针对双级源测量单元的高电流扩展的制作方法

针对双级源测量单元的高电流扩展
1.相关申请的交叉引用本公开要求于2022年3月14日提交的、名称为“high current extension for adual-stage source measure unit”的美国临时申请no.63/319,742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
2.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：

3.源测量单元是下述仪器：其同时在相同管脚或连接器上提供用于源发(sourcing)电压和/或电流到测试中设备(dut)的源发功能以及用于测量所得电压和/或电流的测量功能。一般地，存在两种类型的smu拓扑。图1示出了第一种类型：单输出级设计。输出级递送跨负载和感测电阻器r
sense
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。
4.图2示出了具有双输出级设计的第二种类型，在该双输出级设计中，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。粗体的路径示出电流路径。双级设计具有若干优势，如美国专利no.7,906,977中所讨论，该美国专利的内容以其全文通过引用并入本文。如图2中所示，开关swv和swi在其电流配置中导致跨负载电阻器的电压。当开关翻转到它们的其他位置时，较低级递送在感测电阻器左侧的节点处可测量的跨感测电阻器的电压。
5.双级设计确实具有一个缺陷。假定线性级，那么全部两个级都要求电压开销。随着被递送到负载的电流增大，在额外输出级中耗散的功率的量可能变得显著且对设计的功率供给和热量管理来说有挑战性。本公开的实施例解决了该功率耗散问题以及现有技术的其他缺点。
6.本公开的实施例总体上提供了双级和单级smu两者的混合物。
附图说明
7.图1示出了单输出级源测量单元。
8.图2示出了双输出级源测量单元。
9.图3a、3b、3c和3d示出了电压偏移的不同实施例。
10.图4示出了可在操作双输出级smu或单输出级smu之间切换的源测量单元。
11.图5示出了可在高电流分流的情况下在操作双输出级smu或单输出级smu之间切换的源测量单元。
具体实施方式
12.如本文所使用，电压源(诸如，图1和2中所示的那些)表示电路中的电压偏移。这些
充当用于设置可变电压源中的电压以在一个方向上强制电流的装置。可调整电压源将这些偏移置于包括差分放大器的反馈回路中。开关选择哪个反馈回路，电压级或电流级，该回路强制负载或感测电阻器上的电压。
13.图3a-3d示出了反馈回路的修改作为示例。在图3a中，电流级反馈回路被修改成通过利用电压源(诸如，数模转换器(dac))驱动r1来产生其偏移。dac的使用具有优势，因为它具有控制器可设置的可编程电压电平。当开关将该反馈回路连接到总体电路回路中时，电路回路将电压驱动到r2和r
sense
上以抵消偏移。
14.在图3b中，电流反馈偏移产生于电流的注入。当电流级反馈回路连接到总体电路回路时，回路将电压驱动到感测电阻器上以抵消偏移。在图3c中，偏移是在误差放大器上产生的。当开关针对总体电路回路从电压反馈转换到电流反馈时，偏移值需要改变。在图3d中，电压源(诸如，dac)驱动差分放大器的参考节点以在反馈回路中产生偏移。
15.那么，在理解电压状态和电流级具有这些偏移的情况下，讨论转至具有高电流调整的双级smu的总体电路回路。图4示出了可在针对第一电流级作为双级smu进行操作或针对第二电流级作为单级smu进行操作之间切换的smu。电压输出级包括运算放大器10和偏移电压12。为了在不同部件之间进行区分，该讨论会将这些部件称作电压级部件。电流输出级包括运算放大器24和偏移电压18。该讨论可以将偏移电压18称作第一电流范围电压偏移。第二电压20既不是电流输出级的部分，也不是电压输出级，但它在电流级放大器24上操作。第一差分放大器14使其输入跨负载r
load
而连接。负载这里典型地由测试中设备(dut)构成，测试中设备(dut)的电阻是未知的。放大器22在r
sense2
被使用时操作，下面更详细地讨论。
16.出于该讨论的目的，第二电流范围将被假定为比第一电流范围高。第一和第二电流范围还可以均包括多个范围，其中范围取决于电阻器的大小。尽管一般地该情形触发从双级到单级的改变，但可以将电路配置成以相反方式行动。类似地，为了易于讨论和理解，讨论会在电路在第二电流范围上操作时将电压输出级用作操作级。这些特定条件的使用是为了易于理解和简化讨论而计划的，而不意在将电路的操作或配置限于这些特定部件。这种限制不是所计划的，也不应当被暗示。
