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专利名称：用源测量单元进行的低频阻抗测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及阻抗、并且特别是低频下的高阻抗的测量。
背景技术：
非常高的阻抗的测量可能引起困难。这是因为所涉及的阻抗如此大，以致于施加 于被测试设备(DUT)的电压非常大和/或结果得到的电流非常小。例如，使用过高的电压 可能导致设备损坏或者甚至起弧。在电容的情况下，低频使该问题加剧，因为阻抗与频率反 相关。
源测量单元(SMU)由于其非常准确地发出(source) DC电压信号并测量结果得到 的DC电流信号或者反之亦然的能力而在精密DC电测量领域中众所周知。例如，可获得能 够选择性地发出从微伏或以下至千伏或以上的DC电压并测量从阿(托)安或以下至安或 以上(或反之亦然)的DC电流的SMU。在DC测量体系中，这允许极高的阻抗的测量(即R = V/I)。发明内容
一种用于测量具有小于I pF的电容的DUT的阻抗的方法包括向DUT施加电压或 电流信号，该电压或电流信号包括具有小于I kHz的非零频率的AC分量；响应于该电压或 电流信号分别地监视通过DUT的电流或电压信号；同步地将电压信号和电流信号数字化； 以及根据数字化电压和电流信号来计算阻抗。


图1是用于执行本发明的一方面的测量配置的示例的示意图；图2是用于执行本发明的另一方面的测量配置的另一示例的示意图；以及 图3是用于执行本发明的又一方面的测量配置的又一示例的示意图。
具体实施方式
参考图1，测量配置10包括被连接到被测试设备(DUT) 30的理想化源测量单元 (SMU)12的示例。可调整电压源14向运算放大器16的非反相输入端提供电压％。由电阻 器18 (R)提供的反馈环路迫使运算放大器16的反相输入端也为V1的值。请注意，反馈环 路也是通过DUT 30的电流I的源。结果，跨电阻器18的电压降与通过DUT 30的电流成比 例(即 Vk = IR 或 I = VK/R)。
缓冲放大器20向控制和测量部22提供电压V1的缓冲形式(其为跨DUT 30的电 压的值)，并且缓冲放大器24将电压Vr的缓冲形式作为通过DUT 30的电流的(以R)缩放形 式提供给控制和测量部22。控制和测量部22还控制可调整电压源14的期望值V1。
控制和测量部22包括测量电压V1和电流I的值的能力，包括使值数字化。控制 和测量部22还控制可调整电压源14的期望值％。
虽然本质上是DC设备，但SMU 12确实幸运地包括调整可调整电压源14的值V1 的能力。在SMU 12的反馈环路的带宽约束内，可以由控制和测量部22来周期性地改变V1 的值以产生AC信号。通常，SMU 12的带宽极限是I kHz或以下。这允许SMU 12发出例如 IkHz或以下的相应正弦AC电压信号。
为了测量在这些低频下主要具有小电容(例如I PF或以下)的DUT 30的阻抗，向 DUT 30施加周期性变化的电压信号V1并监视通过DUT 30的电流信号I。控制和测量部22 同步地使电压信号和电流信号数字化以便可以计算DUT 30的阻抗。这是复数值，其例如不 仅包括电容分量而且还可以包括非理想电容设备特有的电阻分量。
在IkHz频率、I PF电容和标称I kV电压信号的情况下，电容阻抗将约为160兆欧 姆且电流将约为6微安。考虑到SMU 12可以能够测量阿(托)安，可以看到在不利用过大电 压的情况下能够测量低得很多的频率和高得很多的阻抗。
控制和测量部22能够有利地使用诸如常常使用快速傅立叶变换(FFT)算法实现 的离散傅立叶变换(DFT)这样的技术根据数字化电压和电流来计算阻抗。
在实际操作中，测量配置10可能略微受到与DUT 30并联的杂散阻抗(例如SMU输 出阻抗、电缆漏泄、测试和固定阻抗)损害。参考图2，用使用两个SMU 12、12’的测量配置 10’，能够获得改善的性能。
SMU 12向DUT 30施加AC电压分量，而SMU 12’提供AC分量在其顶部上的DC偏 置电压信号。这迫使流过DUT的所有AC信号返回到SMU 12’中。因此，跨DUT测量的电压 和由SMU 10’测量的电流能够被用作从DUT 30阻抗得到的信号的准确表示。各控制和测 量部22、22’相互通信，并且再次地，可以使用DFT来进行阻抗计算。跨DUT 30的电压是 V11-V22,而通过DUT 30的电流是VK2/R2。
可以将图2的配置扩展成提供同时的多引脚电容测量。例如，参考图3，SMU 12能 够用来向DUT 30’提供AC电压信号分量，而SMU 12’、12’’和12’’’每个能够提供用于DUT 30’上的各测试点的DC偏置并测量在SMU 10与各测试点之间的通过DUT 30’的电流。各 SMU控制和测量部被互连(A)。然后能够如上所述地计算各阻抗。
