用源测量单元进行的低频阻抗测量

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。

说明书

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1 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1 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。

附图说明

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V₁。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V_R＝IR或I＝V_R/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V_R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V₁。

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1 kHz或以下。这允许SMU 12发出例如1kHz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1 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1kHz频率、1 pF电容和标称1 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V_R2/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。