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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen des
Speisestromes eines elektronischen Gerätes oder eines integrierten
Schaltkreises. Spezifischer gesehen wird ein System zum Prüfen des Speisestromes
eines elektronischen Gerätes
oder eines integrierten Stromkreises offengelegt.
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Hintergrund der Erfindung
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Es
ist bewiesen worden, dass die Überwachung
des Ruhespeisestromes (IDDQ) ein geeignetes
Prüfverfahren
darstellt, welches benutzt werden kann sowohl zur Verifizierung
von elektronischen Geräten
oder Stromkreisen als auch zur Erhöhung der Qualität der Prüfung der
besagten Geräte
oder Stromkreise. Besonders wird in der Funktion einer verbesserten
Prüfungsqualität ein genaues
System zum Messen des Speisestromes benötigt.
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Unter
den funktionalen Teststrategien bezüglich des Hängenbleibens, Offenbleibens
und Ruhestromes gibt es keine einzige Prüfmethode, die eine Feststellung
sämtlicher
Arten von Fehlern in elektronischen Geräten gewährleistet. Als Arten von Fehlern
in elektronischen Geräten
kann man eine gewisse Anzahl von Fehlern erwähnen, welche in digitalen CMOS-Geräten vorkommen,
wie zum Beispiel Kurzschlüsse
durch Oxydierung eines Gatters, Brückenbildung und Schwimmtore.
Solche Defekte werden nicht von einem herkömmlichen, auf der Spannung
basierenden Prüfverfahren
erkannt. Viele Fehler, welche Zuverlässigkeitsrisiken aufwerfen,
können
nur durch eine IDDQ-Prüfung
entdeckt werden, deshalb sind mehrfache und genaue IDDQ-Prüfungen notwendig
für die
CMOS-Geräte
oder die integrierte Schaltkreise. Die IDDQ-Prüfung bietet
die empfindlichste und umfassendste Strategie an, stellt aber eine
verhältnismäßig langsame
Messtechnik dar. Die Messtechnik für den Ruhestrom beruht auf
der Tatsache, dass defekte Geräte
einen abnormal hohen Wert an elektrischem Zufuhrstrom (IDD) erzeugen. Es wurde bewiesen, dass diese
Technik sehr wirksam ist zum Aufdecken von verschiedenen Fehlern,
die an CMOS Geräten
oder an integrierte Schaltkreise vorkommen, und dass sie nur eine
geringe Anzahl von Prüfbildern
benötigt.
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Die
Gesamtkosten der Prüfung
eines Stromkreises hängen
ab von der Zeit für
die Bildung des Prüfbildes,
vom erforderlichen Fehlererfassungsbereich, von der Dauer der Prüfung für eine jede
Einheit des Stromkreises und von der Anzahl der Stromkreise unter
Prüfung.
Während
die Bildung einer Stromprüfung
viel weniger GPU-Zeit in Anspruch nimmt und weniger Testbilder erzeugt,
benötigt
das Prüfen
eines Stromkreises bei Anwendung von Stromprüfungen (angewandt in kHz-Bereichen)
mehr Zeit als die Anwendung von logischen Prüfungen (angewandt in MHz-Bereichen).
Das Messen des IDDQ-Stromes außerhalb
des Chips unter Anwendung eines Prüfmonitors, der nicht auf einem
Chip mit dem elektronischen Stromkreis oder dem Gerät liegt, welches
geprüft
wird, bereitet Schwierigkeiten zum Prüfen von Hardware und verringert
die Prüfrate
wesentlich, falls eine gebräuchliche
Prüfvorrichtung,
wie zum Beispiel die parametrische Messeinheit (PMU), verwendet
wird. Grundlegend bestehen zwei Lösungen zu diesem Problem. Die
Anwendung einer Überwachung
auf dem Chip, auf einem Chip integriert mit dem integrierten Stromkreis,
der geprüft
wird, kann die Prüffrequenz wesentlich
erhöhen.
Die Alternative besteht darin, eine zugeordnete Überwachung außerhalb
des Chips zu verwenden. Nichts desto weniger werden heutzutage die
meisten IDDQ-Messungen bei der Produktionsprüfung noch
immer mit einer Instrumentierung außerhalb des Chips vorgenommen.
Einige wenige experimentelle Stromüberwachungen auf dem Chip/außerhalb
des Chips sind bislang vorgeschlagen worden. Einer von ihnen wird
bereits bei der Produktionsprüfung
verwendet.
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Um
in der Lage zu sein eine IDDQ-Prüfung in
einer wirtschaftlich gerechtfertigten Weise durchzuführen, wird
eine zugeordnete Messeinheit benötigt.
Da auf dem Chip eingebaute Stromüberwachungen
weit höhere Prüfgeschwindigkeiten
erreichen können
als Alternativen außerhalb
des Chips, sind dieselben eingestuft worden als eine angemessene
Wahl zur Prüfung
des CMOS-VLSI-Stromes.
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Das
Dokument JP-A-7244125 bezieht sich auf eine Prüfeinrichtung für einen
Stromkreis zur Durchführung
einer Gleichstromprüfung
und einer Funktionsprüfung
an einem Prüfobjekt
ohne Zuhilfenahme eines Relais. Dies ist eigentlich kein Tester
für den
Ruhestrom, welcher von einer Vorrichtung beim Testen gezogen wird.
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Das
Dokument EP-A-386804 bezieht sich auf einen Aufbau zum Messen eines
Ruhestromes eines digitalen integrierten Schaltkreises. Die in diesem
Dokument vorgeschlagene Lösung
impliziert die Verwendung einer einen Transistor Ts umfassenden
Messeinheit, welcher zwischen dem Zufuhr VDD und dem DUT gekoppelt
ist. Diese Anordnung schafft automatisch einen Spannungsabfall und
macht es für
die Ausgangsspannung der Messeinheit unmöglich im Wesentlichen gleich
zu sein mit der Eingangsspannung.
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Das
Dokument US-A-5392293 bezieht sich auf einen Stromsensor zum Abtasten
eines Ruhestromes, welcher durch einen integrierten Stromkreis von
einer Zufuhrspannung gezogen wird. Durch die Figur D3 wird klar,
dass die Messeinheit des Ruhestromes nicht durch die Zufuhrspannung
des DUT gespeist wird, sondern von einer Spannung, welche nach dem
DUT auftritt.
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Definition des Problems
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Um
die Ruhestromzufuhr des elektronischen Stromkreises oder des sich
unter Test befindlichen Bauelementes (DUT), sollte die Messeinrichtung
die Spannungszufuhr und Stromzufuhr des DUTs nicht in irgendeiner
Weise beeinflussen, und sie sollte fähig sein, die parasitäre Kapazität auszusteuern,
welche von der Zufuhrverkabelung des DUTs und der Entkopplungskapazität herrührt. Die
meisten der bislang vorgestellten eingebauten Stromüberwachungen
(BICs) sind entweder dazu bestimmt in den Erdungsanschluss eingefügt zu werden
oder die Zufuhr des DUTs während
der Messung gleitend zu lassen. Durch das Anbringen einer Messeinrichtung
in den Erdungsanschluss wird eine virtuelle Erdung für die unter
Prüfung
stehenden Bauelemente geschaffen, welche, falls ein Strom fließt, von
der wirklichen Erdung abweicht, und auf diese Weise die Genauigkeit
der Messung beeinflusst.
