专利名称：用光电导采样进行的电压测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用光电导采样探头得到电压的测量值。
背景技术：
现有技术采样探头具有接触端和制造成底板上的电极结构的高阻抗光电导门。为了对被测量设备(DUT)上导体上的电压进行采样，将接触端与导体接触，并发出光探测激光束脉冲到门附近。参见J.KIM等人的文章《Photoconductive sampling probe with 2.3-ps temporal resolution and 4μVsensitivity》，APPL.PHYS.LETT.62(18)，1993年3月3日，2268-2270页。Williamson的美国专利5,317,256(1996年5月31日)中描述了一个采用这种探头的系统。同样参见Ozaki等人的美国专利5,331,275(1994年7月19)和Nees等人的美国专利5,442,300(1995年8月15)。
在理想光电导(PC)开关中，暗电阻(激光脉冲关闭时)为无穷大，因此，只有在激光脉冲开启时，采样电路的其他部分才与DUT电气连接。对于这种理想PC开关，一种操作方法是将PC开关的输出侧保持在固定电压(比如0V)，并测量在整个触发周期内通过开关的净电荷，这里的触发周期是输入到DUT的重复激励信号循环的长度与该循环的时钟周期的乘积。简单的标准允许将该净电荷当作电压。
图1是理想现有技术PC采样系统的等效电路图。用与PC开关105的输入端相连的电压源100来表示DUT，闭合时，PC开关105具有值为Ron的，例如50kΩ的电阻100。通过PC开关105和电阻100Ron的电流Ipc通过由差分放大器115和值为R的反馈电阻120组成的电流-电压转换器的输入端输入。转换器的输出电压为Vout＝R·Ipc。
参见图2。每当输入到DUT的激励信号模式重复一次，便产生一个触发脉冲，如线200所示。在触发脉冲之后的某一时刻，产生激光采样脉冲，如线205所示。理想PC开关响应激光采样脉冲，其电阻从Roff＝变化为Roff＝50kΩ，如线210所示。被采样的DUT上导体的电压如线215所示。响应激光采样脉冲，PC开关闭合，结果产生信号Vout，如线220所示。每个光学采样脉冲的Vout之下的整数与DUT电压的采样值成正比。
实际中已经发现，尽管PC开关的平均暗电阻Roff通常大于数百兆欧姆，但在激光脉冲之后，“暗电阻”Roff经常马上减小很多。在一个试验中，在激光脉冲之后，暗电阻Roff在几微秒之内变为50MΩ。该“持续光电导”(PPC)效应将使通过PC开关的净电荷受到在激光脉冲之后的几微秒内作用在减小的暗电阻Roff两端的DUT电压污染，但是精确的测量需要在激光脉冲间隔期间内通过PC开关的净电荷只对DUT电压敏感。
图3给出了等效电路。当激光脉冲重复速率为500KHz时，PC开关的暗电阻300为Roff＝50MΩ，而不是开启时的无穷大电阻。参见图4，每当输入到DUT的激励信号模式重复一次，便产生一个触发脉冲，如线400所示。在触发脉冲之后的某一时刻，产生激光采样脉冲，如线405所示。图3中的非理想PC开关响应激光采样脉冲，电阻从Roff＝50MΩ变化为Roff＝50kΩ，如线410所示。
被采样的DUT的导体上电压VDUT1的第一个例子如线415所示，在本例中，在触发脉冲间隔的大部分时间内，除了在激光采样脉冲440之前的反向脉冲435，该电压都保持高电平。响应激光采样脉冲，闭合PC开关，产生信号Vout1，如线420所示。被采样的DUT上导体电压VDUT2的第二个例子如线425所示，在本例中，在触发脉冲间隔时间内，该电压都保持低电平。响应激光采样脉冲，闭合PC开关，产生信号Vout2，如线430所示。图中线420和430的区别示出了PC开关泄漏的问题。尽管在采样点电压VDUT1和VDUT2相同，但是电压Vout1和Vout2的积分区域并不相同。
