DE2032322A1 - Gleichstrom Prüfer fur miniaturi sierte Schaltkreise - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Buro-Matehinen Geaelh&aft mbH

Böblingen, den 29» Juni 1970 lo-ba

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N,Y, 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: Docket FI 967 130

Gleichstrom-Prüfer für miniaturisierte Schaltkreise

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Prüfeinrichtung für miniaturisierte Schaltkreise und integrierte Schaltungen, die vorzugsweise aus Halbleiter-Schaltelementen aufgebaut ist.

Der ständig wachsende Produktionsumfang von miniaturisierten Halbleiterschaltkreisen und integrierten Schaltungen erfordert eine sehr schnelle Prüfung der in jedem dieser Halbleiterprodukte enthaltenen zahlreichen Schaltelemente bzw. Schaltungsteile, möglichst unter automatischer Steuerung durch einen Ziffernrechner. Ein solcher Prüfer muß die verschiedenen Anschlußpunkte z. B. einer integrierten Schaltung nacheinander oder gleichzeitig, schnell und genau vorbestimmten Strom-, Spannungs- oder Belastungs-Bedingungen in vorbestimmter Reihenfolge und mit vorbestimmter großer Geschwindigkeit unterwerfen. Zweckmäßig besteht ein solcher Prüfer selbst ebenfalls aus im allgemeinen sehr langlebigen, konstanten und schnell arbeitenden Halbleiterbausteinen.

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Es wurden bereits Prüfeinrichtungen dieser Art vorgeschlagen« z.

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B. durch das DBP ... (Patentanmeldung P 19 Ol 815.6),die unter anderem über programmierbar automatisch gesteuerte Schalteinrichtungen vorbestimmte Teile z. B. von integrierten Schaltungen mit vorbestimmten Spannungen oder Strömen speisen und letztere gleichzeitig messen sowie auf ihre Sollwerte regeln.

Zur weiteren Beschleunigung der Prüf- und Meßvorgänge bei immer schneller arbeitenden Meßobjekten und zur Kleinhaltung der durch die erforderlichen Umschaltungen bedingten Totzeiten sind auch immer schnellere Schalteinrichtungen, vorzugsweise Halbleiterschalter, wie z. B. Feldeffekttransistoren, erforderlich. Mit steigender Grenzfrequenz nimmt bei solchen Schaltern im allgemeinen auch ihr innerer Widerstand zu, der, sofern er direkt in einem Prüf- bzw. Meßstromkreis liegt, dann nicht mehr vernachlässigt werden kann, vielmehr bei Nichtbeachtung die Meßgenauigkeit verringert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Prüfeinrichtung zu schaffen, die auch bei Verwendung sehr schneller, verlustbehafteter Halbleiterschalter, ζ. B. von Feldeffekttransistoren, durch deren Innenwiderstand keine Veränderung der Spannungs-, Strom- oder Belastungsbedingungen erfährt, die bei dem zu prüfenden bzw. zu messenden Schaltungsteil eines Meßobjekts der genannten Art nachgebildet werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Gleichstrom-Prüfeinrichtung für miniaturisierte Schaltkreise und integrierte Schaltungen, die mittels vorzugsweise durch einen Ziffernrechner programmierbar automatisch gesteuerter Halbleiter-Schalteinrichtungen bei vorbestimmten Teilen z. B. von integrierten Schaltungen vorbestimmbare Spannungs-, Strom- oder Belastungs-Bedingungen von vorbestimmter kurzer Dauer nachbildet, dadurch gelöst, daß eine in einem vorbestimmbaren Verhältnis zu einer vorbestimmten Eingangsspannung stehende Prüfspannung durch einen gegengekoppelten Differenzverstärker an den zu prüfenden Zweipol-Schaltungsteil oder an einen zu letzterem in Reihe geschalteten Vorwiderstand oder an die Rei-

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henschaltung aus Schaltungsteil und Vorwiderstand anlegbar ist und daß in jedem der beiden, von den beiden Endpunkten eines Vorwideratandes zu den Eingängen des Differenzverstärkers zurückzuführenden Gegenkopplungszweige ein gegengekoppelter Folgeverstärker mit dem Verstärkungsfaktor 1 und mit großem Eingangswiderstand vorgesehen ist/ der den Strom im Gegenkopplungskreis praktisch auf Null reduziert und dadurch den verfälschenden Einfluß von Spannungsabfällen an den inneren Widerständen der verwendeten sehr schnellen verlustbehafteten Halbleiterschalter aus-* schaltet.

