TWI603098B - 以電源量測單元之低頻阻抗測量 - Google Patents

以電源量測單元之低頻阻抗測量 Download PDF

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Description

以電源量測單元之低頻阻抗測量
本發明係有關阻抗之測量，尤係有關低頻下的高阻抗之測量。
極高阻抗的量測可能會造成困難。這是因為所涉及的阻抗高到使被施加到待測裝置(Device Under Test；簡稱DUT)之電壓非常高，且/或使所產生的電流相當小。例如，使用太高的電壓時，可能導致裝置崩潰，或甚至造成弧擊穿(arcing)。在電容之情形中，低頻會使問題惡化，這是因為阻抗係與頻率成負相關。
電源量測單元(Source Measure Unit；簡稱SMU)由於其能夠極精確地供應直流電壓信號且量測所產生的直流電流信號(或供應直流電流信號且量測所產生的直流電壓信號)，因而是精密直流電量測領域中習知的。例如，可購得能夠選擇性地供應自一微伏或更低至一千伏或更高的直流電壓且量測自一微微微安(attoampere)或更小至一安培或更大的直流電流(或供應該直流電流且測量該直流電壓)之SMU。在直流量測體制中，此種SMU可量測極高的阻抗(亦即，R=V/I)。
一種量測具有小於1微微法拉的電容的DUT的阻抗 之方法包含下列步驟：將一電壓或電流信號施加到該DUT，該電壓或電流信號包含一具有小於1千赫的非零頻率之交流分量(AC component)；分別監視回應該電壓或電流信號而通過該DUT之一電流或電壓信號；將該電壓信號及該電流信號同步地數位化；以及自該被數位化之電壓及電流信號計算該阻抗。
請參閱第1圖，一量測組態10包含被連接到一待測裝置(DUT)30的一理想化電源量測單元(SMU)12之一例子。一可調電壓源14將電壓V1提供給一運算放大器16之非反相輸入端。電阻18(R)提供之回饋迴路(feedback loop)強制使運算放大器16之反相輸入端也為V1之值。請注意，該回饋迴路也是流經DUT 30的電流I之來源。因此，跨越電阻18的電壓降與流經DUT 30的電流成正比(亦即，VR=IR或I=VR/R)。
緩衝放大器20將經過緩衝的該電壓V1(該電壓V1是跨越DUT 30的電壓之值)提供給控制及量測部分22，且緩衝放大器24將係為流經DUT 30的電流乘以一比例(R)之經過緩衝的該電壓VR提供給控制及量測部分22。控制及量測部分22也控制可調電壓源14的該所需電壓V1。
控制及量測部分22包含量測電壓V1及電流I的值且將該等值數位化之能力。控制及量測部分22也控制可調 電壓源14之該所需值V1。
雖然本質上是一直流裝置，但是SMU 12幸運地包含調整可調電壓源14的值V1之能力。在SMU 12的該等回饋迴路之頻寬限制內，控制及量測部分22可週期性地變化V1之值，而產生一交流信號。SMU 12之該頻寬限制通常是1千赫或更小。因而可讓SMU 12供應諸如1千赫或更小之對應的正弦交流電壓信號。
為了在這些低頻下量測主要具有小電容(例如，1微微法拉或更小的電容)的一DUT 30之阻抗，將該週期性地變化之電壓信號V1施加到DUT 30，且監視流經DUT 30之電流信號I。控制及量測部分22將該電壓信號及該電流信號同步地數位化，以便可計算出DUT 30之阻抗。這是一複合值，其中不只是包括諸如電容分量，而且也包括非理想電容裝置通常具有之電阻分量。
在1千赫的頻率、1微微法拉的電容、以及標稱上為1千伏的電壓信號之例子中，電容性阻抗將是大約160百萬歐姆，且電流將是大約6微安。考慮到SMU 12能夠量測微微微安，所以可得知能夠在不利用過高電壓之情形下量測極低的頻率及極高的阻抗。
控制及量測部分22可利用諸如通常使用快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform；簡稱FFT)演算法實施之離散傅利葉轉換(Discrete Fourier Transform；簡稱DFT)等的技術有利地自該等被數位化的電壓及電流計算阻抗。
在真實世界之操作中，量測組態10可能稍微受到與DUT 30平行的雜散阻抗(stray impedance)(例如，SMU輸出阻抗、纜線漏電流、測試及夾具阻抗)的影響。請參閱第2圖，可以使用兩個SMU 12、12'之量測組態10'得到改善的效能。
SMU 12將一交流電壓分量施加到DUT 30，且SMU 12'提供了該交流分量疊加在其上之一直流偏壓信號。此種方式迫使所有交流信號的回傳經由該DUT而流到SMU 12'。因此，跨越該DUT而量測之電壓以及SMU 12'量測之電流可被用來作為因DUT 30的阻抗而產生的信號之一精確表示法。該等各別的控制及量測部分22、22'相互通訊，且仍然可將DFT用來執行阻抗計算。跨越DUT 30之電壓是V11-V12，且流經DUT 30之電流是VR2/R2。
可延伸第2圖之組態，而提供同時的多接腳電容量測。例如，請參閱第3圖，可將SMU 12用來將一交流電壓信號分量提供給DUT 30'，且SMU 12'、SMU 12"、及SMU 12'''可分別提供DUT 30'上的各別測試點之直流偏壓，並且量測流經DUT 30'且在SMU 12與該各別測試點間之電流。該等各別的SMU控制及量測部分被互連(A)。然後可以前文所述之方式計算該等各別的阻抗。
請注意，因為電壓及電流之雙重性，所以可不施加電壓且量測電流，而是施加電流且量測電壓，因而產生了對該DUT的阻抗之量測。因為SMU被設計成可替換地供應電壓且量測電流、或供應電流且量測電壓，所以SMU特 別適用於此類應用。
本發明之揭示顯然是舉例之方式，且可在不脫離本發明之揭示所含的教學之範圍下，藉由增添、修改、或取消一些細節，而作出各種改變。因此，除了必須受到最後的申請專利範圍的限制之外，本發明將不受本發明之揭示的特定細節之限制。
10,10'‧‧‧量測組態
12,12',12",12'''‧‧‧電源量測單元
30,30'‧‧‧待測裝置
14‧‧‧可調電壓源
16‧‧‧運算放大器
18‧‧‧電阻
20,24‧‧‧緩衝放大器
22,22'‧‧‧控制及量測部分
第1圖是用來執行本發明的一觀點的一量測組態的一例子之一示意圖；第2圖是用來執行本發明的另一觀點的一量測組態的另一例子之一示意圖；以及第3圖是用來執行本發明的又一觀點的一量測組態的又一例子之一示意圖。
10‧‧‧量測組態
12‧‧‧電源量測單元
30‧‧‧待測裝置
14‧‧‧可調電壓源
16‧‧‧運算放大器
18‧‧‧電阻
20,24‧‧‧緩衝放大器
22‧‧‧控制及量測部分

