TWI603097B - 主動式分流電流計設備及方法 - Google Patents

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Description

主動式分流電流計設備及方法
本發明一般關於電子測量設備，尤其是一種用於測量電流的主動式分流電流計。
在許多領域中會使用來源測量單元(SMU)來進行精確的測量，包括測試半導體產品。例如，美國專利第5,039,934號說明一種這類裝置，且在美國專利第5,144,154號中說明這類裝置中的範圍改變，這兩者都藉由引用其整體來併入本文。典型的SMU設計包括具有整合電壓和電流測量能力的電壓或電流源。受測裝置(DUT)係耦接至SMU，且接著以電壓或電流源激起。
有數種可測量流過DUT之電流的方式。例如，分流電流計可用以簡單地感測跨電阻器Rs之電壓。Rs必須保持得很小，才不會對輸入信號造成很大的負擔電壓。需要低雜訊增益級來放大負擔電壓，如此能測量它。
反饋電流計使用高增益op-amp以透過電阻器Rs來拉取輸入電路。op-amp因為它的高dc增益(通常大於一百 萬)所以將負擔電壓保持得很低。這允許Rs更大，允許輸出信號更大。然而，op-amp高增益開始在相對較低的頻率下衰減。這同樣會導致負擔電壓以較高頻率增加。若輸入是電容的，則會導致反饋電流計振鈴或甚至振盪。希望能提出解決這些問題之增進的電流計配置。
揭露一種用於測量流過一受測裝置(DUT)之電流的主動式分流電流計及方法。主動式分流電流計包括一輸入，配置以接收具有一頻帶內之一頻率並表現流過DUT之電流的一輸入信號。輸出係配置以產生表現流過DUT之電流的一輸出電壓。主動式分流電流計亦包括一增益電路，具有一放大器，具有相應於頻帶內之頻率而改變的一增益特性、及一反饋元件，具有從增益電路之輸出耦接至增益電路之負輸入的一阻抗，反饋元件阻抗係配置以隨著頻率而改變以與放大器增益特性相關聯，使得超過頻帶之放大器增益所分出的反饋元件阻抗具有最小頻率依賴性。
放大器可具有一平行RC反饋元件。放大器可以是具有耦接於一負輸入端與一輸出端之間之一平行RC反饋元件的一差動放大器。增益電路可具有一輸入阻抗，其基於增益特性和反饋元件阻抗而在跨放大器的整個頻寬通常保持不變。放大器可具有跨反饋元件之一控制的負增益。放大器可具有由一電阻比設定之增益的一反向級。放大器可具有在兩個運算放大器(op-amp)之間分開之增益。跨反 饋元件的電壓係由一電阻比緩衝和減弱。放大器可具有一輸入op-amp，其具有置於其反饋路徑的增益。
也揭露一種測量流過一受測裝置(DUT)之電流的方法，方法包括接收具有一頻帶內之一頻率並表現流過DUT之電流的一輸入信號。產生一輸出電壓，輸出電壓表現流過DUT之電流。提供一增益電路。增益電路具有一放大器，其具有相應於頻帶內之頻率而改變的一增益特性、及一反饋元件，具有從增益電路之一輸出耦接至增益電路之一負輸入的一阻抗，反饋元件阻抗係配置以隨著頻率而改變以與放大器增益特性相關聯，使得超過頻帶之放大器增益所分出的反饋元件阻抗具有最小頻率依賴性。
放大器可具有一平行RC反饋元件。放大器可以是具有耦接於一負輸入端與一輸出端之間之一平行RC反饋元件的一差動放大器。增益電路可具有一輸入阻抗，其基於增益特性和反饋元件阻抗而在跨放大器的整個頻寬通常保持不變。放大器可具有跨反饋元件之一控制的負增益。放大器可具有由一電阻比設定之增益的一反向級。放大器可具有在兩個運算放大器(op-amp)之間分開之增益。跨反饋元件的電壓可由一電阻比緩衝和減弱。放大器可具有一輸入op-amp，其具有置於其反饋路徑的增益。
10‧‧‧分流電流計
12‧‧‧增益級
Rs‧‧‧電阻器
20‧‧‧反饋電流計
22‧‧‧運算放大器
30‧‧‧主動式分流電流計
32‧‧‧RC反饋元件
34‧‧‧電阻器
36‧‧‧電容器
38‧‧‧固定增益放大器
40‧‧‧運算放大器
42‧‧‧運算放大器
52‧‧‧目標頻率
Zin‧‧‧輸入阻抗
ωt‧‧‧增益頻寬
58‧‧‧固定增益放大器
C2‧‧‧電容
R1‧‧‧電阻器
R2‧‧‧電阻器
50‧‧‧主動式分流電流計設計
70‧‧‧主動式分流電流計設計
78‧‧‧固定增益放大器
80‧‧‧運算放大器
82‧‧‧運算放大器
90‧‧‧主動式分流電流計設計
98‧‧‧固定增益放大器
110‧‧‧主動式分流電流計設計
118‧‧‧固定增益放大器
122‧‧‧運算放大器