Dabei ist das Verhältnis von Eingangs- und Prüfspannung, d. h. der Spannunga-Maßstabfaktor, bestimmt durch das Verhältnis der ' Widerstände,über die die Eingangsspannung bzw. die Gegenkopplungsspannung den Eingängen des Differenzverstärkers zugeführt werden.JNachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung anhand einer Zeichnung näher beschrieben/ die ein vereinfachtes Blockschaltbild derselben darstellt.

Aufgabe der Prüfeinrichtung ist es, unter automatischer Steuerung durch einen nicht dargestellten Rechner mittels einer ihren Eingangsklemmen 1 zugeführten, ebenfalls rechnergesteuerten Analog-Gleichspannung an einem Anschlußpunkt 19 eines Meßobjekts, beispielsweise einer integrierten Schaltung, der im Inneren derselben z.B. über einen Widerstand 2 mit deren Erdanschluß verbunden ist, wahlweise vorbestimmte Spannungs-, strom- oder Be- " lastungsverhältnisse zu vorbestimmten Zeitpunkten und mit vorbestimmter Dauer herzustellen.

Zu diesem Zweck wird die Eingangsgleichspannung über ein Widerstands- und Schalter-Netzwerk 6-9, 18, 27, 29, 30 bzw. 10-13 den + und - Eingängen 52 eines Differenzverstärkers 14 sowie dessen Ausgangsspannung wahlweise über jeweils einen von mehreren weiteren Schaltern und Widerständen 15-17 bzw. 3-5 dem Meßobjekt-Anschluß 19 zugeführt. Gleichzeitig wird entweder die am Meßobjekt-Widerstand 2 oder die an einem der Vorwiderstände 3-5 abfallende Spannung als negative Rückkopplungsspannung den Eingän-

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gen 52 des Differenzverstärkers 14 ebenfalls zugeführt, «ad zwar jeweils über einen oder zwei sogenannt© Folgevers'tärker 28 bssw. 28, 26 sowie über das bereits genannte Widerstands-Sehalter-Wetzwerk und gegebenenfalls einen von weiteren Schaltern 23-25.

Die genannten Schalter sind sämtlich Halbleiterschalter mit großer Arbeitsgeschwindigkeit, beispielsweise Feldeffekttransistoren. Alle verwendeten Verstärker sind ebenfalls Halbleiteranordnungen und arbeiten mit negativer Rückkopplung und eine» Verstärkungsfaktor 1» Die Folgeverstärker 26 und 28 sind Halbleiterverstärker mit großem Eingangswiderstand, also vorzugsweise Emitter-Folgeverstärker ia Collector-Schaltung, ihr hoher Eingangswiderstand bedingt einen vernaehlässeigbar kleinen Strom- in ihrem Rückkopplungskreis, der also am Innenwiderstand von Halbleiterechaltern, die in diesem Kreis vorhanden sind, keinen merklichen Spannungsabfall hervorrufen kann. Dies© Folgeverstärker mit einem Verstärkungsgrad 1 übertragen demnach in ihrem Rückkopplungskreis die volle Rückkopplungespannung ohne jeden Verlust an einem Schalter-Innenwiderstand.

Für die Prüfeinrichtung bzw. den Differenzverstärker 14 sind hauptsächlich zwei verschiedene Betriebsarten vorgesehen, nämlich Spannungsbetrieb oder Strombetrieb.

Beim Spannungsbetrieb werden vom Rechner die Schalter 10 und 12 sowie einer der Schalter 15-17 leitend gemacht, während die anderen Schalter gesperrt sind. Infolgedessen gelangen an den Minuseingang 52 des Differenzverstärkers 14 über den Schalter 10 und den Widerstand 6 der eine Pol der durch Rechnerprogramm vorbestimmten Eingangsspannung an einer Eingangsklemme 1 sowie gleichzeitig als negative Rückkopplungsspannung über denselben Schalter 10, den Widerstand 29 und den Folgeverstärker 28 der am Anschlußpunkt 19 vorhandene eine Pol des am Meßobjekt 2 auftretenden Spannungsabfalls. Zugleich gelangen an den Pluseingang 52 des Differenzverstärker 14 über den Schalter 12 und den Widerstand 9 der andere Pol der Eingangsspannung an der anderen EIn-