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Die
Anwendung der an einem Prüfsystem
in einer sättigungslosen
Starkspannungsmessung vorhandenen Parametrischen Messeinheit (PMU)
liefert eine quantitative und genaue Messung. Jedoch ist die PMU verhältnismäßig langsam – Messperioden
betragen typischerweise 100 ms – und
ist nicht fähig,
Schaltspitzen von mehr als 100 mA zu liefern. Als ein Beispiel eines
solchen Bauelementes kann die PMU genommen werden, welche am Credence
VISTAvision Prüfsystem
verfügbar
ist.
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Ein Überwachungsstromkreis,
IDUNA genannt und in der EP-0386804 offenbart, war ursprünglich dazu
bestimmt als eine Überwachung
auf dem Chip zu dienen, sie kann jedoch ebenfalls als eine Überwachung
außerhalb
des Chips verwendet werden. Die IDUNA erzeugt eine Entscheidung
bestanden/nicht bestanden, welche auf einem integrierten Vergleich
des IDDQ zu einem genormten Referenzstrom
basiert ist. Der Vorteil des Stromkreises besteht darin, dass es
möglich
ist, hohe Messgeschwindigkeiten, eine verbesserte Genauigkeit und
Störsicherheit
gegenüber
Geräuschen
zu erreichen. Die Überwachung
ist ausgelegt, um mit Frequenzen über 1 MHz zu arbeiten. Trotz
ihrer Vorteile ist die IDUNA jedoch nicht in der Lage, hohe Kapazitätsladungen
anzusteuern. Sie kann keine hohen Übergangsströme liefern und benötigt eine
komplexe Kennzeichnung und Kalibrierungsprozedur, da ihre Messkennlinie
nicht linear ist. Die IDUNA ist vorgesehen, um einen präzisen Vergleich
des gemessenen Ruhestroms gegenüber
einem vorher bestimmten Referenzstromniveau zu erstellen, eher als
eine genaue Strommessung des Ruhestroms innerhalb eines bestimmten
Messbereiches zu erstellen. Ferner, bedingt durch ihre begrenzte
Fähigkeit
einen Strom zu liefern und durch die begrenzte Fähigkeit eine kapazitive Belastung
anzusteuern, kann die IDUNA lediglich angewandt werden, um kleine
Stromkreise zu prüfen,
und sie erfordert eine Unterteilung des Stromkreises in Kombination
mit dem Gebrauch von mehrfachen Überwachungen,
falls eine Stromüberwachung
auf dem Chip von größeren Stromkreisen
erwünscht
ist.
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Der
OCIMU-Stromkreis, so wie er in EP-0672911 offengelegt wird, ist
eine Überwachung
außerhalb des
Chips, welche mit Hilfe von diskreten Bausteinen hergestellt ist.
Der OCIMU ist dazu in der Lage eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit zur
Messung eines Stromes vorzutragen (Messzeit ungefähr 100 μs für eine 2 μF Ladung),
insbesondere wenn eine hohe kapazitive Ladung angesteuert wird (bis
zu einigen μF).
Diese Eigenschaft ist wichtig, da moderne komplexe ASICs üblicherweise
mehrfache Einspeisestifte umfassen (manchmal mehr als 20). Um eine
hochwertige, stabile Zufuhr auf dem Chip zu gewährleisten, wird eine Entkopplungskapazität von 100
nF zu einem jeden dieser Einspeisestifte hinzugefügt. Auf
diese Weise ist eine gesamte Entkopplungskapazität von 2 μF oder größer nicht ungewöhnlich.
Der OCIMU Stromkreis ist ebenfalls in der Lage Übergangsströme von bis zu 10 Ampere zu liefern.
Dies ist notwendig, denn ASICs von der Telekommunikation können Schaltüberströme von 5
Ampere erfordern, während
die üblichen
aufgenommenen Ruheströme
im Bereich von 0,1 bis 100 μA
liegen. Des Weiteren erfordert der Stromkreis nur ein Minimum an einer
einfach durchzuführenden
Kalibrierung und er liefert eine gut stabilisierte Spannungszufuhr
zum DUT, wobei die DUT Einspeisestift(e) nie erdfrei gelassen werden.
Eine andere Qualität
beim OCIMU ist, dass dieser Stromkreis das Problem der Messung des
Ruhestroms in einer hierarchischen Art und Weise anpackt. Der Stromkreis
ist so ausgelegt, dass zuerst die Größenordnung des IDDQ bestimmt
wird, und erst dann, wenn der Strom unterhalb eines vorher bestimmbaren
Niveaus liegt, wird eine genaue Messung vorgenommen. Ansonsten wird
der Stromkreis sofort als 'schlechter
Teil' ausgewiesen
und es wird dem Prüfvorgang
erlaubt beschleunigt zu werden. Die Nachteile des OCIMU-Stromkreises
bestehen darin, dass derselbe nur als eine Überwachung außerhalb
des Chips benutzt werden kann – da
derselbe wegen seiner architekturellen Gestaltung nicht auf einfache
Art und Weise unter Verwendung eines Standard CMOS-Verfahrens integriert
werden kann – das will
sagen, dass seine Prüfgeschwindigkeit
begrenzt ist wenn Strommessungen mit einer Genauigkeit von 1 μA oder besser
gewünscht
werden – vor
Allem wegen des durch seine Bausteine hervorgerufenen Geräusches – und dass
der Stromkreis hoch empfindlich ist gegenüber demjenigen Geräusch, das
an der DUT Zufuhrbezugsklemme vorhanden ist – es ist eine Zufuhr von hoher
Qualität
erforderlich mit einem Geräuschniveau
von weniger als 1 mVptp, um die Messgenauigkeit
der Überwachung
zu gewährleisten.
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Ziele der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Prüfungssystem für elektronische
Stromkreise oder Geräte
zu liefern, welches nicht nur dazu dienen kann den Zufuhrruhestrom
(IDDQ) genau zu messen, welcher von einem
Stromkreis oder einem Gerät
gezogen wird und zu entscheiden, ob der Stromkreis oder das Gerät gut oder
schlecht ist, sondern dasselbe kann auch auf eine einfache Art und
Weise angepasst werden in Funktion der Anwendung im Hinblick auf
den gewünschten
Messbereich und die gewünschte
Messgenauigkeit.