Claims (11)

  1. 一種量測待測裝置(DUT)之複數阻抗的方法，該DUT具有電阻分量以及小於1微微法拉的電容分量，該方法包含：將由電源測量單元產生之電壓信號施加到該DUT，該電壓信號由在該電源測量單元中之可調整直流電壓源所提供，其以小於該電源測量單元之頻寬限制的非零頻率周期性的變化，使得該電壓信號包含具有非零頻率之交流分量；連續地監視回應該電壓信號而流經該DUT之一電流信號；將該電壓信號及該電流信號的線性表示同步地數位化；以及自該被數位化之電壓信號及電流信號計算該複數阻抗，其中該電源測量單元的頻寬限制是由在該電源測量單元的感測回饋迴路決定。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電源量測單元將該電壓信號數位化。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電源量測單元執行該數位化。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該計算包括由控制器執行之快速傅立葉轉換(FFT)或離散傅利葉轉換(DFT)計算。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該電源測量單元的頻寬限制是1kHz。
  6. 一種量測待測裝置(DUT)之複數阻抗的方法，該DUT具有電阻分量以及小於1微微法拉的電容分量，該方法包含：從電源測量單元施加流經該DUT之電流信號，該電流信號由在該電源測量單元之可調整直流電壓源所對應提供，其以小於該電源測量單元的頻寬限制之非零頻率周期性的變化，使得該電流信號包含具有非零頻率之交流分量；連續地監視回應該電流信號而跨越該DUT之電壓信號；將該電壓信號及該電流信號之線性表示同步地數位化；以及自該被數位化之電壓信號及電流信號計算該複數阻抗，其中該電源測量單元的頻寬限制是由在該電源測量單元的感測回饋迴路決定。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該電源量測單元將該電流信號數位化。
  8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該電源量測單元執行該數位化。
  9. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該計算包括由控制器執行之FFT或DFT計算。
  10. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該電源測量 單元的頻寬限制是1kHz。
  11. 一種量測待測裝置(DUT)之阻抗的方法，該DUT具有小於1微微法拉的電容，該方法包含：施加由第一電源測量單元產生流經該DUT之電壓信號，該電壓信號包含小於1kHz的非零頻率之交流分量；以第二電源測量單元監視回應該電壓信號而流經該DUT之電流信號；將該電壓信號及該電流信號同步地數位化；以及自該被數位化之電壓信號及電流信號計算該阻抗，其中該第二電源測量單元增加直流偏壓電壓至該電壓信號，該電壓信號與該直流偏壓電壓的差值經由該第二電源測量單元感測阻抗施加，其使得該第一電源測量單元與該第二電源測量單元強迫該電流信號流經該DUT。
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