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gangsklemme 1 sowie ferner über denselben Schalter 12 und den Widerstand 18 das auch am anderen Ende des Meßobjektwiderstandes 2 wirksame Erdpotential. Den Eingängen 52 des Differenzverstärkers 14 wird somit der Spannungsabfall am MeSobjektwiderstand 2 als negative Rückkopplungsspannung, also Gegenkopplungsspannung, zugeführt. Wird der Einfachheit halber angenommen, daß im genannten Widerstandsnetzwerk die Widerstände 6 und 29 einander gleich sind und ebenso die Widerstände 9 und 18 gleich sind, so gelangt vom Ausgang des Differenzverstärkers 14 über einen der Schalter 23-25 und einen der Widerstände 3-5 eine der Eingangsspannung genau gleiche Spannung an die Meßobjektklemme 19 bzw. den Meßobjektwiderstand 2.

Bei Strombetrieb der Prüfeinrichtung macht der Rechner die Schalter 11 und 13 sowie ebenfalls einender Schalter 15-17, ferner zusätzlich den entsprechenden der Schalter 23-25 leitend, während die übrigen Schalter gesperrt sind. Dadurch wird jetzt . am Minuseingang 52 des Differenzverstärkers 14 über den Schalter 11 und den Widerstand 7 der eine Pol der Spannung an den Eingangsklemmen 1 wirksam und zugleich als negative Rückkopplungsspannung über den Schalter 11, den Widerstand 27, den Folgeverstärker 26 und einen der Schalter 23-25, der an einem der Verzweigungspunkte 20-22 vorhandene eine Pol des Spannungsabfalls an einem der in Reihe mit dem Meßobjektwiderstand 2 geschalteten Vorwiderstände 3-5. Gleichzeitig gelangen an den Pluseingang 52 des Differenzverstärkers 14 über den Schalter 13 und den Widerstand 8 der andere Pol der Eingangsspannung an den Klemmen 1 sowie als negative Rückkopplungsspannung über denselben Schalter 13, den Widerstand 30 und den Folgeverstärker 28 der andere Pol des Spannungsabfalls am eingeschalteten der Widerstände 3-5, der an deren gemeinsamem anderem Ende 19 auftritt. Die in diesem Fall den beiden Eingängen 52 des Differenzverstärkers 14 über .die beiden Folgeverstärker 26 und 28 zugeführte Gegenkopplungsspannung ist also der Spannungsabfall an dem jeweils wirksamen der. in Reihe mit dem Meßobjektwiderstand 2 geschalteten Vorwidere tände 3-5. Durch die Gegenkopplungswirkung wird dieser Span-Docket Fi 967 130 0 0 9 8 8 3/1562

nungsabfall an ©inem eier Vorwiderstänäe 3-5 wie b©la Spasmungs- - -betrieb ebefalls feiiaia gleich der EingangsBpamiang an üen Eia™

gangsklesriioea 1 gehaltene ■ .

Bei bekanntem Wert der ¥©»iderstä»d© 3-5 definiert aber bei Strom betrieb der an einem tor ihnen herrsefoead©, fields der Eingangsspannung geregelte SpanauÄgsabfall einen ganz bestimmten-entsprechenden Strom,,der sowohl den Voswiderstand als im vollem umfang auch den in jfüie liegenden Maßobjekteideratand 2 durchfließt« Die Werte der einseinen Vorwiderstände stelle» somit eile- regipr©k@n Strora-Maßstabfaktoren dar» deren Multiplikation »it ä&a ä@x Eingangs spannung-en tsprecheaäen Spaanungsabfall aa ¥©m*i der stand -■ den Strom ergibt, der durch den Venriiderstead unä den Meßobjektwiderstand 2 fließt.