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Es
ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ein IDD Messsystem
zu liefern, welches benutzt werden kann, sowohl für eine auf
dem Chip eingebaute Stromüberwachung
als auch für
eine Stromüberwachung außerhalb
des Chips in einem breit gefächerten
Bereich von Anwendungen.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Prüfsystem
zu offenbaren, welches für
die Prüfung
sowohl in der Technik als auch in der Produktion benutzt werden
kann, welches die Zufuhrspannung der unter Prüfung stehenden Geräte oder
Stromkreise nicht beeinflusst, welches Messungen von hoher Genauigkeit
mit hoher Geschwindigkeit liefert, welches auf einfache Art und
Weise in einen genormten CMOS-Prozess integriert werden kann, welches
das Problem der Unterteilung verbunden mit anderen eingebauten Stromüberwachungen überwindet
und welches auf einfache Art und Weise in Funktion der Anwendungen
und mit Hinblick auf den gewünschten
Messbereich und die gewünschte
Messgenauigkeit angepasst werden kann. Die IDD-Überwachung der vorliegenden
Erfindung erreicht diese Ziele und kann verwendet werden entweder
als eine außerhalb
des Chips als auch eine auf dem Chip eingebaute Stromüberwachung,
und sie liefert in beiden Fällen
verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu anderen Messvorrichtungen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Doch
es wird ein Prüfsystem
(in der Folge ebenfalls als Überwachungsstromkreis
bezeichnet) bekannt gegeben für
die Messung eines Zufuhrstromes eines elektronischen Stromkreises,
welches umfasst: einen ersten Teil mit Steuerungsmitteln zum Anlegen
und Steuern von wenigstens einer Eingangsspannung und eines Stromes
am besagten Stromkreis; einen zweiten Teil, welcher durch die besagte
Eingangsspannung gespeist wird und welcher eine erste Ausgangsspannung
und einen ersten Ausgangsstrom an eine erste Anschlussstelle und
einen zweiten Ausgangsstrom an eine zweite Anschlussstelle liefert,
wobei besagte erste Ausgangsspannung im Wesentlichen gleich ist
mit der besagten Eingangsspannung, und wobei besagter zweiter Ausgangsstrom
im Wesentlichen proportional zum besagten ersten Ausgangsstrom ist,
welcher jenen Speisestrom darstellt; und welches einen Schalter
zwischen der besagten Eingangsspannung und dem besagten elektronischen
Stromkreis besitzt, welcher betätigt
wird durch Schaltungshilfsmittel, welche gesteuert werden durch
den besagten ersten Teil, zum Einschalten oder Ausschalten des besagten
Schalters und hierdurch den besagten zweiten Teil in einen Messbetrieb
oder in einen Nebenschlussbetrieb schaltet. Das System kann des
Weiteren einen dritten Teil umfassen mit Mitteln zum Vergleichen
des besagten zweiten Ausgangsstroms mit einer Bezugsgröße, wodurch
der besagte Stromkreis geprüft
wird. Der zweite Teil des Systems kann hergestellt werden als ein
integrierter Schaltkreis, vorzugsweise in einer CMOS-Technik. Der
besagte zweite Teil kann ebenfalls integriert werden mit dem besagten
elektronischen Stromkreis unter Prüfung auf einem integrierten
Stromkreis. Der besagte Schalter kann ein kompensierter Schalter
sein zur Minimierung der Ladungsübertragung
vom besagten Schalter auf den besagten Stromkreis.
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Das
System gemäß der Erfindung
kann als ein IDD-Messsystem konfiguriert
werden, welches sowohl für
die eingebaute Stromüberwachung
als auch für
die Überwachung
außerhalb
des Chips in einem breit gefächerten
Bereich von Anwendungen und auch für die Prüfung sowohl in der Technik
als auch in der Produktion gebraucht werden kann. Das System beeinflusst
in keiner Weise die Zufuhrspannung der unter Prüfung stehenden Geräte oder
Stromkreise und verschafft mit hoher Geschwindigkeit Messungen von
hoher Genauigkeit. Das System gemäß der Erfindung liefert verbesserte
Eigenschaften im Vergleich mit vergleichbaren IDDQ-Messeinrichtungen.
Das System kann basiert werden auf eine CCII+-Stromübertragungsstruktur
und es kann in die VDD-Stromzufuhrleitung
des unter Prüfung
stehenden Gerätes
(DUT) eingefügt
werden. Das System kann benutzt werden, um entweder zu entscheiden
ob das Gerät
oder der Stromkreis unter Prüfung
gut oder schlecht ist, basierend auf einem Vergleich des zweiten
Ausgangsstroms gegenüber
einer gegebenen Referenz, oder um den Strom genau zu messen, welcher
vom unter Prüfung
stehenden Gerät
oder Stromkreis gezogen wird. Die Überwachung kann auf einfache
Art und Weise programmierbar gemacht werden, um es dem Benutzer
freizustellen, die gewünschte
Konfiguration zu wählen
in Funktion des gewünschten
Messbereiches, der Genauigkeit und Geschwindigkeit vom erforderlichen
Grad in Funktion der Ladungsbedingungen.
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Die
vorliegende Erfindung kann benutzt werden entweder als eingebaute
Stromüberwachung,
oder auch als externe Prüfeinrichtung,
welche weitgehender in eine bestehende automatische Prüfeinrichtung (ATE)
integriert werden könnte.
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Das
System kann als eine auf dem Chip eingebaute Überwachung benutzt werden,
wobei es auf einem Chip integriert ist mit dem besagten, unter Prüfung stehenden
Gerät,
oder es kann benutzt werden als externes Überwachungsgerät, welches
nicht mit dem besagten integrierten Stromkreis integriert ist. Das
System gemäß der vorliegenden
Erfindung kann benutzt werden, sowohl für technische Zwecke und Entwicklung, als
auch für
Prüfungen
in der Produktion.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 & 2 zeigen
zwei grundlegende Konfigurationen der Überwachung entsprechend der
bevorzugten Ausführung
gemäß der Erfindung.
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3 zeigt
grundlegende Konfigurationen, in welchen die Überwachung benutzt werden kann.
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4 zeigt
auf welche Weise der benötigte
kompensierte Schalter verwirklicht werden könnte in der bevorzugten Ausführung gemäß der Erfindung.
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5 zeigt
eine Alternative für
den Spannungskomparator, welcher in der grundlegenden Konfiguration
2 benutzt wird.
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6 zeigt
die angepasste grundlegende Konfiguration mit dem Spannungskomparator,
welcher durch die in 5 gezeigte Alternative ersetzt
wurde.
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7–11 zeigen
verschiedene alternative Ausführungen,
welche benutzt werden könnten,
um den Überwachungsstromkreis
programmierbar zu gestalten, so dass der Anwender das Betreiben
des Stromkreises in Funktion seiner Forderungen anpassen kann.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Als
ein Beispiel, wie das System durchgeführt werden könnte, werden
weiter unten zwei grundlegende Prüfkonfigurationen im Detail
beschrieben, welche sich nur in der Art und Weise unterscheiden,
wie das Messsignal verarbeitet wird. Die beiden Grundkonfigurationen
werden in den 1 und 2 gezeigt.
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Das
System (nachstehend auch Überwachungsstromkreis
genannt) gemäß der Erfindung
umfasst grundlegend eine Nebenschlusseinheit (1), eine
auf einer Stromübertragung
der zweiten Generation aufgebaute Messeinheit (2), eine
Vergleichs-/Bewertungseinheit (3) und eine fakultative
elektronische Schaltereinheit (4), um das Messresultat
festzuhalten, bis dass das Resultat der nächsten Messung gültig wird.
