载可忽略的电流的连接而耦合到DUT的该相应的一对节点。典型地，用户可以在SMU上选择他们是想要使用两个还是四个端子。
当输入包括目标电流而不是目标电压时，电流DCL驱动电流DAC以使电流ADC读取与从第一端子到第二端子的电流乘以感测电阻器RS相等的电压。并行地，电压DCL将电压DAC驱动到将使CP ADC读取0伏的值。
如上所讨论，用户将典型地输入目标电压数和目标电流数两者，其中一个或另一个是主要并且另一个是界限。例如，用户可能想要源发10伏，但不想要通过DUT来汲取多于10毫安。随着电压向10V上升，数字控制回路提供反馈，以监视电流。如果在达到目标电压之前达到电流界限，则电压将保持在电压在电流界限处所处的无论何值处。相反，如果主要目标是在10V的界限的情况下10mA的电流，则回路将操作以驱动跨感测电阻器的电压，直到达到10mA，除非首先达到10V。
实施例的一个方面允许较低分辨率ADC作为CP-ADC。因为公共点电压被调节为0，所以可以利用大增益设计CP感测。例如，CP感测级可以是10倍(10x)增益级。如果对CP-ADC的输入是10倍大，则就它在公共点电压处的影响而言，它将CP-ADC的步长大小减小到1/10。在下游路径中减小噪声、分辨率等的影响，因此，较低分辨率ADC可以被使用以代替CP-ADC，且仍具有相同步长大小。
这允许更快响应时间，这是因为较低分辨率ADC常常可以被设计成更快速采样。更快CP-ADC可以减少可能产生于在DUT的电阻与感测电阻器之间存在大区别的问题。例如，如果DUT的电阻是感测电阻器的电阻的10倍高，则在源发被带到减小带宽的公共点反馈回路中的电流时，将存在10:1衰减。如果信号处于100kHz，则所得速度将是10kHz。在更高速CP-ADC中设计可以缓解该问题。
图3的图示出了理想电路，因为它不计及在连接到DUT时的引线电阻和来自电路部件的连接的电阻。一种管理引线电阻的方式是利用差分感测级24和26替代级14和16，如图4中所示。R1表示公共点与电流感测电阻器RS之间的引线电阻。R2表示公共点与源端子1之间的引线电阻。附加电阻通常处于来自源端子1和DUT的引线中。差分感测克服了这些问题。经由26处的感测端子28和30对DUT进行差分感测解决了电压感测问题。在24处跨RS的差分感测解决了电流感测问题。如果公共点被移动到RS的较低端，那么可以不需要RS的差分感测。同样地，如果公共点被移动到感测端子1 28，则可以不需要DUT的差分感测。
可以存在各种修改。例如，图3的电压感测级16和图4的26可以具有可变增益，其中增益可以小于或大于1，其可切换以允许更宽范围的输出电压的感测。感测电阻器Rs可以表示多个可切换感测电阻器以允许感测更宽范围的电流。
本公开的方面可以在特别创建的硬件上、在固件、数字信号处理器上或者在包括根据所编程的指令进行操作的处理器的特殊编程的通用计算机上操作。如本文使用的术语控制器或处理器意在包括微处理器、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由一个或多个计算机(包括监视模块)或其他设备执行的计算机可使用数据和计算机可执行指令中，诸如一个或多个程序模块中。一般地，程序模块包括在由计算机或其他设备中的处理器执行时执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。计算机可执行指令可以被存储在非瞬变计算机可读介质上，该非瞬变计算机可读介质诸如是硬盘、光盘、可移除储存介质、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那样，可以如在各种方面中期望的那样组合或分发程序模块的功能性。另外，功能性可以整个或部分地以固件或硬件等同物(诸如集成电路、FPGA等等)体现。可以使用特定数据结构以更有效地实现本公开的一个或多个方面，并且这种数据结构是在本文描述的计算机可执行指令和计算机可使用数据的范围内想到的。
在一些情况下，所公开的方面可以以硬件、固件、软件或其任何组合而实现。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个非瞬变计算机可读介质携带或在一个或多个非瞬变计算机可读介质上存储的指令，该指令可以由一个或多个处理器读取和执行。这种指令可以被称作计算机程序产品。如本文所讨论，计算机可读介质意指可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储存介质和通信介质。
计算机储存介质意指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，计算机储存介质可以包括RAM、ROM、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪速存储器或其他存储器技术、致密盘只读存储器(CD-ROM)、数字视频盘(DVD)、或者其他光盘储存器、磁带盒、磁带、磁盘储存器或其他磁储存设备、以及在任何技术中实现的任何其他易失性或非易失性、可移除或不可移除介质。计算机储存介质排除了信号本身和瞬变形式的信号传输。
