具有最小共模误差的电压源测量单元制造技术

电压源测量（ＶＳＭ）线路的具体结构使测量通过被测器件（ＤＵＴ）的电流时的共模误差最小，即使跨大范围的输出电压。电流ＩＤＵＴ不受共模误差影响，因为电流测量基于运算放大器或者差分放大器的输出电压，并且该电路结构使得在该运算放大器或者差分放大器具有非常低的共模输入电压时进行该电流测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电压检测测量(VSM)线路领域。
技术介绍
精确地测量导电电流(“电流”)是参数试验器(parametric tester)的重要用途， 尤其是被用于半导体器件特性的那些。当高质量电压源测量单元(VSMU)被考虑用于与被 测器件(DUT) —起使用时，通常所使用的电流测量方法是检测所产生的跨与该DUT的“高” 端串联的精密电阻器(Rnet)的电压降。这种方法的例子在美国专利7，098，648中被公开。 虽然该方法简单并且在拓扑上方便，但是其具有潜在的缺点，因为跨Rnet的共模电压随输 出(DUT)电压改变，导致可变的偏移误差。偏移误差可能是显著的。举例来说，高质量差分放大器可以具有1/20，000的共模 增益，这意味着在IOV的输出电压(Vout)处，偏移电压相对于在Vout = OV处的偏移增加了 10//20，00(^或者50(^￥。如果所测量的跨Rnet的电压降仅为IOmV (例如低电流范围)，所 产生的相对误差为5% -对于这样的系统这可能高得不可接受。此外，举例来说，如果Vout 为100V，类似的电流将被测量有50%的误差。本专利技术为双接线端器件解决这个问题，主要是在DUT紧密接近于电势线(force line)被放置的情况下。此外，该技术方案与常规的VSM线路相比具有额外的好处。
技术实现思路
电压源测量(VSM)线路的具体结构使测量通过被测器件(DUT)的电流时的共模误 差最小，即使跨大范围的输出电压。电流IDUT不受共模误差影响，因为该电流测量基于运 算放大器或者差分放大器的输出电压，并且该电路结构使得在运算放大器或者差分放大器 具有非常低的共模输入电压时进行电流测量。附图说明图1示意性地示出在其中共模误差被最小化的电压源测量(VSM)线路的具体结 构。图2示意性地示出图1结构的可替换结构。 具体实施例方式专利技术人已经认识到电压源测量(VSM)线路的具体结构可以使共模误差最小，即使 跨大范围的输出电压。这种结构的例子在图1中示意性地被示出，在运行中其使共模误差 最小。因而，这对于在VSM线路是有吸引力的结构，其中大范围的运行电压被利用。转到图1，在运行中，DUT 102的“高”接线端104由运算放大器0pA2106的输出驱 动，并且来自DUT 102的“低”接线端108的电流在运行的压力模式(stress mode)期间直 接被降低到(sunk)公共(“地”)110，其中开关SW 112被闭合，并且在运行的测量模式期间经精密电阻器Rm 114被降低到公共(“地”)110。电阻器Rl 116和R2118设置0A2106的增益，而精密电阻器R3 120和R41 22构成电压测量网络。运算放大器0pA3 126的非反相输入124耦合到DUT 102的“低”接线端108，并且 运算放大器0pA3 126的输出128耦合到运算放大器0pA3 126的反相输入130，以及耦合到 运算放大器0pA2 106的非反相输入132以及耦合到差分放大器DifTAl 136的非反相输入 134。Vin为精确设置电压，其被提供给差分放大器DiffAl 136的反相输入138。Vmi 为被提供给差分放大器DiffAl 136的非反相输入134的电压电平，其正比于DUT 102的 电流。这些电压电平幅度之间的关系可以通过下面的推导来表示，其中Vol为差分放大器 DiffAl 136的输出140处的电压电平并且AV为DUT 102的低接线端108处的电压电平(I)V01 = AV-Voff3-Voffl-Vin从运算放大器各自的反相输入到各自的非反相输入测量偏移电压Voffl、Voff2 和 Voff3。 不受共模误差的影响，因为在0pA3 126具有非常低的共模输入电压(ΔΥ根据设计被保持 为低)时测量Vmi。与VofTl和VofT2相似，通过对运算放大器的审慎选择VofT3可以非常 低(例如< l.OmV)。此外，可以通过从SW 112断开时(Idut流经Rm 114)所得到的Vmi值 中减去SW 112闭合时(Idut流经SW 112)的Vmi值而将偏移误差减小到几乎为0。