Der elektronische Schalter wird betätigt durch das Umgekehrte des
TRIG-Signals, welches die Betätigung
der Nebenschlusseinheit kontrolliert, erzeugt durch den Inverter
oder Umkehrer (6). Die beiden grundlegenden Einheiten unterscheiden
sich in der Art und Weise, wie der Vergleich mit Rücksicht
auf eine Referenz vorgenommen wird. In beiden Fällen kann der Überwachungsstromkreis
benutzt werden, entweder um den gemessenen Strom mit einem vorher
festgelegten Referenzwert zu vergleichen und auf diese Weise zu
entscheiden, ob der Stromkreis gut oder schlecht ist, oder um den
vom DUT gezogenen Strom genau zu messen, durch Änderung der Referenz mit welcher
der Strom verglichen wird, um den Referenzwert zu messen, welcher
eine Änderung
des Zustandes des benutzten Komparators bewirkt. Aus dem Wert des
benutzten Referenzwertes, kann der eigentliche gezogene Strom einfach
errechnet werden.
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Die
Nebenschlusseinheit (1) wird benutzt, um die Übergangsströme zum DUT
zu liefern, welche auftreten, wenn der Zustand des DUTs geändert wird,
und diese Einheit besteht grundlegend aus einer Starkstrom MOSFET
mit einem sehr geringen Widerstand. Um eine Ladungsübertragung
vom Nebenschluss zum DUT zu vermeiden, was die Messung beeinflusst
falls der Nebenschlussschalter seinen Zustand ändert, ist eine Kompensation
erforderlich. Die Messeinheit misst den durch das DUT gezogenen
Strom genau, wenn der Nebenschluss nicht aktiv ist, ohne die Zufuhrspannung
des DUTs zu beeinflussen und sie erzeugt an ihrem Austritt einen
Strom, der direkt proportional zu und mindestens gleich ist mit
dem durch das DUT gezogenen Strom. Um dies zu erreichen, wird eine
Stromübertragungsstruktur
(2) auf der Basis der zweiten Generation benutzt, welche
besteht aus einem regelnden Operationsverstärker (opamp regulator) oder einem
programmierbaren Operationsverstärker
(ota regulator) (11) mit hoher Anstieggeschwindigkeit,
um eine kurze Reaktionszeit zu erzielen, was notwendig ist um die
Spannungen an den beiden Eintritten derselben gleich zu halten in
Funktion der ändernden
Belastungsbedingungen, aus einem Spannungsverschiebungsstromkreis
(12), um eine sich kreuzende Verzerrung zu vermeiden, ein
Paar zusätzlicher
MOS-Treibertransistoren (13,14), welche den vom DUT
benötigten
Strom liefern und ein Paar von entweder einfachen oder geregelten
Cascodestromspiegeln (15, 16), um den vom DUT
gezogenen Strom zu kopieren und um den Ausgangsstrom der Messeinheit
zu erzeugen. Die nachfolgende Verarbeitung dieses Ausgangstromes
Io ist dann Funktion der benutzten grundlegenden Konfiguration.
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Für die erste,
in der 1 dargestellte Konfiguration wird ein Stromkomparator
(3) von hoher Genauigkeit benutzt, um den Messwert (Io)
mit einem internen Referenzstrom (Ir) zu vergleichen. Dieser interne
Referenzstrom ist umgekehrt proportional zum von außen zugeführten Referenzstrom
(Iref) unter Anwendung eines Stromspiegels (5) mit einem
Spiegelfaktor von 1/100. Dies, um den Einfluss der Variationen auf
die externe Referenz auf das Messresultat zu minimieren. Ein Verriegelungsmittel
(4) kann dann benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches
am Ende des Messzyklus abzutasten.
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Für die zweite,
in der 2 dargestellte Basiskonfiguration wird ein Widerstand
(25) benutzt, um den Ausgangsstrom Io in eine Spannung
umzuwandeln. Die Spannung über
den Widerstand (Vr) wird anschließend mit einer von außen zugeführten Referenzspannung
(Vref) verglichen, dies unter Einsatz eines Spannungskomparators
(23). Wiederum kann ein Verriegelungsmittel (4)
benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus
abzutasten. Ein Ändern
des Wertes des Widerstandes (25) erlaubt es verschiedene
Messbereiche zu schaffen, basierend auf der gegenseitigen Beeinflussung
des Widerstandes auf das Wirken der Stromspiegel (15, 16),
welche den Messwert Io herstellen.
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Basierend
auf diesen beiden grundlegenden Konfigurationen können andere Überwachungsstrukturen
entwickelt werden.
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Um
das Arbeitsprinzip und die Funktionsbedingungen der beschriebenen
Erfindung zu bewerten, wurde bei einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ein Entwurf der Überwachung
angefertigt, verarbeitet und geprüft. Die Überwachung wird als ein integrierter
Schaltkreis hergestellt und in der Mietec 0,7μ CMOS-Technik verarbeitet. Nachstehend
wird ein kurzer Überblick
der Spezifikationen der hergestellten Überwachung gegeben:
- • Verwendete
Technik: Mietec 0,7 μm
N-well CMOS 5 V.
- • Überwachungszufuhr:
5 V.
- • DUT
Zufuhr: 3,3 V.
- • Empfindlichkeit:
50 nA.
- • Genauigkeit
des Messbereichs: 100 nA bis 600 μA.
- • Genauigkeit <= 10 nA für Ströme im Bereich
von 50 na bis 10 μA.
- • Maximaler
Verfall der DUT-Zufuhrspannung: 100 mV für Übergangsströme von 100 mA.
- • Maximaler
Verfall der Zufuhrspannung während
der Ruhestrommessung liegt bei 40 mV.
- • Prüffrequenz
von 1 MHz für
Kapazitätsladung
bis zu 200 pF.
- • Die
5 V Zufuhr zur Überprüfung kann
abgeschaltet werden, falls die Überwachung
nicht benutzt wird.
- • Ein
1 Ω kompensierter
PMOS-Schalter wird verwendet zum Umgehen von Übergangsströmen; die Fläche des Schalters ist 650 × 205 μm2.
- • Die Überwachung
ist fähig,
gewaltige digitale ASIC Stromkreise zu behandeln.
- • Die
gesamte Fläche
der integrierten Überwachung
beträgt
0,22 mm2.
