专利名称：具有无缝范围切换的改进型电流源(mcs)的制作方法
具有无缝范围切换的改进型电流源(MCS)
背景技术：
高精度电流源被广泛地用在测试和表征半导体器件的过程中。这样的源常常被用 在其中在若干数量级(例如几皮安到几百豪安)上改变(扫描)作为源的电流的测试中。作为示例，我们假定从最小电流(Imin)到最大电流(Imax)的对数电流扫描，其 中Lnin = IOOpA而Imax = IOmA(即八个数量级)，并且其中每个电流十进位(current decade)有六个步进(st印)(例如在IOnA到IOOnA之间，每个步进处的电流将是IOnA, 15. 8nA、25. InA,39. 8ηΑ、63· InA 禾口 ΙΟΟηΑ，遵照 In/In-1 = IO0.2 的关系)。已知一般对于这 样的应用，电流在步进之间不应返回到0，因而内部调整应“迅速(on-the-fly) ”发生，同时 在流向DUT的实际电流上有最少的毛刺或加性噪声。如现在所讨论的，由于高准确度的电 流源通常依赖依赖精密电阻器(foiet)来得到电流感测和反馈，因此这可能难以满足。我们现在参照图1来讨论这个问题。N位DAC 102的输出是电流源的输入电压 (Vin)。反馈电压是跨foiet的电压降，即Idut*foiet (忽略偏置电压和输入电流)，这导致以 下关系(I)IdutRnet = Vin或(2) ^dut88 纷1‘1*
Kmt将OpAmp 104和Diff Amp 106选择为增益高、泄漏少并且偏置低(仪表级)的 组件，除了在具有非常低的电流和非常低的Vin水平的情况下以外，Voff (偏置电压)和 Iin (输入泄漏电流)的影响基本上可忽略。此外，由于只要温度没有较大地改变Voff和 Iin就保持相当稳定，因此可以通过在每次测试开始时独立地测量Voff和Iin而将这两者 考虑在内，并且进而基于那些测量结果而进行补偿。精密DAC通常被限制到相对窄的电压范围(0到士 2伏特是典型的)。20位DAC (对 于这样的应用也是典型的)具有大约4Λ22°)伏特 4μν的分辨率。如果最大电流被限制 为例如200mA，则例如Vin = Vin (max) = 2. OV与foiet = 10 Ω的组合将是适合的。在另一 极端，IOOpA的电流可以用Vin = 10(^￥并且1 1^^ = IM Ω或者替代地用Vin= IOmV并且 Rnet = 100ΜΩ来获得(只要有可能，通常推荐使Vin >> Voff)。不管Vin的具体选择，对于宽范围的foiet值一般都有需要。只要相同的foiet被用 于整个实验，这本身不是问题。不幸的是，在涉及具有llmax/lminl > 100(两个数量级)的 比率的电流扫描的测试中，适应宽范围的值是不现实的。当电压源(VS)被使用时，只要切 换瞬态恰当地被抑制，就有可能将不同的toet电阻器接入和断开。另一方面，电流源(CS) 依赖跨foiet的电压降来完成反馈环路，这意味着联机切换(in-line switching)从根本上 是有问题的。

发明内容
按照一方面，电流源配有两个电阻器排(resistor bank)，并且数字电位计被用于控制每个电阻器排影响所得到的输出电流的程度。此外，当数字电位计处于特定的设置使 得特定的电阻器排不影响所得到的输出电流(即该电阻器排“不活动”)时，该电阻器排的 电阻可以被切换而不影响输出电流，从而最小化或消除电流扫描操作期间输出电流中的不 连续。因此，例如当电阻器排满足其阈值并且变为不活动时，该不活动的电阻器排的电阻可 以被切换，并且进而数字电位计设置可以被改变以便于用新的电阻平滑地重新激活所述电 阻器排。


图1示出了常规的电流源。图2示出了按照示例实施例的电流源。