通信介质意指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、光纤电缆、空气、或者适于电、光、射频(RF)、红外、声或其他类型的信号的通信的任何其他介质。
另外，该所撰写的描述提到了特定特征。应当理解，本说明书中的公开内容包括那些特定特征的所有可能组合。例如，在特定方面的上下文中公开特定特征的情况下，还可以尽可能地在其他方面的上下文中使用该特征。
而且，当在本申请中提到具有两个或更多个所定义的步骤或操作的方法时，可以按任何次序或者同时实施所定义的步骤或操作，除非上下文排除了那些可能性。
所公开的主题的先前描述的版本具有被描述的或对本领域技术人员来说应当明显的许多优势。即便如此，这些优势或特征也不是在所公开的装置、***或方法的所有版本中都必需的。
示例
下面提供了所公开的技术的说明性示例。技术的实施例可以包括下面描述的示例中的一个或多个和任何组合。
示例1是一种双级源测量单元(SMU)，包括：用户界面，允许用户输入一个或多个目标值；至少两个端子，被配置成耦合到测试中设备(DUT)；电流回路，包括电流数字控制回路(DCL)、电流数模转换器(DAC)、感测电阻器、电流模数转换器(ADC)和公共ADC，所述电流DCL被配置成接收来自所述电流ADC的表示经过端子的输出电流的值的输入、来自所述公共ADC的表示公共点的电压的值的输入、以及针对所述输出电流的目标值，并通过所述电流DAC来控制第一输出级以产生所述输出电流；以及电压回路，包括电压DCL、电压DAC、电压ADC和所述公共ADC，所述电压DCL被配置成接收来自所述电压ADC的表示跨端子的输出电压的值的输入、来自所述公共ADC的表示所述公共点的电压的值的输入、以及针对所述输出电压的目标值，并通过所述电压DAC来控制第二输出级以产生所述输出电压。
示例2是示例1的双级SMU，其中当所述SMU被配置成源发电压时，所述电流DCL被配置成控制所述第一输出级以将公共点电压强制到0伏，并且所述电压DCL被配置成控制所述第二输出级以强制跨端子的目标输出电压。
示例3是示例1或2的双级SMU，其中当所述SMU被配置成源发电流时，所述电流DCL被配置成控制所述第一输出级以强制跨端子的目标输出电流，并且所述电压DCL被配置成控制所述第二输出级以将公共点电压强制到0伏。
示例4是示例1至3中任一项的双级SMU，其中对所述电压ADC的输入由表示所述至少两个端子之间的差分电压的信号来驱动。
示例5是示例1至4中任一项的双级SMU，其中第一输出级输出通过感测电阻器驱动到所述至少两个端子中的第一个。
示例6是示例1至5中任一项的双级SMU，其中对所述电流ADC的输入由表示跨所述感测电阻器的差分电压的信号来驱动。
示例7是示例6的双级SMU，其中所述第二输出级驱动所述至少两个端子中的第二个。
示例8是示例1至7中任一项的双级SMU，其中所述至少两个端子包括第一对端子和第二对端子，其中所述第一对端子是源端子，被配置成耦合到所述DUT的一对节点以将所述输出电流和输出电压传送到所述DUT，并且所述第二对端子是感测端子，耦合到所述电压ADC且被配置成通过承载可忽略的电流的连接而耦合到所述DUT的所述一对节点，并且其中所述公共点位于所述感测电阻器与第一源端子之间。
示例9是示例8的双级SMU，其中所述公共点位于所述感测电阻器处。
示例10是示例8的双级SMU，其中所述公共点被放置在第一感测端子处。
示例11是示例1至10中任一项的双级SMU，其中至少一个目标值具有上值和下值。
示例12是示例1至11中任一项的双级SMU，其中所述电压DCL将所述电压ADC的值和所述电流ADC的值的函数调节到所述一个或多个目标值。
示例13是示例3的双级SMU，其中所述电流DCL将所述电流ADC的值和所述电压ADC的值的函数调节到所述一个或多个目标值。
示例14是示例1至13中任一项的双级SMU，其中所述一个或多个目标值包括所述电流ADC和所述电压ADC的指定函数，且包括电阻或功率之一。
示例15是示例1至14中任一项的双级SMU，其中一个或全部两个输出级具有可切换的可变增益。
示例16是示例1至15中任一项的双级SMU，进一步包括：多个感测电阻器，可切换以用于感测更宽范围的电流。
示例17是示例1至16中任一项的双级SMU，其中一个或全部两个电压感测和电流感测具有可切换以用于感测更宽范围的输出电压和/或电流的可变增益。
示例18是一种操作源测量单元(SMU)的方法，具有耦合到端子的电压输出级和耦合到感测电阻器的电流输出级，所述方法包括：接收包括来自电流模数转换器(ADC)的表示输出电流的值的输入、表示公共点的电压的公共ADC和针对所述输出电流的目标值的输入，并且当所述SMU源发电流时，使用电流数模控制器(DAC)以控制第一输出级以产生所述输出电流；以及接收包括来自电压ADC的表示输出电压的值的输入、表示所述公共点的电压的公共ADC和针对所述输出电压的目标值的输入，并且当所述SMU源发电压时，使用电压DAC以控制第二输出级以产生所述输出电压。
示例19是示例18的方法，进一步包括：控制所述第一输出级以将公共点电压强制到0伏；以及当所述SMU被配置成源发电压时，强制跨所述端子的目标输出电压。