应注意的是，由于电压和电流的对偶性，作为施加电压并测量电流的替代，可以施 加电流并测量电压以产生DUT的阻抗的测量。SMU在此类应用中特别有用，因为其被设计成 可互换地发出电压并测量电流或发出电流并测量电压。
应显而易见的是本公开是以示例的方式且在不脱离包含在本公开中的讲授内容 的合理范围的情况下可以通过添加、修改或删除细节来进行各种改变。因此，本发明不限于 本公开的特定细节，除在以下权利要求必须受此限制的意义上之外。
权利要求
1.一种用于测量具有小于1 PF的电容的DUT的阻抗的方法，所述方法包括向所述DUT施加电压信号，所述电压信号包括具有小于1 kHz的非零频率的AC分量； 响应于所述电压信号来监视通过所述DUT的电流信号；同步地使所述电压信号和所述电流信号数字化；以及 根据所述数字化电压和电流信号来计算所述阻抗。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压信号是由至少一个源测量单元产生的。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，由所述源测量单元来使所述电压信号数字化。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，由至少一个源测量单元来监视所述电流。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，由所述源测量单元来使所述电流数字化。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，由至少一个源测量单元来执行所述数字化。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算包括由控制器执行的FFT或DFT计算。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压信号是由源测量单元产生的且所述电 流信号被所述源测量单元监视。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述AC分量是由第一源测量单元产生的且所述 电流信号被第二源测量单元监视。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二源测量单元向所述电压信号添加DC偏 置电压。
11.一种用于测量具有小于1 PF的电容的DUT的阻抗的方法，所述方法包括施加通过所述DUT的电流信号，所述电流信号包括具有小于1 kHz的非零频率的AC分量;响应于所述电流信号来监视跨所述DUT的电压信号；同步地使所述电压信号和所述电流信号数字化；以及 根据所述数字化电压和电流信号来计算所述阻抗。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电流信号是由至少一个源测量单元产生的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，由所述源测量单元来使所述电流信号数字化。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，由至少一个源测量单元来监视所述电压。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，由所述源测量单元使所述电压数字化。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，由至少一个源测量单元来执行所述数字化。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述计算包括由控制器执行的FFT或DFT计笪o
18.根据权利要求11所述的方法，其中，所述电流信号是由源测量单元产生的且所述 电压信号被所述源测量单元监视。
19.根据权利要求11所述的方法，其中，所述AC分量是由第一源测量单元产生的且所 述电压信号被第二源测量单元监视。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二源测量单元向所述电流信号添加DC 偏置电流。
全文摘要
本发明涉及用源测量单元进行的低频阻抗测量。一种用于测量具有小于1pF的电容的DUT的阻抗的方法包括向所述DUT施加电压或电流信号，所述电压或电流信号包括具有小于1kHz的非零频率的AC分量；响应于所述电压或电流信号来分别地监视通过所述DUT的电流或电压信号；同步地使所述电压信号和所述电流信号数字化；以及根据所述数字化电压和电流信号来计算所述阻抗。
文档编号G01R27/02GK103063920SQ20121030020
公开日2013年4月24日 申请日期2012年8月22日 优先权日2011年8月22日
发明者G.索博列夫斯基 申请人:基思利仪器公司