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So
wie dies vorher erwähnt
worden ist, wurde als Technik zum Aufbauen des Überwachungsstromkreises das
MIETEC 0,7 μm
CMOS-Verfahren benutzt. Die Anwendung dieser Technik bedeutet jedoch
keine Einschränkung
für die
Verwirklichung der Überwachung,
denn auch andere auf diesem Gebiet bekannte CMOS-Techniken können zum
Aufbau des Entwurfes angewandt werden. Der Vorführungs- bzw. Überwachungsstromkreis
wird eingesetzt, um den IDDQ und die DUTs
zu messen, welche eine 3,3 V Zufuhr verlangen, dies ist jedoch ebenfalls
keine Einschränkung
für die
vorliegende Erfindung, da der Überwachungsstromkreis einfach
in Funktion der verschiedenen DUT- Zufuhrspannungen angepasst oder neu
entworfen werden kann, oder so angepasst werden kann, dass er befähig ist
in einem gegebenen Bereich von DUT-Zufuhrspannungen zu arbeiten. Ein anderer
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nur ein Überwachungsstromkreis
benötigt
wird, um den Strom der zu prüfenden
Vorrichtung zu messen, unabhängig
von ihrer Komplexität. Als
eine Konsequenz gibt es grundlegend drei Möglichkeiten bei welchen die
vorliegende Erfindung benutzt werden kann, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Dies
wird in der 3 dargestellt.
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Eine
erste Konfiguration bei welcher die Überwachung benutzt werden kann,
wird in der 3.a. gezeigt. Bei dieser Konfiguration
wird die Überwachung
(42) als eine außerhalb
des Chips vorgesehene Überwachung
benutzt. Die Verbindung von der VDD-Zufuhr von der ATE (automatische
Prüfeinrichtung)
(41) zur Anschlussstelle des DUTs (43) ist unterbrochen
und die Überwachung
wird eingeführt
zwischen die ATE und das DUT. Die ATE kontrolliert sowohl den Betrieb
der Überwachung
als auch den Betrieb des DUTs während
dem Prüfvorgang.
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Die
zweite Art und Weise nach welcher die Überprüfung benutzt werden kann wird
in der 3.b. dargestellt. Bei dieser
Konfiguration wird die Überwachung
(46) zusammen mit dem Funktionsstromkreis (47)
integriert und beide bilden zusammen das DUT (45). Wiederum
kontrolliert die ATE (44) den Betrieb des DUTs (= Überwachungs-+Funktionsstromkreis)
im Verlauf des Prüfvorgangs.
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Eine
dritte Art und Weise, wie die Überwachung
benutzt werden kann, wird in der 3.c. gezeigt. Gemäß dieser
Konfiguration ist die Überwachung
(49) mit dem BIST- (Built-in Self Test) (eingebaute Eigenprüfeinrichtung)
Stromkreis (50) und dem Funktionsstromkreis (51)
integriert als ein einzelner Chip, das DUT (48). Dies ist
die Konfiguration einer Eigenprüfeinrichtung,
wobei der BIST-Stromkreis die Funktion sowohl der Überwachung
als auch des Funktionsstromkreises kontrolliert, wenn das DUT in
Prüfmodus
geschaltet ist. Der Gebrauch einer solchen Annäherung erlaubt dem Stromkreis
sowohl sein Funktionsverhalten als auch sein Stromverhalten zu prüfen, dies
ohne die Notwendigkeit eines externen Prüfstromkreises.
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Die Nebenschlusseinheit
(1)
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Die
Nebenschlusseinheit (1) wird gebraucht, um die Übergangsströme an das
DUT zu liefern, was vorkommt falls der Zustand des DUTs geändert wird,
diese Einheit besteht grundlegend aus einer Starkstrom MOSFET mit
einem sehr niedrigen Widerstand. Um Ladungsübertragungen zu vermeiden,
was die Messung beeinflusst, vom Nebenschluss zum DUT, wenn der
Nebenschlussschalter seinen Zustand ändert, ist ein kompensierter
Schalter notwendig. Falls der Nebenschlussschalter zusammen mit
dem anderen Überwachungsstromkreis
integriert ist, kann ein kompensierter Schalter verwirklicht werden. 4 zeigt
eine mögliche
Gestaltung eines kompensierten Schalters, bestehend aus einem Schalttransistor
(60) und einem Blindtransistor (61), bei welchem
die Source und der Drain gekürzt
sind, angetrieben durch das Umgekehrte vom TRIG-Kontrollsignal,
welches erstellt wird durch den Umformer (64), der den
Nebenschlusstransistor über
den von den Umformern (62–63) gebildeten Puffer
antreibt. Der eingeschaltete Widerstand des Nebenschlussschalters
sollte ausgewählt
werden in Funktion des maximalen, vom DUT gezogenen Übergangsstromes
und dem während den Übergängen erlaubten
Spannungsabfall. Jedoch sollte der maximale Spannungsabfall während des
Nebenschlussbetriebes kleiner als 100 mV sein, um die Reaktionszeit
des Messteils nicht zu beeinflussen.
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Die Messeinheit (2)
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Die
Messeinheit (2) misst mit Genauigkeit den Strom, der vom
DUT gezogen wird, wenn der Nebenschluss nicht aktiv ist, ohne die
DUT Zufuhrspannung zu beeinflussen und sie erzeugt an ihrem Ausgang
einen Strom (Io), welcher direkt proportional zu und wenigstens
gleich ist mit dem vom DUT gezogenen Strom. Die weitere Verarbeitung
dieses Ausgangsstromes ist dann eine Funktion der angewandten grundlegenden
Konfiguration. Um dies zu erreichen wird eine sättigungslose Stromübertragungsstruktur
von der zweiten Generation benutzt, bestehend aus einem regelnden
Operationsverstärker
(opamp) (oder einem programmierbaren Operationsverstärker-opa)
(11), einer Spannungsverschiebungsstromkreis (12),
einem Paar von zusätzlichen MOS-Treibertransistoren
(13, 14) und einem Satz von Stromspiegeln (15, 16).
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Die Stromspiegel (15, 16)
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Die
Stromspiegel (15, 16) kopieren den vom DUT gezogenen
Strom und erzeugen den Ausgangsstrom (Io) der Messeinheit (2).
Ein Stromspiegelfaktor von wenigstens 1 ist notwendig, um genaue
Messungen zu erreichen. Um diese Stromspiegel (15, 16)
zu verwirklichen, können
zwei mögliche
Konfigurationen benutzt werden. Die erste basiert auf der Benutzung
von einfachen Stromspiegeln, die zweite macht Gebrauch von geregelten
Cascodestromspiegeln. Der Vorteil der Verwendung der einfachen Stromspiegel
besteht darin, dass dieselben einen breiten Arbeitsbereich und ein
lineares Verhalten in ihrem vollen Betriebsbereich besitzen, unabhängig von
den Bedingungen der Temperatur und der Beladungs. Der Nachteil der
einfachen Stromspiegel besteht darin, dass die Temperaturschwankungen
eine kleine Veränderung
des Spiegelfaktors hervorrufen können,
ohne jedoch die Linearität
zu beeinflussen. Dieser Nachteil kann durch den Gebrauch einer Vorspannung überwunden
werden welche höher
ist als der durch das DUT gezogene Strom, so dass der Stromverbrauch
der Spiegel praktisch der gleiche ist sowohl beim Prüfmodus als
auch beim Nebenschlussmodus. Als ein Resultat wird die Betriebstemperatur
unabhängig
sein vom, vom durch das DUT gezogenen Strom, so dass zuverlässige und
wiederholbare Messungen sichergestellt sind. Geregelte Cascodestromspiegel
besitzen den Vorteil, dass sie infolge ihrer selbst regelnden Gestaltung
nicht durch die Temperatur und die Prozessschwankungen beeinflusst
werden und auf diese Weise die Basis für wiederholbare und zuverlässige Messungen
verschaffen. Der einzige Nachteil besteht darin, dass eine untere
Grenze für
den linearen Arbeitsbereich besteht und dass der lineare Arbeitsbereich
von der Temperatur abhängig
ist.