PC开关还具有其它能够导致测量误差的非理想特征。这些特征包括非线性导通电阻(偏置电压很大时，传导电流饱和)和温度灵敏度。当可以忽略暗电阻效应时，可以简单地避免这种错误保持电容通过PC开关充电，因此，无需考虑非线性导通电阻和温度灵敏度，当电容上的电压达到平衡值时，电压正好等于DUT电压在激光脉冲时的值。
图5所示为具有理想PC开关的、用于绝对电压测量的保持电容器采样系统的等效电路。用与PC开关505的输入端相连的电压源500来表示DUT，当PC开关505闭合时，电阻510为Ron。通过PC开关505和电阻510Ron的电流Ipc被输入到跨接在高阻抗放大器520的两个输入端的保持电容Chold上。理想情况下，如果可以忽略漏电流，在采样点，Chold的电压将会正好等于DUT电压。保持电容器的行为可以被看作负反馈。当暗电阻Roff效应不能被忽略时，这样的简单系统将由于流经暗电阻的电流而产生错误的电压测量值。
除了如上所述的局限性之外，高阻抗输入级的工作电压范围也经常受限。因此，需要改善的光电导电压采样方法和电路。
发明内容
根据本发明的实施例，探测电压的方法包括在被探测的DUT导体和光电导开关之间建立电气连接；在采样间隔n内，将激光脉冲输入到光电导开关，而相应于在前一采样间隔n-1采集的电压样本，对向没有连接到DUT的光电导开关端施加电压，这样流经光电导开关的电流就依赖于DUT导体上的电压和所施加电压之间的差；将电流转换为电压信号；在选通间隔Telec内传导电压信号；并对所通过的门控信号进行采样，以便产生采样间隔n内的电压样本。
对导体重复测试模式，并使采样间隔与重复的测试模式同步。将电流转换为电压信号可以包括将电流施加给电流-电压转换器，该转换器的上升时间比选通间隔Telec小。只有在选通间隔期间才可以通过电压信号，因此，电压样本不会受到选通间隔之外任何通过光电导开关的泄漏的影响。在选通间隔期间通过电压信号可以包括将电压信号施加给晶体管差分对Q1、Q2的第一晶体管Q1，将参考电压信号输入给晶体管差分对的第二晶体管Q2，并用电气开关对晶体管差分对的公共发射极电流进行控制，以便在电气开关闭合时通过电压信号。对电压信号采样包括将来自Q1、Q2的差分电压信号输入到模-数转换器，并使模-数转换器准备表示导体上电压信号的数字样本。
还根据本发明中的实施例，用于探测导体上电压的装置包括能响应激光脉冲的光电导开关；用于在被探测导体和光电导开关间建立电气连接的探测端；用于在采样间隔n期间向光电导开关提供激光脉冲的脉冲源；用于在采样间隔n期间向光电导开关施加相应于根据前几次的采样n-1、n-2、n-3等产生的电压估计VOUT的电路，使得流经光电导开关的电流依赖于导体电压在采样间隔n的值和电压估计VOUTt之间的差；用于将电流转换为电压信号的电流-电压转换器；用于在选通间隔期间通过电压信号的门；以及用于对所通过的信号进行采样的采样电路，以便产生采样间隔n的电压差或电压误差样本，该电压误差和样本n的VOUT的电压估计之和形成了样本n+1的电压估计VOUT。
该装置还可以包括用于将采样间隔与导体上重复信号模式同步的定时电路。电流-电压转换器的上升时间最好小于选通间隔。门最好只在选通间隔Telec期间内通过电压信号，使得电压样本不受任何在选通间隔之外通过光电导开关的泄漏的影响。门最好包括晶体管Q1、Q2组成的差分对，将电压信号施加给第一晶体管Q1，将参考电压信号输入给晶体管差分对的第二晶体管Q2，差分对具有被电气开关控制的公共发射极，使得当电气开关闭合时通过电压信号。采样电路最好包括模-数转换器，用于准备表示在采样间隔n-1的VOUT和在采样间隔n的导体上的电压之间的差的电压信号的数字样本。模-数转换器的输出被加到数字加法设备中，加法设备的输出是在下一个采样间隔n+1将要使用的VOUT的数字表示。加法设备的输出被加到数-模转换器，以便得到新的VOUT。