17.在正常操作中，例如当电流处于较低范围内时，电路作为双级smu进行操作。在开关sw1和sw2如所示的那样的情况下，电路作为双级源测量单元进行操作，并且在高电流范围内操作的部件是主导的。电路如在图2的电路中那样操作。当级开关swv和swi如图4中所示时，smu强制跨第一和第二源端子30和32的电压(v)，第一和第二源端子30和32跨负载而连接。端子40和42是感测端子。放大器10放置跨负载的v-s，而放大器24将s驱动为0(虚拟接地)。一起工作的放大器10和20强制跨负载的v。点“s”还可以被称作公共点。
18.如果要将开关swv和swi切换到它们的其他位置，则smu强制经过负载的电流。电压级放大器操作以将感测电阻器r
sense1
的右侧放置到0(虚拟接地)，并且电阻器的左侧具有转译成作为i＝v
i1
/r
sense1
的电流的电压。
19.在高电流范围开关sw1和sw2处于它们的所示的位置中的情况下，电路作为双级源测量单元进行操作。当电路开始在高电流范围(其称号将在稍后简要讨论)处操作时，开关sw1和sw2翻转到它们的相反状态。电流路径现在在开关sw2处去往地，并且sw1经由差分放大器22将表示跨r
sense2
的电压的信号引导到swv。电路如在图1的电路中那样操作。smu强制跨负载的电压，而swv处于所示的状态中。将swv切换到其相反状态导致smu强制经过负载的电
流。针对差分级14的参考或公共点s需要为0，以供smu正确地强制电压。如果sw1保持如所示的那样，则放大器24会按照需要将s驱动到0。然而，存在用于将14上的参考输入强制为0的许多其他手段。负载电流现在仅流经放大器10，从而从路径移除放大器24。该smu如图1中所示的那样作为单级smu而工作。到sw1的改变将在从公共点输出电流时的反馈改变为来自跨第二感测电阻器的电压。
20.电流的操作范围的确定可以以若干方式发生。在一个实施例中，用户确定电流范围将高于电路的“正常”电流范围，且将预设电流范围开关sw1和sw2以使电路作为单级smu进行操作。用户可以通过smu上的设置来设置开关。可替换地，控制器可以监视电流，并且当检测到更高电流范围时，控制器改变开关。在又一可替换方案中，模拟电路可以接收电流，并且随着电流变得更高，模拟电路最终使开关改变。该类型的自动测距电路的示例可见于美国专利no.7,923,985中。这提供了自动测距电流电路的仅一个示例，许多其他类型也是可能的。
21.在图4中，电流级放大器24实质上充当安培计，允许在源发0电压s时测量电流。图5图示了本公开的可替换实施例，其中在图4的实施例中存在的安培计被主动分流替代。主动分流源发与跨r
sense1
的电压除以放大器26的增益k相等的电压。开关sw2如所示的那样采取mosfet晶体管的形式，或者可以包括二极管或其他可切换部件。主动分流呈现负荷电压，允许mosfet将电流传导到地。mosfet充当可控制的电阻，从而接通到将电流传导到地所需的电平。主动分流可以是如美国专利no.9,274,145和美国专利no.9,453,880中描述的主动分流，这些美国专利中的每一个的内容特此通过引用并入到本公开中。来自图4的运算放大器24将是如图5中所示的降低增益放大器26。
22.图4和5的源测量单元被配置成以可切换的方式使负载电流流经全部两个输出级或单个输出级。可切换的方式可以由下述一对开关提供：该对开关可以操作到第一开关以将第二感测电阻器连接到作为单个输出级进行操作的不论哪个输出级中的放大器，且操作到第二开关以将来自第二感测电阻器的一侧的电流路径切换到地。连接的可切换性质允许电路基于它在其中操作的电流范围来重新配置它自身。
23.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。
24.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。
25.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。
26.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。
27.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。
28.而且，当在本技术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。
29.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。
30.示例1是一种源测量单元，包括：电压输出级，被结构化成提供跨用于连接到负载的第一和第二输出端子的电压；以及电流输出级，被结构化成将电压提供给第一感测电阻器，所述源测量单元可切换地被配置成针对输出电流的第一范围而采用所述电压输出级和所述电流输出级两者，以调节公共点和输出电压或输出电流，或者采用所述电压输出级或所述电流输出级中的仅一个，以针对输出电流的与所述第一范围不同的第二范围而将电压提供给所述第一和第二输出端子以及第二感测电阻器两者，并调节输出电压或输出电流。