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Die zusätzlichen
MOS-Transistoren (13, 14)
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Das
Paar zusätzlicher
MOS-Steuertransistoren (13, 14) wird benutzt,
um das DUT mit dem benötigten Strom
zu versorgen, auch sollten sie derart ausgelegt sein, dass sie problemlos
den maximalen Strom des Messbereiches an das DUT liefern können.
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Der Spannungsverschiebungsstromkreis
(12)
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Der
Spannungsverschiebungsstromkreis (12) wird benötigt als
eine Schnittstelle zwischen dem Austritt des regelnden Operationsverstärkers (11)
und dem Paar der zusätzlichen
MOS-Transistoren (13, 14). Dieser Stromkreis sorgt
für eine
saubere Vorspannung des Paares der zusätzlichen MOS-Transistoren (13, 14), um
eine kreuzweise Verzerrung zu vermeiden, welche ansonsten die Messresultate
betreffend kleine Ströme beeinflussen
würde.
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Der regelnde Operationsverstärker (11)
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Die
grundlegende Aufgabe des regelnden Operationsverstärkers (11)
besteht darin gleiche Spannungswerte an ihren zwei Eingangsanschlüssen zu
halten, und auf diese Weise eine stabile und gut bekannte DUT-Zufuhrspannung
zu sichern, und sicher zu stellen, dass das DUT die benötigte Zufuhrspannung
erhält durch
Ansteuerung des den Strom liefernden Paares der zusätzlichen
CMOS-Transistoren. Um diese Aufgaben zu erfüllen, benötigt der regelnde Operationsverstärker eine
hohe Anstiegsgeschwindigkeit, typischerweise > 300 V/μs,
eine kurze Reaktionszeit, die benötigt wird, um die Spannungen
an den zwei Eingängen
gleich zu halten, dies in Funktion der ändernden Beladungsbedingungen,
des niedrigen Austrittsrauschen, und da der regelnde Operationsverstärker in
einem Rückkopplungskreis
eingebunden ist, so sollte die allgemeine Verknüpfung des regelnden Operationsverstärkers (11),
des Spannungsverschiebungsstromkreises (12) und des Paares
der zusätzlichen
MOS Transistoren (13, 14) eine Phasensicherheit
von wenigstens 70° aufweisen.
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Die Vergleichseineit
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Für die erste
in der 1 dargestellten Konfiguration besteht die Vergleichseinheit
aus einem Stromkomparator (3), einem Stromspiegel (5)
und wahlweise aus einem elektronischen Schalter (4). Ein
Hochgeschwindigkeits-Stromkomparator
(3) von hoher Genauigkeit, mit einer Hysterese von weniger
als 1 nA, wird zum Vergleichen des Messwertes (Io) mit einem internen Referenzstrom
(Ir) benutzt. Dieser interne Referenzstrom (Ir) ist umgekehrt proponional
zum von außen
zugeführten
Referenzstrom (Iref) unter Anwendung eines Stromspiegels (5)
mit einem Spiegelfaktor von 1/100. Dies hat zum Zweck den Einfluss
der Variationen auf die externe Referenz auf das Messresultat zu
minimieren. Ein Verriegelungsmittel (4) kann dann benutzt
werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus abzutasten.
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Für die zweite
in der 2 dargestellte grundlegende Konfiguration besteht
die Vergleichseinheit aus einem Widerstand (25), einem
Spannungskomparator (23) und einem fakultativen elektronischen
Schalter (4). Der Widerstand (25) wird benutzt
zum Umwandeln des Ausgangsstromes (Io) in eine Spannung (Vr). Der
Wert des Widerstandes (25), in Kombination mit der Ausgangsimpedanz
des Stromspiegels (15, 16), welcher den Ausgangsstrom
(Io) der Messeinheit (2) liefert, bestimmt den Messbereich
der IDDQ-Überwachung. Die Tatsache, dass
durch die Änderung
des Wertes des Widerstandes (25) der Messbereich angepasst
werden kann, stellt einen der grundlegenden Vorteile dieser Anordnung
dar. Der Spannungskomparator (23) vergleicht die Spannung über den
Widerstand (Vr) mit einer von außen gelieferten Referenzspannung
(Vref). Die Hysterese des Komparators (24) ist einer der
Hauptfaktoren, welche die Genauigkeit der Messung bestimmt, und
ebenfalls der Hauptnachteil. Deshalb soll die Hysterese weniger
als 2 mV betragen. Wiederum kann ein Verriegelungsmittel (4)
benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus
abzutasten. Eine Änderung
des Widerstandswertes erlaubt es, verschiedene Messbereiche zu schaffen,
basierend auf der gegenseitigen Beeinflussung des Widerstandes (25)
auf den Betrieb der Stromspiegel (15, 16), welche
die Messwerte liefern.
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Andere Konfigurationen
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Allgemein
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Basierend
auf den zwei grundlegenden Konfigurationen, können andere Überwachungsstrukturen
geschaffen werden, grundlegend durch Änderung der Nachschaltung der
Messeinheit (2), und/oder der Vergleichseinheit, um die
Arbeitsbedingungen auszuweiten, oder um einige Problemfälle zu überwinden.
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Jede
der grundlegenden Einheiten kann programmierbar gestaltet werden,
um es dem Anwender zu erlauben, den gewünschten Messbereich oder die
gewünschte
Genauigkeit anzuwählen,
oder um eine optimierte Konfiguration in Funktion der Ladebedingungen
anzuwählen.
Dies kann erreicht werden durch das Hinzufügen von einer einfachen Steuereinheit
(80), Schaltern (S1–Sn)
und der Wiederholung von einigen Teilen der Schaltanordnung, welche
benötigt
werden, um die Überwachung
zu gestalten. Die Steuereinheit (80) bestimmt dann den
Betriebsstatus des Überwachungsstromkreises.
Ein Schieberegister oder ein Zählwerk
befinden sich unter den möglichen,
nutzlichen Strukturen für
die Steuereinheit. Durch das bidirektionale Ausgestalten von Durchlass-/Ausfall-Ausgang, werden keine
zusätzlichen
Stifte benötigt,
um diese Programmierbarkeit zu erreichen.