第1A圖係配置以簡單地感測跨電阻器Rs之電壓的分流電流計之基本圖； 第1B圖係配置有高增益op-amp以透過電阻器Rs來拉取輸入電路之反饋電流計之基本圖；第2A圖係使用跨平行RC反饋元件之一控制的負增益之主動式分流電流計設計；第2B圖係顯示第2A圖之主動式分流電流計的固定增益放大器之增益B(s)的圖；第3圖係具有使用其中反向增益由一電阻比設定之反向級來建構的固定增益放大器之主動式分流電流計設計；第4圖係具有其中在兩個op-amp之間分開之增益的固定增益放大器之主動式分流電流計設計；第5圖係具有其中跨分流的電壓由一電阻比緩衝和略為減弱的固定增益放大器之主動式分流電流計設計；第6圖係具有其中輸入op-amp具有置於其反饋路徑的一微小增益的固定增益放大器之主動式分流電流計設計。
本文之揭露一般關於電子測量設備，尤其是一種用於測量電流的主動式分流電流計。這類電流計通常是包括數位萬能表(DMM)和來源測量單元(SMU)之測量產品的子元件。有數種可測量流過一受測裝置(DUT)之電流的方式。第1A圖係配置以簡單地感測跨電阻器Rs之電壓的分流電流計10之基本圖。Rs必須保持得很小，才不會對輸入信號造成很大的負擔電壓。低雜訊增益級12放大 負擔電壓，如此能測量它。
第1B圖係配置有高增益op-amp以透過電阻器Rs來拉取輸入電路之反饋電流計20之基本圖。運算放大器(op-amp)22因為它的高dc增益(通常大於一百萬)所以將負擔電壓保持得很低。這允許Rs更大，允許輸出信號更大。然而，op-amp高增益開始在相對較低的頻率下衰減。這同樣會導致負擔電壓以較高頻率增加。若輸入是電容的，則會導致反饋電流計振鈴或甚至振盪。
主動式分流電流計設計解決這些問題。主動式分流電流計配置通常取代在具有固定增益放大器之反饋電流計中使用的op-amp。結果是對較高頻率保持不變的增益。在放大器開始衰減的頻率下，電容器阻抗(1/j ω Cs)被設計為等於Rs。與放大器之增益之衰減結合的Rs和Cs之平行阻抗之衰減造成在跨放大器的整個頻寬保持不變之電流計的輸入阻抗。結果是具有比傳統分流電流計更高輸出信號vs.負擔電壓之分流型的電流計且對於反饋電流計沒有穩定性的問題。
第2A圖係使用跨平行RC反饋元件32之一控制的負增益之主動式分流電流計設計30，使得電路的輸入阻抗是等於R除以增益的電阻。在本實例中，主動式分流電流計30包括具有連接於固定增益差動放大器38的負輸入與輸出端之間之平行電阻器34和電容器36的固定增益差動放大器38。選擇電阻器34和電容器36的RC乘積等於除以固定增益的放大器之增益頻寬。
第2B圖係顯示固定增益放大器38及其他參數之增益B(s)的圖。一般來說，固定增益放大器38的增益B(s)(由參考號碼50所示)從DC直到目標頻率52基本上保持不變。當達到目標頻率52時，固定增益放大器38的增益B(s)衰減，例如，以每十單位衰減20db。在本實例中，第2A圖之運算放大器40具有遠高於B(s)的增益A(s)。然而，運算放大器42當作為固定增益放大器38產生複合增益B(s)之反饋路徑中的反向器。這種配置提供了跨平行RC反饋元件34、36之一控制的負增益，使得電路的輸入阻抗是等於Rs除以增益的電阻。
在第2A圖中，ωt是運算放大器40的增益頻寬。同樣顯示在第2A圖中的是電阻器34(Rs)的電阻，其跨所示之頻率範圍保持不變。同樣顯示在第2A圖中的是主動式分流電流計30的輸入阻抗Zin。一般來說，配置以顯著低於Rs且在頻率本質上似乎是電阻性的輸入阻抗Zin會等於或大於ωt。在本實例中：Zin=Rs * (R1/(R1+R2))，Cs~R2/(ωt*Rs*R1)且R2>>R1。
若反饋元件32只是電阻性的，即，省略電容器36，則輸入阻抗Zin在目標頻率52之後會隨著頻率而增加。可選擇電容器36的阻抗等於在目標頻率52下之電阻器的阻抗。這會導致反饋元件32的阻抗在運算放大器40開始衰減的相同頻率下下降。這種配置產生平坦的輸入阻抗，其在目標頻率52之後不會衰減，如第2B圖所示。
應了解固定增益放大器可以數種配置來實作。第3圖 係具有使用反向級來建構的固定增益放大器58之主動式分流電流計設計50，其中反向增益設為R2/R1。電容C2係跨電阻器R1、R2增加以將反向增益減少為在輸入緩衝器正開始衰減接近ωt之頻率下的反向增益。在本實例中：Zin=Rs * (R1/R2)且C2~1/(ωt*R1b)=Rs * Cs/R2b。
第4圖係具有固定增益放大器78之主動式分流電流計設計70，其中增益在op-amp 80、82之間分開。在本實例中：Zin=Rs * (R1a * R1b)/(R2a * R2b)且Cs~1/(ωt*R1)=(Rs * Cs)/R2。
第5圖係具有固定增益放大器98之主動式分流電流計設計90，其中跨分流的電壓由一電阻比R2/(R1+R2)緩衝和略為減弱。一般來說，衰減的信號被緩衝且驅動低輸入端。在本實例中：Zin=Rs * (R1/(R1+R2))。
第6圖係具有固定增益放大器118之主動式分流電流計設計110，其中輸入op-amp 122具有置於其反饋的一微小增益。這會導致輸入op-amp成為一緩衝器，其輸出略低於R2/(R1+R2)。在本實例中：Zin=Rs * (R1/(R1+R2))。