31.示例2是示例1的源测量单元，其中所述电压输出级连接到所述第一输出端子，并且所述第二输出端子连接到第二感测电阻器的第一端，所述第二感测电阻器的第二端可切换地连接到地或所述第一感测电阻器的一端中的一个，并且所述电流输出级连接到所述第一感测电阻器的另一端。
32.示例3是示例1或2的源测量单元，其中所述电压输出级连接到所述第一输出端子，并且所述第二输出端子连接到所述第二感测电阻器的一端，所述第二感测电阻器的第二端连接到所述第一感测电阻器的一端，且通过可控制电阻而连接到地，并且所述第一感测电阻器的另一端连接到所述电流输出级。
33.示例4是示例1至3中任一项的源测量单元，其中所述公共点的反馈被切换以感测跨所述第二感测电阻器的电压。
34.示例5是示例1至4中任一项的源测量单元，其中第一电流范围由多个范围组成。
35.示例6是示例1至5中任一项的源测量单元，其中第二电流范围由多个范围组成。
36.示例7是示例1至6中任一项的源测量单元，进一步包括下述开关：所述开关在第一位置中将所述源测量单元配置成采用所述电压输出级和所述电流输出级，且在第二位置中将所述源测量单元配置成采用所述电压输出级和所述电流输出级中的仅一个。
37.示例8是示例1至6中任一项的源测量单元，其中所述开关包括：第一开关，其可切换地将来自所述第二感测电阻器的信号连接到所述电压输出级中的运算放大器；以及第二开关，其将来自所述第二感测电阻器的电流路径切换到地。
38.示例9是示例8的源测量单元，其中所述第二开关包括具有可控制电阻的开关。
39.示例10是示例1至9中任一项的源测量单元，其中所述电压输出级和所述电流输出级中的一个使其增益降低。
40.示例11是示例1至10中任一项的源测量单元，其中所述开关是在所述源测量单元的操作之前或响应于自动测距电路而配置的。
41.示例12是示例1至11中任一项的源测量单元，其中所述源测量单元被配置成针对第二电流范围仅采用所述电压输出级。
42.示例13是示例1至12中任一项的源测量单元，其中第二电流范围高于第一电流范围。
43.示例14是一种源测量单元，包括：电压输出级，具有电压级运算放大器、连接到所述电压级运算放大器的电压级电压偏移、以及允许负载连接到所述电压级运算放大器的输出的输出端子；第一差分放大器，具有感测端子作为输入，以感测输入端子，以允许跨所述负载的连接；电流输出级，具有电流级放大器、可切换地连接到所述电流级放大器的第一电流级电压偏移、以及连接到电流级运算放大器的输出的第一感测电阻器；以及第二差分放大器，具有跨第二感测电阻器而连接的输入；第二电流级电压偏移，连接到所述第二差分放大器的输出，所述第二差分放大器可切换地连接到所述电压级运算放大器，所述源测量单元被配置成针对输出电流的第一范围而采用所述电压输出级和所述电流输出级两者，或者针对第二电流范围仅采用所述电压输出级。
44.示例15是示例14的源测量单元，其中所述第二差分放大器的一个输入可切换以连接到地，并且所述第二电流级电压偏移可切换以连接到所述电压级运算放大器。
45.示例16是示例14或15的源测量单元，其中所述第二电流范围高于第一电流范围。
46.示例17是示例14至16中任一项的源测量单元，其中所述电流级放大器包括有限增益放大器，并且所述第二感测电阻器通过可控制电阻而连接到地。
47.示例18是一种操作源测量单元的方法，所述源测量单元具有耦合到负载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：确定所选择的输出电流电平是处于第一范围内还是处于第二范围内；当所选择的输出电流电平处于所述第一范围内时，将所述源测量单元自动配置成使用所述电压输出级和所述电流输出级两者；以及当所选择的输出电流电平处于所述第二范围内时，将所述源测量单元自动配置成使用所述电压输出级和所述电流输出级中的仅一个。
48.示例19是示例18的方法，其中所述第二范围高于所述第一范围。
49.示例20是示例18或19的方法，其中自动配置所述源测量单元包括下述各项中的一个：基于预定第一和第二范围，或者使用自动测距电路，来自动配置所述源测量单元。
50.包括权利要求书、摘要和附图的说明书中公开的所有特征以及所公开的任何方法
或过程中的所有步骤可以以除其中这种特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合外的任何组合而组合。包括权利要求书、摘要和附图的说明书中公开的每个特征可以被服务于相同、等同或类似目的的可替换特征替代，除非以其他方式明确声明。
51.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。

技术特征：
