TWI418804B - 具最小共模誤差的電壓感測測量單元 - Google Patents

具最小共模誤差的電壓感測測量單元 Download PDF

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TWI418804B TW097107924A TW97107924A TWI418804B TW I418804 B TWI418804 B TW I418804B TW 097107924 A TW097107924 A TW 097107924A TW 97107924 A TW97107924 A TW 97107924A TW I418804 B TWI418804 B TW I418804B
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Description

具最小共模誤差的電壓感測測量單元
本發明關於電壓感測測量電路(VSM)領域。
準確地測量電流是參數測試器的重要用途，特別是用於半導體裝置特徵的測試器。當高品質電壓感測測量單元(VSMU)用於待測裝置(DUT)時，通常使用的電流測量方法是感測與DUT的「高端」串聯的精密電阻器(Rnet)之跨壓壓降。美國專利7,098,648中揭示此一實施例。此方法雖然簡單且拓蹼上是方便的，但其在Rnet的共模跨壓隨著輸出(DUT)電壓變化時具有潛在缺點，造成變動的偏移誤差。
偏移誤差是重要的。舉例而言，高品質的差動放大器可以具有1/20,000的共模增益，意指10V的輸出電壓(Vout)時，則相對於Vout=0V，偏移電壓增加10/20,000V，或是500μV。假使測量到的Rnet的跨壓壓降僅為10mV(舉例而言，低電流範圍)，則所造成的相對誤差為5%，這對此類系統是不可接受的高。此外，舉例而言，假使Vout為100V時，則類似的電流將量測到50%的誤差。
發明揭示主要是當DUT置於相當接近力線時用於二端裝置的此議題。此外，相較於傳統的VSM電路，解決之道具有其它優點。
電壓感測測量(VSM)電路的特別配置在測量流經待測裝置(DUT)的電流時，即使橫跨寬廣範圍的輸出電壓時，仍能使共模誤差最小。由於電流測量是根據運算放大器或差動放大器的輸出電壓，以及，電路配置使得執行電流測量時運算放大器或差動放大器具有很低的共模輸入電壓，所以，電流IDUT不受共模誤差影響。
本發明實現即使橫跨寬廣範圍的輸出電壓時，仍能使共模誤差最小之電壓感測測量(VSM)電路的特別配置。此配置的實施例顯示於圖1中，其在操作上使共模誤差最小。如此，對於使用寬廣範圍的操作電壓之VSM電路，這是吸引人的配置。
參考圖1，在操作上，DUT 102的「高」節點104由運算放大器OpA2 106的輸出驅動，以及，來自DUT 102的「低」節點108之電流藉由開關SW 112閉接而在操作的應力模式期間被直接汲取至共同端(接地)110，而在操作的測量模式期間流經精密電阻器Rm 114。
電阻器R1 116及R2 118設定用於OA2 106的增益，而精密電阻器R3 120和R4 122形成電壓測量網路。
運算放大器OPA3 126的非反相輸入124耦合至DUT 102的「低」節點108，而運算放大器OpA3 126的輸出 128耦合至運算放大器OpA3 126的反相輸入130，以及耦合至運算放大器OpA2 106的非反相輸出132以及耦合至差動放大器DiffA1 136的非反相輸入134。
Vin是精密設定電壓，提供給差動放大器DiffA1 136的反相輸入138。Vmi提供給差動放大器DiffA1 136的非反相輸入134之電壓位準，與DUT 102電流成正比。這些電壓位準量值之間的關係可以以下述導式表示，其中，Vo1 是差動放大器DiffA1 136的輸出140的電壓位準，△V是DUT 102的低節點108的電壓位準：(1)V o 1 =△V-V off 3 -V off 1 -V in
從運算放大器的個別非反相至個別的非反相輸入測量偏壓電壓Voff1 、Voff2 、及Voff3 。
將(1)代入(2)並將項數重新安排：
其中，
從等式(5)可以看出圖1中所示的VSM電路的優點：亦即，由於當OpA3 126具有很低的共模輸入電壓(藉由設計而使△V保持低)時測量Vmi，所以，電流IDUT 不受 共模誤差影響。藉由審慎地選取運算放大器，則類似於Voff1 及Voff2 ，Voff3 可以很低(例如，<1.0mV)。此外，藉由將SW 112閉合(IDUT 流經SW 112)時的Vmi的值從SW 112斷開(IDUT 流經Rm 114)時取得的Vmi的值扣除，可以將偏移誤差幾乎降至零。