Bei der Beschreibung des" Spaimmugsbetriebs ot^cH© GlsiÄheit sowohl zwischen den Widerständen β end 29 als SiUdh 9 uai 18 abgenommen als Voraussetzung für Gleichheit aueh swisehen der am Meßobjektwiderstand 2 and ä@r an den Eingangskleirme» Ϊ herrschenden Spannung. Ein voa di©s@m angenowaenen Spaanimgs-Maßstabfaktor 1:1 abweichender Maßstabfaktor kaaa durch Wahl eiaes eatspredienden anderen Wertverhältnisses der genannten Widerstände eingeführt werden.

Zur Kontrolle der am bzw. im MeSobjekt 2 tatsächlich wirksamen Spannungen und Ströme ist eine die Prüfeinrichtung ¥®r¥ollständigende überwachungseinrichtung vorgesehen. Sie besteht aus einem zusätzlichen gegengekoppelten Differenzverstärker 31 derselben Art wie der Differenzverstärker 14 mit einem zusätzlichen Widerstandsund Schalter-Netzwerk 32-39 bzw. 40-43. Bei Spannungsbetrieb wird die herrschende Spannung am Meßobjekt 2 an di@ beiden Eingänge dieses Differenzverstärkers 31 gelegt« der infolge der Gegenkopplung der an den Ausgangsklemmen 44 herrschenden Spanirang über die Widerstände 34 bzw. 36 und die Schalter 40 bsw« 42 auf seinen Mi-. nus- bzw. Pluseingang eine der Eingangsspanntmg gsiasn gleiche Ausgangsspannung an die Klemmen 44 liefert? wo sie s. B. durch

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ein nicht gezeichnetes Meßgerät und gegebenenfalls ein Regelgerät für die Eingangsspannung weiter ausgewertet werden kann. Dabei wird das Potential am Anschlußpunkt 19 über den Folgeverstärker 28, den Widerstand 35 und den betätigten Schalter 40 dem Minuseingang des DifferenzVerstärkers 31 zugeführt, während das am anderen Ende des Meßobjektwiderstandes 2 liegende Erdpotential über den Niderstand 37 und den Schalter 42 an den Pluseingang dieses Verstärkers 31 gelegt wird. Bei Strombetrieb wird der Spannungsabfall an dem jeweils eingeschalteten der Vorwiderstände 3-5 den Eingängen des Differenzverstärkers 31 zugeführt, der infolge der Gegenkopplung jetzt über die Widerstände 32 bzw. 38 und die Schalter 41 bzw. 43 wieder eine der Eingangsspannung genau gleiche Ausgangsspannung an den Ausgang 44 liefert. Dabei gelangt das Potential des gemeinsamen Endes 19 der Vorwiderstände 3-5 über den Folgeverstärker 28, den Widerstand 39 und den Schalter 43 an den Pluseingang des Differenzverstärker 31, während zugleich das Potential eines der Verzweigungspunkte 20-22 am anderen Ende des jeweils eingeschalteten der Vorwiderstände 3-5 über einen eingeschalteten der Schalter 23-25, den Folgeverstärker 26, den Widerstand 33 und den Schalter 41 an den Minuseingang des Differenzverstärkers 31 gelegt wird.

Wenn gewünscht wird, an den Anschlußpunkt 19 bzw. den Widerstand 2 des Meßobjekts eine Gleichspannung Null zu legen, so wird die Prüfeinrichtung durch Schalterbetätigung in der beschriebenen Weise auf Spannungsbetrieb eingestellt, bei dem die Eingangsspannung der Klemmen 1 am Meßobjektwiderstand 2 wirksam ist, und zugleich eine Eingangsspannung Null am steuernden Rechner programmiert. Soll entsprechend der Meßobjektwiderstand 2 mit einem Strom Null belastet werden, so ist der beschriebene Strombetrieb herzustellen, bei dem die Eingangsspannung als Spannungsabfall an dem jeweils eingestellten der Meßbereich-Vorwiderstände 3-5, also als Maß für den die Reihenschaltung aus diesem Vorwiderstand und dem Meßobjektwiderstand 2 durchfließenden Strom, wirksam wird; gleichzeitig ist wieder eine Eingangsspannung Null zu programmieren, der dann ein Strom Null durch den Widerstand 2 entspricht.