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Ersetzen des
Spannungskomparators
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Um
die Genauigkeitsgrenzen zu beseitigen, welche im Fall entstehen
wo ein Spannungskomparator (23) benutzt wird, wegen Hysterese
desselben, kann die Konfiguration der grundlegenden Struktur (2)
geändert
werden durch das Ersetzen des Spannungskomparators (23)
durch eine Einheit (70), welche aus einem Stromkomparators
(75) besteht, wobei eine Messeinheit (72) letzterem
vorgeschaltet ist, so wie dies in 5 dargestellt
ist. Die Messeinheit sollte Gebrauch machen von den geregelten Cascodestromspiegeln
(73, 74), um eine Unabhängigkeit von der Temperatur
und den Prozessparametern zu gewährleisten.
An der X-Anschlussstelle sollte ein Widerstand (71) angeschlossen
sein mit demselben Wert als derjenige von (25), welcher
bereits an den Ausgang der ersten Messeinheit (2) angeschlossen
ist, und folglich auch an die Y-Anschlussstelle
der zweiten Messeinheit (70). Um genaue Messungen zu gewährleisten
ist der tatsächliche
Wert der gebrauchten Widerstände
(25, 71) von kleinerer Bedeutung als die Tatsache,
dass sie gleiche Werte haben sollten, um keine zusätzlichen
Fehler einzuführen.
Die Inbetrachtnahme dieser Tatsache würde es erlauben, die gesamte Überwachung
problemlos zu integrieren. Da die dem Stromkomparator (75)
vorgeschaltete Messeinheit (70) praktisch keine kapazitive
Ladung anzutreiben braucht, wird das Ersetzen des Spannungskomparators
(23) durch eine Kombination einer Messeinheit (70)
und eines Stromkomparators (75) die gesamte Messgeschwindigkeit
der Überwachung
nicht beeinflussen. Für
sämtliche
nachstehend aufgelisteten Überwachungsalternativen,
welche einen oder mehrere Spannungskomparatoren benutzen, können die
in denselben enthaltenen Spannungskomparatoren durch die Kombination
einer Messeinheit und eines Stromkomparators ersetzt werden. Die
angepasste komplette Überwachungskonfiguration
wird in 6 gezeigt.
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Programmierbare Überwachungskonfigurationen
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Die
grundlegende Konfiguration 1 des Überwachungsstromkreises kann
programmierbar gestaltet werden, so wie dies in 7 gezeigt
wird. Das Ziel besteht darin, verschiedene Messbereiche zu beschaffen. Dies
kann erreicht werden durch die Wiederholung der Spiegelstufen (CM1–CM2) der Stromspiegel (81, 82), welche
im Messteil (2) vorhanden sind, und durch den Gebrauch
von verschiedenen Spiegelfaktoren. Die Wahl von Spiegelfaktoren
gleich oder größer als
1 erlaubt das Schaffen von verschiedenen Messbereichen. Der weiteste
Messbereich wird erreicht durch die Benutzung eines Spiegelfaktors
der gleich eins ist. Der Gebrauch eines größeren Spiegelfaktors verkleinert
den Messbereich, erlaubt aber im Gegenzug genauere Messungen. Am
Ausgang einer jeden Spiegelstufe des Stromspiegels der Messeinheit
wird ein Stromkomparator (CC1–CCn)
angeschlossen, wobei ein jeder unter ihnen mit seinem eigenen internen
Referenzstrom (Ir1–Irn) versorgt
wird, abgeleitet aus dem externen Referenzstrom (I_Ref), unter Einsatz
eines Stromspiegels (83) mit wiederholten Spiegelstufen,
eine jede derselben mit dem gleichen Spiegelfaktor. Mit dem Ausgang
eines jeden der Stromkomparatoren (CC1–CCn) ist ein Schalter (S1–Sn) verbunden,
welcher dieselben mit dem Eingang des Verriegelungsmittels (4)
verbindet und welcher es erlaubt durch das Schließen eines
der Schalter den Messbereich und die Genauigkeit vom gewünschten
Grad zu wählen.
Da nur Spannungen geschaltet werden, können die Schalter ausgeführt werden
durch Einsatz von einfachen Übergangstorschaltern,
gesteuert durch die zusätzliche
Steuereinheit (80). Die Schalter (Sm1–Smn) innerhalb der Stromspiegel
(81, 82) der Messeinheit (2) sind fakultativ.
Sie können
verwendet werden, um den Stromverbrauch der Überwachung zu reduzieren durch
die Aktivierung von nur einer Spiegelstufe zur gleichen Zeit. Dieses
Merkmal ist für
eingebaute Stromüberwachungen
vorteilhaft.
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Für die zweite
grundlegende Überwachungskonfiguration
können
verschiedene programmierbare Konfigurationen erarbeitet werden.
Die erste dieser programmierbaren Konfigurationen wird in der 8 dargestellt,
und eine Alternative wird in der 9 dargestellt.
So wie für
die grundlegende Konfiguration 2, bestimmt der Widerstand (25),
welcher an den Ausgang des Messteils (2) hinzugefügt wurde,
den Messbereich und die Genauigkeit; ein Ändern des Wertes des Widerstandes
(25) erlaubt es die gewünschten
Betriebsverhältnisse
zu bestimmen. Dies kann auf einfache Art bewerkstelligt werden durch
das Ersetzen des Widerstandes (25) oder durch das Hinzufügen von
verschiedenen Widerständen
(R1–RN) an den Ausgang der Messeinheit (2)
und die Verwendung der Schalter (S11–S1n), gesteuert durch die
Steuereinheit (90), um die richtige Wahl zu treffen. Die
Schalter (S11–S1n)
können
angebracht werden entweder zwischen dem Ausgang der Messeinheit
(2) und dem Widerstand (R1–RN) (8) oder
zwischen dem Widerstand (R1–RN) und die Erdungsverbindung (9).
Die Schalter sollen so ausgelegt sein, dass sie im eingeschalteten
Zustand einen niedrigen Widerstand haben, um die Messgenauigkeit
nicht zu beeinflussen.
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Eine
andere Alternative zur grundlegenden Struktur 2 besteht darin, die Überwachung
durch den Gebrauch eines ausgewählten
Widerstandes (25) programmierbar zu gestalten, in Funktion
der gewünschten
Genauigkeit und des Messbereiches, und durch die Gestaltung der
im Messteil (2) vorhandenen Stromspiegel (81, 82),
so dass sie verschiedene Spiegelstufen (CM1–CMN) umfassen, welche anwählbar sind, so wie dies in 10 dargestellt
ist. Da in diesem Fall nur Spannungen geschaltet werden, können einfache Übergangstorschalter
benutzt werden, um die Schaltvorgänge zu betätigen. Auf diese Weise konnte
eine Nichtlinearität,
welche durch die mit den Strom zu Spannungsmformwiderständen (R1–RN) verbundenen Schalter verursacht werden
könnte,
vermieden werden.