在替代實施例中，圖1的電路的部份150被修改。在修改的部份中，運算放大器OpA3 126不存在但提供相當高品質的差動放大器(例如如同差動放大器DiffA1 136)，以致於在操作上可以取得單一的Vmi測量而非二個連續測量(藉由開關SW112斷開及閉合)以及如上述的後續扣除。由於取得一個測量而非二個測量的操作，結果，可以降低熱雜訊誤差50%。
圖2概要地顯示根據替代實施例，圖1電路的部份150被修改，包含差動放大器DiffA3 202取代圖1電路的運算放大器OpA3 126。注意，即使根據圖2替代實施例的配置(包含差動放大器DiffA3 202)，仍然有一些偏移，所以，希望在零電壓時(亦即，開關SW 112閉合)執行差動放大器DiffA3 202的電壓輸出，以便測量偏移及當使用上述等式(5)計算IDUT 時補償Vmi的值中的偏移。
此外，可以相當容易地實施多增益能力。由於很多高精度數位對類比轉換器(DAC)受限於|2.0V|(亦即，|Vin|≦2.0V)，所以，多增益能力是有用的。為了取得|Vmax|=10V，舉例而言，將使用增益5，而100V能力將使用增益50。為了使所有範圍保持高的電壓解析度，多增益能 力是有用的。
為了取得此能力，VSM電路可以使用差分比R2/R1，而於測量相關電流時無共模誤差。舉例而言，保持R1=R2造成單一增益以及DUT電壓VDUT =Vin (亦即，受限於Vin(max)或約+/-2.0V)。關於另一實施例，當R2=50R1時，VDUT =50Vin 。注意，偏移誤差也會隨著增益增加而而，最壞的情形，偏移誤差|Verr|從單一增益的4|Voff(max)|增加至增益50的約200|Voff(max)|(參考上述等式(6))。但是，在這些偏移誤差通常不應被忽視時，偏移誤差主要受溫度影響的事實藉由對VDUT 在Vin=0以及當SW對IDUT 開啟(短路或接地)時的初始測量，相當容易地幾乎消除這些偏移誤差。
VSM電路的另一優點是連接至電位高電壓節點的少量元件(R1 116、R2 118、OpA2 106)。特別地，三個主動元件中的二個DiffA1 136及OpA3 126在低壓下操作。由於在主動積體電路中通常不容易取得高供應電壓及高性能(亦即，低偏移電壓及低雜訊)，所以，這是顯著的。
而且，接近Opa2 106(DUT 102的「高」節點104)未具有靈敏測量意指無需對測量電路中導因於高共同節點電壓的漏電特別保護。相反地，由於藉由設計以將點△V(DUT 102的低節點108)的電壓保持低，所以，即使在OpA3 136的非反相輸入124與Rm之間(電流測量電路)的線長，也不會影響VDUT 或僅有些微影響。此外，即使小部份的IDUT 在流入Rm之前延著此線而漏至接地時，其 僅有的影響類似於Voff3的變化--可以完全被考慮或消除的變化。
最後，假使需要電壓驗證或監視，則可以容易地使用簡單的衰減器[R4/(R3+R4)](亦即，使用電阻器R3 120及R4 122)(圖1)，而不會影響IDUT 及其測量準確性。
102‧‧‧待測裝置(DUT)
104‧‧‧高節點
OpA2 106‧‧‧運算放大器
107‧‧‧輸出
108‧‧‧低節點
110‧‧‧接地
SW 112‧‧‧開關
Rm 114‧‧‧精密電阻器
R1 116‧‧‧電阻器
R2 118‧‧‧電阻器
R3 120‧‧‧電阻器
R4 122‧‧‧電阻器
124‧‧‧非反相輸入
OpA3 126‧‧‧運算放大器
128‧‧‧輸出
130‧‧‧反相輸入
131‧‧‧反相輸入
132‧‧‧非反相輸入
134‧‧‧非反相輸入
DiffA1 136‧‧‧差動放大器
138‧‧‧反相輸入
140‧‧‧輸出
150‧‧‧電路的部份
DiffA3 202‧‧‧差動放大器
204‧‧‧非反相輸入
206‧‧‧反相輸入
208‧‧‧輸出
圖1顯示共模誤差最小化的電壓感測測量(VSM)電路的特別配置。
圖2顯示圖1配置的替代配置。
102‧‧‧待測裝置(DUT)
104‧‧‧高節點
OpA2 106‧‧‧運算放大器
107‧‧‧輸出
108‧‧‧低節點
110‧‧‧接地
SW 112‧‧‧開關
Rm 114‧‧‧精密電阻器
R1 116‧‧‧電阻器
R2 118‧‧‧電阻器
R3 120‧‧‧電阻器
R4 122‧‧‧電阻器
124‧‧‧非反相輸入
OpA3 126‧‧‧運算放大器
128‧‧‧輸出
130‧‧‧反相輸入
131‧‧‧反相輸入
132‧‧‧非反相輸入
134‧‧‧非反相輸入
DiffA1 136‧‧‧差動放大器