1.一种源测量单元，包括：电压输出级，被结构化成提供跨用于连接到负载的第一和第二输出端子的电压；以及电流输出级，被结构化成将电压提供给第一感测电阻器，所述源测量单元可切换地被配置成针对输出电流的第一范围而采用所述电压输出级和所述电流输出级两者，以调节公共点和输出电压或输出电流，或者采用所述电压输出级或所述电流输出级中的仅一个，以针对输出电流的与所述第一范围不同的第二范围而将电压提供给所述第一和第二输出端子以及第二感测电阻器两者，并调节输出电压或输出电流。2.如权利要求1所述的源测量单元，其中所述电压输出级连接到所述第一输出端子，并且所述第二输出端子连接到第二感测电阻器的第一端，所述第二感测电阻器的第二端可切换地连接到地或所述第一感测电阻器的一端中的一个，并且所述电流输出级连接到所述第一感测电阻器的另一端。3.如权利要求1所述的源测量单元，其中所述电压输出级连接到所述第一输出端子，并且所述第二输出端子连接到所述第二感测电阻器的一端，所述第二感测电阻器的第二端连接到所述第一感测电阻器的一端，且通过可控制电阻而连接到地，并且所述第一感测电阻器的另一端连接到所述电流输出级。4.如权利要求1所述的源测量单元，其中所述公共点的反馈被切换以感测跨所述第二感测电阻器的电压。5.如权利要求1所述的源测量单元，其中第一电流范围由多个范围组成。6.如权利要求1所述的源测量单元，其中第二电流范围由多个范围组成。7.如权利要求1所述的源测量单元，进一步包括下述开关：所述开关在第一位置中将所述源测量单元配置成采用所述电压输出级和所述电流输出级，且在第二位置中将所述源测量单元配置成采用所述电压输出级和所述电流输出级中的仅一个。8.如权利要求7所述的源测量单元，其中所述开关包括：第一开关，其可切换地将来自所述第二感测电阻器的信号连接到所述电压输出级中的运算放大器；以及第二开关，其将来自所述第二感测电阻器的电流路径切换到地。9.如权利要求8所述的源测量单元，其中所述第二开关包括具有可控制电阻的开关。10.如权利要求1所述的源测量单元，其中所述电压输出级和所述电流输出级中的一个使其增益降低。11.如权利要求1所述的源测量单元，其中所述开关是在所述源测量单元的操作之前或响应于自动测距电路而配置的。12.如权利要求1所述的源测量单元，其中所述源测量单元被配置成针对第二电流范围仅采用所述电压输出级。13.如权利要求1所述的源测量单元，其中第二电流范围高于第一电流范围。14.一种源测量单元，包括：电压输出级，具有电压级运算放大器、连接到所述电压级运算放大器的电压级电压偏移、以及允许负载连接到所述电压级运算放大器的输出的输出端子；第一差分放大器，具有感测端子作为输入，以感测输入端子，以允许跨所述负载的连接；
电流输出级，具有电流级放大器、可切换地连接到所述电流级放大器的第一电流级电压偏移、以及连接到电流级运算放大器的输出的第一感测电阻器；第二差分放大器，具有跨第二感测电阻器而连接的输入；第二电流级电压偏移，连接到所述第二差分放大器的输出，所述第二差分放大器可切换地连接到所述电压级运算放大器，所述源测量单元被配置成针对输出电流的第一范围而采用所述电压输出级和所述电流输出级两者，或者针对第二电流范围仅采用所述电压输出级。15.如权利要求14所述的源测量单元，其中所述第二差分放大器的一个输入可切换以连接到地，并且所述第二电流级电压偏移可切换以连接到所述电压级运算放大器。16.如权利要求14所述的源测量单元，其中所述第二电流范围高于第一电流范围。17.如权利要求14所述的源测量单元，其中所述电流级放大器包括有限增益放大器，并且所述第二感测电阻器通过可控制电阻而连接到地。18.一种操作源测量单元的方法，所述源测量单元具有耦合到负载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：确定所选择的输出电流电平是处于第一范围内还是处于第二范围内；当所选择的输出电流电平处于所述第一范围内时，将所述源测量单元自动配置成使用所述电压输出级和所述电流输出级两者；以及当所选择的输出电流电平处于所述第二范围内时，将所述源测量单元自动配置成使用所述电压输出级和所述电流输出级中的仅一个。19.如权利要求18所述的方法，其中所述第二范围高于所述第一范围。20.如权利要求18所述的方法，其中自动配置所述源测量单元包括下述各项中的一个：基于预定第一和第二范围，或者使用自动测距电路，来自动配置所述源测量单元。

技术总结
一种源测量单元具有：电压输出级，用于提供跨用于连接到负载的第一和第二输出端子的电压；以及电流输出级，用于将电压提供给第一感测电阻器，所述源测量单元可切换地针对输出电流的第一范围而采用所述电压输出级和所述电流输出级两者，以调节公共点和输出电压或输出电流，或者采用所述电压输出级或所述电流输出级中的仅一个，以针对输出电流的第二范围将电压提供给所述第一和第二输出端子以及第二感测电阻器两者，并调节输出电压或输出电流。并调节输出电压或输出电流。并调节输出电压或输出电流。


技术研发人员：W
受保护的技术使用者：基思利仪器有限责任公司
技术研发日：2023.03.14
技术公布日：2023/9/14