在可替换的例子中，图1电路的部分150被改动。在被改动的部分中，运算放大器 0pA3 126不存在，但是相反地，高质量差分放大器(诸如像差分放大器DifTAl 136)被提供 使得，在运行中，可以获得单个的Vmi测量，而不是如上所述的两个连续的测量(在开关SW 112断开和闭合的情况下)和随后的减法。作为通过获得一个测量而不是两个测量的运行 的结果，热噪声误差可以被减小50%。根据可替换的例子，图2示意性地示出如所改动的、图1电路的部分150，包括代 替图1电路的运算放大器0pA3 126的差分放大器DiffA3 202。注意到的是，即使使用图2 的可替换例子的结构(包括差分放大器DifTA3 202)，可能有一些偏移并且因此，可能所希 望的是在0电压处(即在开关SW 112闭合的情况下)对差分放大器DiffA3 202进行电压⑵ C = Ki +(m+R2)将(1)代入(2)并且重新布置各项(4)VDUT^Vin{^)±\Verr\(5)！W/ 1DUT - η 一 DRm Rm其中，(6)K,|<2|F0#max|(l + ^)在图1中示意性地被示出的VSM线路的优势可以从公式(5)中看到即电流Idut7输出测量以在使用上述公式(5)计算Idut时测量Vmi值中的偏移并且对其进行补偿。此外，多增益能力可以相当容易地被实现。多增益能力可能是有用的，因为许多高 精度数字到模拟转换器(DAC)的电压输出可能被限制为|2. 0V| (即IVinI彡2. 0V)。举例 来说，为了实现IVmaxI = 10V，增益5将被使用，而100V的能力将使用增益50。为了对所 有范围都将电压分辨率(voltage resolution)保持为高，多增益能力是有用的。为了得到这种能力，VSM线路可以利用不同的比R2/R1，其中在测量有关电流时没 有共模误差。举例来说，保持Rl = R2产生单位增益并且DUT电压Vdut = Vin (即被限制为 Vin (max)或者大约+/-2. 0V)。作为另一个例子，当R2 = 50R1时,Vdut = 50Vin。注意偏移 误差也随增益被增加，作为最坏的情况偏移误差IVerrI从对于单位增益的4 | Voff (max) 增加至对于增益50的大约200|Voff (max) | (参考上述公式(6))。然而，虽然这些偏移误 差一般而言不应当被忽略，然而偏移误差主要受温度影响的事实使得几乎消除它们相对容 易，对于Vdut通过在Vin = O处的初始测量，以及对于Idut通过在SW导通(短路到地)时的 初始测量。VSM线路的另一个优势是少量元件被连接到潜在地为高电压的节点(Rl 116、R2 118、0pA2 106)。具体地，三个有源元件中的两个，DiffAl 136和0pA3 126，在低电压下运 行。这可能是意义重大的，因为高电源电压和高性能(即低偏移电压和低噪声)在有源集 成电路中一般而言不是容易地同时可得到的。同样地，在0pa2 106的输出(DUT 102的“高”节点104)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电压源测量单元（ＶＳＭＵ）线路，其被配置为测量跨被测器件（ＤＵＴ２０２）的电流，所述ＤＵＴ具有第一接线端（高接线端１０４）和第二接线端（低接线端１０８），所述ＶＳＭＵ线路包括：精密电阻器Ｒｍ１１４；以及第一运算放大器（ＯｐＡ２１０６），其被配置为具有用于驱动所述ＤＵＴ１０２的高接线端１０４的输出（１０７）；其中所述ＶＳＭＵ线路可配置地使得电流经所述精密电阻器（Ｒｍ１１４）从所述ＤＵＴ１０２的低接线端１０８被降低到公共汇点（ｃｏｍｍｏｎｓｉｎｋ）；所述ＶＳＭＵ线路还包括：第二运算放大器（ＯｐＡ３１２６），其具有被配置为连接到所述ＤＵＴ（１０２）的低接线端（１０８）的非反相输入（１２４），具有被配置为连接到所述第二运算放大器（ＯｐＡ３１２６）的输出（１２８）并且连接到所述第一运算放大器（ＯｐＡ２１０６）的非反相输入（１３２）的反相输入（１３０）；以及差分放大器（ＤｉｆｆＡ１１３６），其具有连接到所述第二运算放大器（ＯｐＡ３１２６）的输出１２８的非反相输入（１３４）、被连接用于接收精确设置电压（Ｖｉｎ）的反相输入（１３８）以及耦合到所述第一运算放大器（ＯｐＡ２１０６）的反相输入（１３１）的输出。