138‧‧‧反相輸入
140‧‧‧輸出
150‧‧‧電路的部份

Claims (14)

  1. 一種電壓感測測量單元(VSMU)電路，配置成測量通過待測裝置(DUT 102)的電流，該待測裝置具有第一端(高節點104)及第二端(低節點108)，該電壓感測測量單元電路包括：精密電阻器Rm 114；及第一運算放大器(OpA2 106)，配置有輸出(107)以驅動該待測裝置102的高節點104；其中，該電壓感測測量單元電路可配置成使電流從該待測裝置102的該低節點108流入經由精密電阻器(Rm 114)而至共同端；該電壓感測測量單元電路又包括：第二運算放大器(OpA3 126)，具有非反相輸入(124)及反相輸入(130)，該非反相輸入(124)配置成連接至該待測裝置(102)的低節點(108)，該反相輸入(130)配置成連接至第二運算放大器(OpA 126)的輸出(128)及第一運算放大器(OpA2 106)的非反相輸入(132)；及差動放大器(DiffA 136)具有非反相輸入(134)、反相輸入(138)、及輸出，該非反相輸入(134)連接至該第二運算放大器(OpA3 126)的輸出128，該反相輸入(138)係連接以接收精密設定電壓(Vin)，該輸出耦合至第一運算放大器(OpA2 106)的反相輸入(131)。
  2. 如申請專利範圍第1項之電壓感測測量單元電 路，其中：該電壓感測測量單元電路配置成可選擇地切換第二運算放大器(OpA3 126)的該非反相端(124)至直接連接至該共同端且不經由該精密電阻器(Rm 114)。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之電壓感測測量單元電路，又包括：衰減電路，連接於第一運算放大器的該輸出與該共同端之間。
  4. 一種測量流經待測裝置(DUT 102)的電流之方法，包括：將該待測裝置連接至該電壓感測測量單元(VSMU)電路，該待測裝置具有第一端(高節點104)及第二端(低節點108)，該電壓感測測量單元電路包括：精密電阻器Rm 114；及第一運算放大器(OpA2 106)，配置有輸出(107)以驅動該待測裝置102的高節點104；其中，該電壓感測測量單元電路可配置成使電流從該待測裝置102的該低節點108流入經由精密電阻器(Rm 114)而至共同端；該電壓感測測量單元電路又包括：第二運算放大器(OpA3 126)，具有非反相輸入(124)及反相輸入(130)，該非反相輸入(124)連接至該待測裝置(102)的低節點(108)，該反相輸入(130)配置成連接至該第二運算放大器(OpA 126)的輸 出(128)及第一運算放大器(OpA2 106)的非反相輸入(132)：差動放大器(DiffA 136)具有非反相輸入(134)、反相輸入(138)、及輸出，該非反相輸入(134)連接至該第二運算放大器(OpA3 126)的輸出128，該反相輸入(138)係連接以接收精密設定電壓(Vin)，該輸出耦合至第一運算放大器(OpA2 106)的反相輸入(131)；該方法又包括：在第二運算放大器(OpA3 126)的輸出(128)取得第一電壓測量；及處理第一電壓測量以決定通過該待測裝置的電流。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中：第一電壓測量為Vmi，該精密電阻器(Rm 114)的值為Rm，以及第二運算放大器(OpA3 126)的非反相端(124)與第二運算放大器(OpA3 126)的反相端(130)之間的偏移電壓是Voff3；以及處理第一電壓測量以決定通過該待測裝置的電流IDUT 是否與下述等式一致：
  6. 如申請專利範圍第4或5項之方法，又包括：以第二運算放大器(OpA3 126)的非反相端124選擇成直接連接至該共同端且不經由該精密電阻器(Rm 114)，以在第二運算放大器(OpA3 126)的輸出(128)取得第二電壓測量， 其中，該處理第一測量以決定通過該待測裝置的電流之步驟包含也處理第二測量以決定通過該待測裝置的電流。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中：處理第一電壓測量及第二電壓測量以決定通過該待測裝置的電流包含將第二電壓測量從第一電壓測量扣除以決定電壓Vmi；該精密電阻器(Rm 114)的值為Rm，以及第二運算放大器(OpA3 126)的非反相端(124)與第二運算放大器(OpA3 126)的反相端(130)之間的偏移電壓是Voff3；及處理第一電壓測量以決定通過該待測裝置的電流IDUT 是否與下述等式一致：