具体实施例方式发明人意识到使用诸如在下文中所描述的方法和/或电路，不同的toet电阻器的 联机切换可以根据需要发生，同时在测量准确度上没有或者有最小的实际折衷并且没有或 有最少的明显毛刺或有噪瞬态。图2示意性地示出了示例实施例，其被称作“改进型电流源”(MCS)。图2的电流源 与图1的电流源相似，但是有若干重大的区别。例如，在图2中被称作Ra和Rb的两个foiet 电阻器代替单个toet电阻器被提供，其中图2的示例中的每个toet电阻器具有相关联的 差分放大器(分别为Diff Amp A和Diff Amp B)。被称为数字电位计(DPa)的组件连接在 Diff Amp A和Diff Amp B的输出之间，其中该组件的“活动的”接线端连接到OpAmp 204 的反相输入。一对DAC(DACa和DACb)代替图1的单个DAC 102被提供。第二数字电位计 (DPb)连接在两个DAC(DACa和DACb)的输出之间，其中该第二数字电位计的活动的接线端 连接到OpAmp 204的非反相输入。数字电位计Db和Din3可以包括例如在它们的两个“静态接线端”之间有固定的 精密电阻(IOkQ或IOOkQ是典型值)的电子芯片。可以电子地(数字地)使它们的“活 动的”接线端的位置步进到适合的位置(100个步进的范围是典型的)，使得"X"在0和1 之间变化(即 0. 00,0. 01,0. 02、· · ·、0· 99、1. 00)。我们现在讨论图2电路的示例操作场景。特别地，OpAmp 204的反相输入处的电 压(Vf)和输入电压Vin可以被表征为(3) Vf = Idu凡(I-X)+IdutRbX(4)Vin = Va (I-X)+VbX应用Vf和Vin之间的等同性(Voff被忽略)，使用(3)和(4)，容易地得到Idut 的表达式
权利要求
1.一种被配置用于大体上无缝的范围切换的电流源，所述电流源包括具有输入和输出的第一电阻器网络，其中所述第一电阻器网络的电阻是动态地可配置的；具有输入和输出的第二电阻器网络，其中所述第二电阻器网络的电阻是动态地可配置 的，所述第一电阻器网络的输出连接到所述第二电阻器网络的输入，并且所述第二电阻器 网络的输出被配置为被连接以向被测器件提供电流；具有输出、非反相输入以及反相输入的第一差分放大器，所述非反相输入连接到所述 第一电阻器网络的输入，而所述反相输入连接到所述第一电阻器网络的输出；具有输出、非反相输入以及反相输入的第二差分放大器，所述非反相输入连接到所述 第二电阻器网络的输入，而所述反相输入连接到所述第二电阻器网络的输出；具有第一输入、第二输入以及输出的第一数字电位计，所述第一输入连接到所述第一 差分放大器的输出，而所述第二输入连接到所述第二差分放大器的输出，其中所述第一数 字电位计被配置用于在所述输出处提供信号，所述信号以第一可选比例包括所述第一数字 电位计的第一输入处的信号与所述第一数字电位计的第二输入处的信号的组合；具有非反相输入、反相输入以及输出的运算放大器，所述输出连接到所述第一电阻器 网络的输入，而所述反相输入连接到所述第一数字电位计的输出；以及具有第一输入、第二输入以及输出的第二数字电位计，其中所述第二数字电位计被配 置用于在所述输出处提供信号，所述信号以第二可选比例包括所述第二数字电位计的第一 输入处的信号与所述第二数字电位计的第二输入处的信号的组合，所述第二数字电位计的 输出连接到所述运算放大器的非反相输入。
2.如权利要求1所述的电流源，其还包括第一数字到模拟转换器，其具有连接到所述第二数字电位计的第一输入的输出；以及第二数字到模拟转换器，其具有连接到所述第二数字电位计的第二输入的输出。