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-11-20 11/942,964一种电压源测量单元(VSMU)线路，其被配置为测量跨被测器件(DUT 202)的电流，所述DUT具有第一接线端(高接线端104)和第二接线端(低接线端108)，所述VSMU线路包括精密电阻器Rm 114；以及第一运算放大器(OpA2 106)，其被配置为具有用于驱动所述DUT102的高接线端104的输出(107)；其中所述VSMU线路可配置地使得电流经所述精密电阻器(Rm114)从所述DUT 102的低接线端108被降低到公共汇点(commonsink)；所述VSMU线路还包括第二运算放大器(OpA3 126)，其具有被配置为连接到所述DUT(102)的低接线端(108)的非反相输入(124)，具有被配置为连接到所述第二运算放大器(OpA3 126)的输出(128)并且连接到所述第一运算放大器(OpA2 106)的非反相输入(132)的反相输入(130)；以及差分放大器(DiffA1 136)，其具有连接到所述第二运算放大器(OpA3 126)的输出128的非反相输入(134)、被连接用于接收精确设置电压(Vin)的反相输入(138)以及耦合到所述第一运算放大器(OpA2 106)的反相输入(131)的输出。2.如权利要求1所述的VSMU线路，其中所述VSMU线路被配置为可选择地将所述第二运算放大器(0pA3126)的非惰性接线端 (124)切换为直接连接到所述公共汇点并且不经所述精密电阻器(Rm 114)。3.如权利要求1或者2所述的VSMU线路，其还包括连接在所述第一运算放大器的输出和所述公共汇点之间的衰减线路。4.一种测量通过被测器件(DUT 102)的电流的方法，其包括将所述DUT连接到电压检测测量单元(VSMU)线路，所述DUT具有第一接线端(高接线 端104)和第二接线端(低接线端108)，所述VSMU线路包括 精密电阻器Rm 114 ；第一运算放大器(0pA2 106)，其被配置为具有用于驱动所述DUT102的高接线端104的 输出(107)；其中所述VSMU线路还可配置地使得电流经所述精密电阻器(Rmll4)从所述DUT 102 的低接线端108被降低到公共汇点； 所述VSMU线路还包括第二运算放大器(0pA3 126)，其具有连接到所述DUT (102)的低接线端(108)的非反相 输入(124)，具有被配置为连接到所述第二运算放大器(0pA3 126)的输出(128)并且连接 到所述第一运算放大器(0pA2 106)的非反相输入(132)的反相输入(130)；差分放大器(DiffAl 136)，其具有连接到所述第二运算放大器(0pA3 126)的输出128 的非反相输入(134)、被连接以接收精确设置电压(Vin)的反相输入(138)以及耦合到所述 第一运算放大器(0pA2 106)的反相输入(131)的输出； 所述方法还包括在所述第二运算放大器(0pA3 126)的输出(128)处进行第一电压测量；并且 处理所述第一电压测量以确定跨所述DUT的电流。5.如权利要求4所述的方法，其中所述第一电压测量为Vmi，所述精密电阻器(Rm 114)的值为Rm，并且所述第二运算放 大器(0pA3 126)的非反相接线端(124)和所述第二运算放大器(0pA3 126)的反相接线端 (130)之间的偏移电压为Voff3 ；并且按照以下公式处理所述第一电压测量以确定跨所述DUT的电流Idut τ 一 Kni + K>ff31DUT 一 Z0Rm6.如权利要求4或者5所述的方法，其还包括在所述第二运算放大器(0ρΑ3 126)的输出(128)处进行第二电压测量，其中所述第二 运算放大器(0ρΑ3 126)的非反相接线端124被选择为直接连接到所述公共汇点并且不经 过所述精密电阻器(Rm 114)，其中处理所述第一测量以确定跨所述DUT的电流的步骤也包括处理所述第二测量以 确定跨所述DUT的电流。7.如权利要求6所述的方法，其中处理所述第一电压测量以及所述第二电压测量以确定通过所述DUT的电流包括从所 述第一电压测量中减去所述第二电压测量以确定电压Vmi ；所述精密电阻器(Rm 114)的值为Rm，并且所述第二运算放大器(0pA3 126)的非反相 接线端(124)和所述第二运算放大器(0pA3 126)的反相接线端(130)之间的偏移电压为 Voff3 ；并且按照以下公式处理所述第一电压测...

【专利技术属性】
技术研发人员：J乌尔曼，
申请(专利权)人：夸利陶公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]