  8. 一種電壓感測測量單元(VSMU)，配置成測量通過待測裝置(DUT 102)的電流，該待測裝置具有第一端(高節點104)及第二端(低節點108)，該電壓感測測量單元包括：精密電阻器Rm 114；第一運算放大器(OpA2 106)，配置有輸出(107)以驅動該待測裝置102的高節點104；其中，該電壓感測測量單元又可配置成使電流從該待測裝置102的該低節點108流入而經由精密電阻器(Rm 114)至共同端； 該電壓感測測量單元又包括：第一差動放大器(DiffAmp3 202)，具有非反相輸入(204)、反相輸入(130)及輸出(208)，該非反相輸入(204)配置成連接至該待測裝置(102)的低節點(108)，該反相輸入(206)連接至該共同端，該輸出(208)連接至第一運算放大器(OpA2 106)的非反相輸入(132)；第二差動放大器(DiffA 136)具有非反相輸入(134)、反相輸入(138)、及輸出，該非反相輸入(134)連接至第一差動放大器(DiffAmp3 202)的該輸出208，該反相輸入(138)係連接以接收精密設定電壓(Vin)，該輸出耦合至第一運算放大器(OpA2 106)的反相輸入(131)。
  9. 如申請專利範圍第8項之電壓感測測量單元，其中：該電壓感測測量單元電路配置成可選擇地切換第一差動放大器(DiffAmp3 202)的該非反相輸入(204)至直接連接至該共同端且不經由該精密電阻器(Rm 114)。
  10. 如申請專利範圍第8或9項之電壓感測測量單元，又包括：衰減電路，連接於第一運算放大器的該輸出與該共同端之間。
  11. 一種測量流經待測裝置(DUT 102)的電流之方法，包括： 將該待測裝置連接至該電壓感測測量單元(VSMU)電路，該待測裝置具有第一端(高節點104)及第二端(低節點108)，該電壓感測測量單元電路包括：精密電阻器Rm 114；第一運算放大器(OpA2 106)，配置有輸出(107)以驅動該待測裝置102的高節點104；其中，該電壓感測測量單元又可配置成使電流從該待測裝置102的該低節點108流入而經由精密電阻器(Rm 114)至共同端；該電壓感測測量單元又包括：第一差動放大器(DiffAmp3 202)，具有非反相輸入(204)、反相輸入(206)及輸出(208)，該非反相輸入(204)連接至該待測裝置(102)的低節點(108)，該反相輸入(206)連接至該共同端，該輸出(208)連接至第一運算放大器(OpA2 106)的非反相輸入(132)；第二差動放大器(DiffA 136)具有非反相輸入(134)、反相輸入(138)、及輸出，該非反相輸入(134)連接至第一差動放大器(DiffAmp3 202)的該輸出208，該反相輸入(138)係連接以接收精密設定電壓(Vin)，該輸出耦合至第一運算放大器(OpA2 106)的反相輸入(131)；及該方法又包括：在第一差動放大器(DiffA3 202)的輸出(208)取得第一電壓測量；及 處理第一電壓測量以決定通過該待測裝置的電流。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中：第一電壓測量為Vmi，該精密電阻器(Rm 114)的值為Rm，以及第一差動放大器(DiffA3 202)的非反相端(204)與第一差動放大器(DiffA3 202)的反相端(206)之間的偏移電壓是Voff3 ；以及處理第一電壓測量以決定通過該待測裝置的電流IDUT 是否與下述等式一致：
  13. 如申請專利範圍第11或12項之方法，又包括：以第一差動放大器(DiffA3202)的非反相端(204)選擇成直接連接至該共同端且不經由該精密電阻器(Rm 114)，以在第一差動放大器(DiffA3 202)的輸出(208)取得第二電壓測量，其中，該處理第一測量以決定通過該待測裝置的電流之步驟包含也處理第二測量以決定通過該待測裝置的電流。
  14. 如申請專利範圍第13項之方法，其中：處理第一電壓測量及第二電壓測量以決定通過該待測裝置的電流包含將第二電壓測量從第一電壓測量扣除以決定電壓Vmi；該精密電阻器(Rm 114)的值為Rm，以及第一差動放大器(DiffA3 202)的非反相端(204)與第一差動放大器(DiffA3 202)的反相端(206)之間的偏移電壓是 Voff3 ；及處理第一電壓測量以決定通過該待測裝置的電流IDUT 是否與下述等式一致：
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