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Eine
weitere Alternative zur grundlegenden Struktur 2 besteht darin,
die Überwachung
programmierbar zu gestalten, dies in Funktion der Genauigkeit, des
Messbereiches und der Ladebedingungen von der gewünschten
Art, und zwar durch die Gestaltung der im Messteil (2)
vorhandenen Stromspiegel (81, 82) in der Weise,
dass derselbe verschiedene Spiegelstufen (CM1–CMN) umfasst, welche anwählbar sind, und einen Strom-zu-Spannungumformwiderstand
(R1–RN) und begleitenden Komparator (VC1–VCn), welche
an den Ausgang einer jeden Spiegelstufe angeschlossen sind, so wie
in 11 dargestellt. Durch die Wahl einer bestimmten
Spiegelstufe (CM1–CMN)
und des entsprechenden Komparators (VC1–VCn) wird eine bestimmte Überwachungskonfiguration
angewählt.
Da in diesem Fall nur Spannungen geschaltet werden, können einfache Übergangstorschalter
benutzt werden, um die Schaltvorgänge zu betätigen.
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Vergleich mit anderen,
auf diesem Gebiet bekannten Prüfsystemen
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Der
Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik wird in Funktion der
benutzten grundlegenden Konfiguration getätigt. Im Allgemeinen bietet
der hier vorgestellte Überwachungsstromkreis
eine verbesserte Genauigkeit, kombiniert mit einer Hochgeschwindigkeitsmessrate,
einer die kapazitive Ladung treibenden Fähigkeit, und einer Messungswiederholbarkeit
für einen
breiten Bereich von Betriebsbedingungen, mit einem vernachlässigbaren
Einfluss auf die DUT-Zufuhrspannung.
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Die
gemäß der ersten
grundlegenden Struktur verwirklichte Überwachung, so wie sie in der 1 gezeigt
wird, (unter Verwendung eines Stromkomparators) bietet eine weit
bessere Auflösung,
einen weit breiteren Messbereich und einen viel geringeren Spannungsabfall
während
der Messung als andere vergleichbare BIC-Überwachungen. Im Vergleich
zu [RUB] ist die erzielte Genauigkeit für den gleichen Messbereich
10 Mal besser und die Messrate ist unabhängig vom gemessenen Strom.
Die nachfolgende Tabelle vergleicht verschiedene früher veröffentliche Überwachungen
mit der hier vorgeschlagenen Überwachung.
Der Vergleich wird gemacht unter Berücksichtigung des Satzes der
folgenden aufgezählten
Merkmale:
- – Technik
der Implementierung
- – Empfindlichkeit
der Überwachung
- – Präzisionsarbeitsgebiet
- – Prüffrequenz
- – Angabe
der Art der Vorrichtung, welche gebraucht wird, um die Stromzufuhr
abzufühlen
- – Änderung
bei der Hochspannungszufuhr, falls ein schadhafter Strom gemessen
wird
- – Zahl
der benötigten
Eingangs-/Ausgangsstifte, um die Leistung der Überwachung zu gewährleisten
- – Gesamtfläche der Überwachung,
so wie in den als Referenz zitierten Veröffentlichungen angegeben.
-
Es
soll vermerkt werden, dass "keine
Angabe" bedeutet,
dass nicht über
den passenden Parameter im angegebenen Artikel berichtet worden
ist.
-
In
Vergleich zu anderen IDDQ-Überwachungsstomkreise,
wie zum Beispiel zu QuiC-Mon [Wal] und zu OCIMU [Man], werden ebenfalls
bessere Leistungen erreicht. QuiC-Mon v3.2 basiert auf dem Verfahren
nach Keating-Meyer
und erreicht Messraten im Bereich von 50 kHz–250 kHz für Ladekapazitäten im Bereich
von 1 bis 5 nF. Während
der Messung ist das DUT von der Spannungszufuhr abgeschaltet, die
Auflösung
beträgt 100
nA und der maximale Messbereich ist 25 μA.
-
Im
Vergleich hält
der hier vorgestellte Stromkreis die Kontrolle über die Spannungszufuhr zum
DUT aufrecht, gewährleistet
eine Auflösung,
die 10 Mal besser ist, besitzt einen viel breiteren Messbereich
und ergibt eine Messgeschwindigkeit, die für die gleichen Ladebedingungen
schneller ist.
-
Die
OCIMU-Schaltung benutzt einen Widerstand als Sensorelement und erreicht
eine maximale Messrate von 10 kHz für eine Ladekapazität von 2,2 μF. Die Überwachung
hat eine Auflösung
von 1 μA
für Ströme zwischen
1 μA–1 mA. Durch
eine Verringerung der Messgeschwindigkeit können für die gleiche kapazitive Ladung
bessere Auflösungen
erreicht werden. Die Auflösung
nimmt ebenfalls zu, unter Beibehaltung der Geschwindigkeit, für abnehmende
kapazitive Ladungen. Im Vergleich zum OCIMU, für eine kapazitive Ladung von
1 μF, ist
die Genauigkeit des hier vorgestellten Stromkreises 100 Mal besser
für Ströme im Bereich
von 0 bis 100 μA
bei einer nur 2 Mal langsameren Geschwindigkeit.
-
Falls
der Überwachungsstromkreis
gemäß der zweiten
grundlegenden Konfiguration ausgeführt wird, so wie in 2 gezeigt,
dann kann folgender Vergleich gezogen werden. Die vorgeschlagene Überwachung kann
benutzt werden entweder als eine Überwachung auf dem Chip oder
eine solche außerhalb
des Chips. Die Überwachung
erreicht Messgeschwindigkeiten im Bereich von 50 kHz–500 kHz
für kapazitive
Ladungen im Bereich von respektiv 3 μF–1 pF. Auflösung und Genauigkeit können ohne
Geschwindigkeitsverminderung verändert
werden durch Änderung
des Wertes des Strom-zu-Spannungumformwiderstandes und liegen im
Bereich von 100 nA–400
nA für
Strombereiche von 0 bis 190 μA
(100 nA Auflösung)
oder bis 940 μA
(400 nA Auflösung).
Die Umwandlung von Strom zu Spannung ist innerhalb von diesen Strombereichen
linear. Im Vergleich zu QuiC-Mon, kann der hier vorgestellte Stromkreis
viel höhere
kapazitive Ladungen fahren und weist einen viel breiteren Messbereich
bei vergleichbarer Genauigkeit auf. Im Vergleich zum OCIMU, ist
die Messgeschwindigkeit für
den gleichen kapazitiven Ladungsbereich 8 Mal besser, wobei die
Genauigkeit für
den gleichen Messbereich 2,5 Mal besser ist. Für einen kleineren Messbereich
ist die Genauigkeit sogar 5 Mal besser. Die gewünschte Genauigkeit und der
Messbereich können
auf einfache Weise geändert
werden ohne Einbusse von Geschwindigkeit und Verlust an kapazitiver
Aussteuerung.
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Verglichen
mit eingebauten Stromüberwachungen,
kann der hier vorgestellte Stromkreis Strombereiche messen ohne
die Gesamtheit der Überwachung
zu ändern.
Die möglichen
Messbereiche sind viel breiter und die Geschwindigkeit ist entweder
vergleichbar oder schneller und hängt nicht von Ladebedingungen
ab. Die Kennlinien der Strom-zu-Spannung-Umformungen sind linear,
was eine Kalibrierung der Überwachung einfach
macht.
-
Referenzen
-
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