應了解基於本文之揭露，許多變化是可能的。雖然以上在特定組合中說明了特徵和元件，但每個特徵或元件能單獨使用而無需其他特徵和元件或在有或沒有其他特徵和元件的各種組合中。
30‧‧‧主動式分流電流計
36‧‧‧電容器
Rs‧‧‧電阻器
32‧‧‧RC反饋元件
34‧‧‧電阻器
Zin‧‧‧輸入阻抗
38‧‧‧固定增益放大器
42‧‧‧運算放大器
R1‧‧‧電阻器
40‧‧‧運算放大器
R2‧‧‧電阻器
B(s)‧‧‧控制之增益放大器

Claims (16)

  1. 一種用於測量流過受測裝置(DUT)之電流的主動式分流電流計，該主動式分流電流計包含：輸入，配置以接收具有頻帶內之頻率並表現流過該DUT之電流的輸入信號；輸出，配置以產生表現流過該DUT之電流的輸出電壓；以及增益電路，具有放大器，具有相應於該頻帶內之頻率而改變的增益特性、及平行RC反饋元件，具有從該增益電路之輸出耦接至該增益電路之負輸入的阻抗，該平行RC反饋元件的該阻抗係配置以隨著頻率而改變以與該放大器增益特性相關聯，該放大器的特徵在於衰減頻率，以及在該放大器的該衰減頻率，該平行RC反饋元件中之電阻元件的阻抗係實質上與該平行RC反饋元件中之電容元件的阻抗相同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中該放大器係為具有耦接於負輸入端與輸出端之間之該平行RC反饋元件的差動放大器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中該增益電路具有輸入阻抗，其基於該增益特性和該平行RC反饋元件的該阻抗而在該放大器的整個頻寬保持基本上不變。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中該放大器具有跨該平行RC反饋元件之控制的負增 益。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中該放大器具有由電阻比設定之增益的反向級。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中該放大器具有在兩個運算放大器(op-amp)之間分開之增益。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中跨該平行RC反饋元件的電壓係由電阻比緩衝和減弱。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之主動式分流電流計，其中該放大器具有輸入op-amp，其具有置於其反鏡路徑的增益。
  9. 一種用於測量流過受測裝置(DUT)之電流的方法，該方法包含：接收具有頻帶內之頻率並表現流過該DUT之電流的輸入信號；產生表現流過該DUT之電流的輸出電壓；以及提供增益電路，具有放大器，其具有相應於該頻帶內之頻率而改變的增益特性、及平行RC反饋元件，具有從該增益電路之輸出耦接至該增益電路之負輸入的阻抗，該平行RC反饋元件的該阻抗係配置以隨著頻率而改變以與該放大器增益特性相關聯，該放大器的特徵在於衰減頻率，以及在該放大器的該衰減頻率，該平行RC反饋元件中之電阻元件的阻抗係實質上與該平行RC反饋元件中之 電容元件的阻抗相同。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該放大器係為具有耦接於負輸入端與輸出端之間之平行RC反饋元件的差動放大器。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該增益電路具有輸入阻抗，其基於該增益特性和該平行RC反饋元件的該阻抗而在該放大器的整個頻寬保持基本上不變。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該放大器具有跨該平行RC反饋元件之控制的負增益。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該放大器具有由電阻比設定之增益的反向級。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該放大器具有在兩個運算放大器(op-amp)之間分開之增益。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中跨該平行RC反饋元件的電壓係由電阻比緩衝和減弱。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該放大器具有輸入op-amp，其具有置於其反饋路徑的增益。
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