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Weitere Abwandlungen der erfindungsgemäßen Prüfeinrichtung zur Nachbildung z. B. einer Spannungsquelle mit einem Reihenwiderstand oder einer Stromquelle mit Parallelwiderstand sind möglich. Beispielsweise wird wie beim Strombetrieb einer der Verzweigungspunkte 20-22 über einen der Schalter 23-25, den Folgeverstärker 26, den Widerstand 27 und den Schalter 1 mit dem Minuseingang des Differenzverstärkers 14 verbunden und gleichzeitig wie beim Spannungsbetrieb das geerdete untere Ende des Meßobjektwiderstandes 2 über den Widerstand 18 und den Schalter 12 an den Pluseingang des Verstärkers 14 gelegt. Dadurch wird die an den Klemmen 1 zugeführte Eingangsspannung an der Reihenschaltung aus einem der Vorwiderstände 3-5 und dem Meßobjektwiderstand 2 wirksam. * Für den letzteren erscheint somit die Spannungsquelle als mit einem Reihenwiderstand in Form eines der Vorwiderstände 3-5 versehen. Der wirksame Wert dieses Reihenwiderstandes kann weitgehend verändert werden durch Gegenkopplung auf den Eingang des Differenzverstärkers 14 sowohl vom Anschlußpunkt 19 als auch von einem der Verzweigungspunkte 20-20 über die Folgeverstärker 28 bzw. 26 und einen entsprechend bemessenen Widerstand 29 bzw.

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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Gleichstrom-Prüfeinrichtung für miniaturisierte Schaltkreise und integrierte Schaltungen, die mittels vorzugsweise durch einen Ziffernrechner programmierbar automatisch gesteuerter Halbleiter-Schalteinrichtungen bei vorbestimmten Teilen z. B. von integrierten Schaltungen vorbestimmbare Spannungs-, Strom- oder Belastungs-Bedingungen von vorbestimmter kurzer Dauer nachbildet, dadurch gekennzeichnet, daß eine in einem vorbestimmbaren Verhältnis zu einer vorbestimmten Eingangsspannung (an Eingangsklemmen 1) stehende Prüfspanung durch einen gegengekoppelten Differenzverstärker (14) an den zu prüfenden Zweipol-Schaltungsteil (z.B. Widerstand 2) oder an einen zu letzterem in Reihe geschalteten Vorwiderstand (3-5) oder an die Reihenschaltung aus Schaltungsteil (2) und Vorwiderstand (3-5) anlegbar ist und daß in jedem der beiden, von den beiden Endpunkten (20 oder 21 oder 22 und 19) eines Vorwiderstandes (3 oder 4 oder 5) zu den Eingängen (52) des Differenzverstärkers (14) zurückführenden Gegenkopplungszweige, ein gegengekoppelter Folgeverstärker (26 bzw. 28) mit dem Verstärkungsfaktor 1 und mit großem Eingangswiderstand vorgesehen ist, der den Strom im Gegenkopplungskreis praktisch auf Null reduziert und dadurch den verfälschenden Einfluß von Spannungsabfällen an den inneren Widerständen der verwendeten sehr schnellen verlustbehafteten Halbleiterschalter (z.B. Feldeffekttransitoren 10-13, 15-17, 23-25, 40-43) ausschaltet.
2. 2. Prüfeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Eingangs- und Prüfspannung, d. h. der Spannungs-Maßstabfaktor, bestimmt ist durch das Ver-♦ hältnis der Widerstände (6:29, 9:18, 7:27, 8:30), über de\L die Eingangsspannung bzw. die Gegenkopplungsspannung den Eingängen (52) des Differenzverstärkers (14) zugeführt

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   werden.
3. 3. Prüfeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des mit dem Prüfobjekt-Zweipol (2) in Reihe geschalteten Vorwiderstandes (3-5) als Strom-Maßstabfaktor zusammen mit der am Vorwiderstand als Spannungsabfall wirksamen Prüfspannung den Strom durch das Prüfobjekt (2) bestimmt.
4. 4. Prüfeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur überwachung der am Prüfobjekt (2) oder an einem Vorwiderstand (3-5) oder an der Reihenschaltung beider herrschenden Prüfspannung eine ihr gleiche Ausgangsspannung (an Klemmen 44) erzeugt wird mittels eines zweiten gegengekoppelten Differenzverstärkers (31), dessen Gegenkopplungskreise diejenigen des ersten Differenzverstärkers (14) teilweise, einschließlich der beiden Folgeverstärker (26, 28), enthalten.

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