3.如权利要求1或2所述的电流源，其中所述电流源被配置使得所述第一可选比例和所述第二可选比例被约束为大体上一致。
4.如权利要求1或2所述的电流源，其中所述电流源被配置使得所述第一可选比例可被选为X比1-X，其中X是小于或等于1. 0 的非负实数。
5.如权利要求1或2所述的电流源，其中所述第二可选比例可被选为X比1-X，其中X是小于或等于1.0的非负实数。
6.如权利要求1或2所述的电流源，其中所述电流源被配置使得所述第一可选比例和所述第二可选比例被约束为大体上一致； 并且所述电流源被配置使得所述第一可选比例和所述第二可选比例可被选为X比1-X，其 中X是小于或等于1.0的非负实数。
7.如权利要求6所述的电流源，其中所述电流源被配置使得对于X的两个特定值，即X = 0和X = 1，所述第一和第二电阻 器排中只有一个对要被提供给被测器件的电流做出贡献。
8.一种操作电流源的方法，所述方法包括a)配置所述电流源使得所述电流源的第一电阻器网络和第二电阻器网络两者都对向所述电流源的输出提供电流做出贡献；b)调整所述电流源的电流控制输入以使在所述电流源的输出处所提供的电流改变；c)调整所述电流源的电阻器网络控制输入使得所述第一电阻器网络不对向所述电流 源的输出提供电流做出贡献，并且当所述第一电阻器网络不对向所述电流源的输出提供电 流做出贡献时，修改所述第一电阻器网络的电阻；d)调整所述电流源的所述电阻器网络控制输入使得所述第一电阻器网络再次对向所 述电流源的输出提供电流做出贡献；e)重复b)；f)调整所述电阻器网络控制输入直到所述第二电阻器网络不对向所述电流源的输出 提供电流做出贡献，并且当所述第二电阻器网络不对向所述电流源的输出提供电流做出贡 献时，修改所述第二电阻器网络的电阻；g)重复步骤b)到f)以获得提供给所述电流源的输出的一系列电流值。
9. 一种操作电流源的方法，所述方法包括a)配置所述电流源使得所述电流源的第一电阻器网络和第二电阻器网络均对向所述 电流源的输出提供电流做出贡献，其中所述第一电阻器网络显著地对向所述电流源的输出 提供电流做出贡献，并且其中所述第二电阻器网络远没有那么显著地对向所述电流源的输 出提供电流做出贡献；b)调整所述电流源的电流控制输入以使在所述电流源的输出处所提供的电流改变；c)调整所述电流源的电阻器网络控制输入使得所述第二电阻器网络显著地对向所述 电流源的输出提供电流做出贡献，而所述第一电阻器网络远没有那么显著地对向所述电流 源的输出提供电流做出贡献，并且修改所述第一电阻器网络的电阻；d)重复b)；e)调整所述电阻器网络控制输入直到所述第一电阻器网络显著地对向所述电流源的 输出提供电流做出贡献，并且其中所述第二电阻器网络远没有那么显著地对向所述电流源 的输出提供电流做出贡献；并且修改所述第二电阻器网络的电阻；f)重复步骤b)到e)以获得提供给所述电流源的输出的一系列电流值。
全文摘要
电流源配有两个电阻器排，并且数字电位计被用于控制每个电阻器排影响所得到的输出电流的程度。此外，当数字电位计处于特定的设置使得特定的电阻器排不影响所得到的输出电流(即该电阻器排“不活动”)时，该电阻器排的电阻可以被切换而不影响输出电流，从而最小化或消除电流扫描操作期间输出电流中的不连续。因此，例如当电阻器排达到其阈值并且变为不活动时，该不活动的电阻器排的电阻可以被切换，并且进而数字电位计设置可以被改变以便于用新的电阻平滑地重新激活所述电阻器排。
文档编号G01R1/00GK102138077SQ200980134655
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月29日 优先权日2008年8月28日
发明者J·博尔思维克, P·P·奎瓦斯, T·赖奇曼 申请人:夸利陶公司