示例20是示例18的方法，进一步包括：控制所述第一输出级以强制经过所述端子的目标输出电流；以及当所述SMU被配置成源发电流时，控制所述第二输出级以将公共点电压强制到0伏。
尽管已经出于图示的目的图示和描述了本发明的具体示例，但应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种修改。相应地，本发明不应当受限制，除了受所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种双级源测量单元(SMU)，包括：
用户界面，允许用户输入一个或多个目标值；
至少两个端子，被配置成耦合到测试中设备(DUT)；
电流回路，包括电流数字控制回路(DCL)、电流数模转换器(DAC)、感测电阻器、电流模数转换器(ADC)和公共ADC，所述电流DCL被配置成接收来自所述电流ADC的表示经过端子的输出电流的值的输入、来自所述公共ADC的表示公共点的电压的值的输入、以及针对所述输出电流的目标值，并通过所述电流DAC来控制第一输出级以产生所述输出电流；以及
电压回路，包括电压DCL、电压DAC、电压ADC和所述公共ADC，所述电压DCL被配置成接收来自所述电压ADC的表示跨端子的输出电压的值的输入、来自所述公共ADC的表示所述公共点的电压的值的输入、以及针对所述输出电压的目标值，并通过所述电压DAC来控制第二输出级以产生所述输出电压。
2.如权利要求1所述的双级SMU，其中当所述SMU被配置成源发电压时，所述电流DCL被配置成控制所述第一输出级以将公共点电压强制到0伏，并且所述电压DCL被配置成控制所述第二输出级以强制跨端子的目标输出电压。
3.如权利要求1所述的双级SMU，其中当所述SMU被配置成源发电流时，所述电流DCL被配置成控制所述第一输出级以强制经过所述DUT的目标输出电流，并且所述电压DCL被配置成控制所述第二输出级以将公共点电压强制到0伏。
4.如权利要求1所述的双级SMU，其中对所述电压ADC的输入由表示所述至少两个端子之间的差分电压的信号来驱动。
5.如权利要求1所述的双级SMU，其中第一输出级输出通过所述感测电阻器驱动到所述至少两个端子中的第一个。
6.如权利要求1所述的双级SMU，其中对所述电流ADC的输入由表示跨所述感测电阻器的差分电压的信号来驱动。
7.如权利要求5所述的双级SMU，其中所述第二输出级驱动所述至少两个端子中的第二个。
8.如权利要求1所述的双级SMU，其中所述至少两个端子包括第一对端子和第二对端子，其中所述第一对端子是源端子，被配置成耦合到所述DUT的一对节点以将所述输出电流和输出电压传送到所述DUT，并且所述第二对端子是感测端子，耦合到所述电压ADC且被配置成通过承载可忽略的电流的连接而耦合到所述DUT的所述一对节点，并且其中所述公共点位于所述感测电阻器与第一源端子之间。
9.如权利要求8所述的双级SMU，其中所述公共点位于所述感测电阻器处。
10.如权利要求8所述的双级SMU，其中所述公共点位于第一感测端子处。
11.如权利要求1所述的双级SMU，其中至少一个目标值具有上值和下值。
12.如权利要求1所述的双级SMU，其中所述电压DCL将所述电压ADC的值和所述电流ADC的值的函数调节到所述一个或多个目标值。
13.如权利要求1所述的双级SMU，其中所述电流DCL将所述电流ADC的值和所述电压ADC的值的函数调节到所述一个或多个目标值。
14.如权利要求1所述的双级SMU，其中所述一个或多个目标值中的一个包括所述电流ADC和所述电压ADC的指定函数，且包括电阻或功率之一。
15.如权利要求1所述的双级SMU，其中一个或全部两个输出级具有可切换的可变增益。
16.如权利要求1所述的双级SMU，其中所述感测电阻器包括：多个感测电阻器，可切换以用于感测更宽范围的电流。
17.如权利要求1所述的双级SMU，其中一个或全部两个电压感测和电流感测具有可切换以用于感测更宽范围的输出电压或输出电流的可变增益。
18.一种操作源测量单元(SMU)的方法，具有耦合到端子的电压输出级和耦合到感测电阻器的电流输出级，所述方法包括：
接收包括来自电流模数转换器(ADC)的表示输出电流的值的输入、表示公共点的电压的公共ADC和针对所述输出电流的目标值的输入，并且当所述SMU源发电流时，使用电流数模控制器(DAC)以控制第一输出级以产生所述输出电流；以及
接收包括来自电压ADC的表示输出电压的值的输入、表示所述公共点的电压的公共ADC和针对所述输出电压的目标值的输入，并且当所述SMU源发电压时，使用电压DAC以控制第二输出级以产生所述输出电压。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：控制所述第一输出级以将公共点电压强制到0伏；以及当所述SMU被配置成源发电压时，强制跨所述端子的目标输出电压。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括：控制所述第一输出级以强制经过所述端子的目标输出电流；以及当所述SMU被配置成源发电流时，控制所述第二输出级以将公共点电压强制到0伏。
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