如上所述，PPC效应引起被测量波形的失真。根据本发明实施例中的电子门控测量技术的应用，对该问题进行了阐述。另一方面，本发明提供了用于提高输入电压范围的技术。对于本领域技术人员来说，根据下面的描述和附图，本发明的这些和其它特征将变得更加清楚。
图1是现有技术理想PC采样系统的等效电路；图2是图1电路中PC门泄漏的时序图；图3是在PC采样系统中的现有光电导的等效电路；图4是图3电路中现有光电导效应的时序图；图5是具有理想PC门的绝对电压测量方法；图6是根据本发明的PC采样标准电路的示意图；图7是图6电路的工作时序图；以及图8是根据本发明的用于对DUT上的电压进行光电导采样系统的示意图。
优选实施例的详细说明根据本发明的一个方面，可以通过激光脉冲在PC开关开启时，尽快测量流过的电荷来补偿PPC效应。换句话说，对电荷测量进行门控以避免测量到由于暗电阻泄漏而引起的电荷流。如果门控测量的持续时间足够短，暗电阻就不会有足够的时间来显著破坏测量。
假设，例如，激光采样脉冲以时间Tsamp＝50ps开启PC开关，导通电阻Ron＝50kΩ，暗电阻Roff＝50MΩ，触发周期是Ttrig＝1μs，激光采样脉冲时的DUT电压为Vs，在触发周期上的平均DUT电压为Vav(假设VavVs)。
则误差电荷与信号电荷的比是(Vav/Vs)*(Ron/Roff)*(Ttrig/Tsamp)＝2000％误差！假设用电气开关来对电荷测量进行门控，电气开关比PC开关要慢，且电气开关的导通时间是Telec＝2.5ns。则误差百分比由下式给出(Vav/Vs)*(Ron/Roff)*(Telec/Tsamp)＝5％误差根据本发明，无论PC开关电导效应如何，都能够得到精确的电压测量值，PC开关电导效应相应于偏置电压是非线性的，并且对温度敏感。采用了应用反馈的衡消(nulling)技术，在这种技术中，反馈电压和被采样的DUT电压之间的误差被检测出来，并将该误差应用于纠正反馈电压。这种衡消技术还具有其它减少探头扩散的优点当衡消电压等于被采样的DUT电压，在PC开关的阻抗低时，在激光采样脉冲期间将有最少的电荷流动。在本发明的一个采用了隔直流、串联电容器的实施例中，实现了这种反馈，其另一个优点就是工作电压范围可以比高速输入放大器阶段的工作范围大很多。
图6所示是根据本发明的PC采样标准电路的示意图。用包括理想开关602、PC开关导通电阻604 Ron和PC开关暗电阻606 Roff的等效电路来表示PC开关600。PC开关600向电流-电压转换器610馈电，电流-电压转换器包括具有低值并联反馈电阻614(R3)的放大器612(A1)，这样使得该电流-电压转换器具有大带宽，因此，该电流-电压转换器610的上升时间小于Telec。还提供了电容器616(C1)和617，下面将对他们的作用进行描述。PC开关600的导通时间只有几十皮秒。
假设，在样本n，DUT上的电压在PC开关600的输入端产生电压Vn。前一样本n-1在DAC 660的输出产生电压Vn-1，然后，通过电阻618和614作用在PC开关600上。假设电压Vn-1并不等于Vn。在样本n期间，信号电流流经PC开关600，并产生出现在放大器612(A1)输出的宽度为几纳秒的电压脉冲715。脉冲的长度很短，因此，通过电容617和616的电压在此期间并没有实质的改变。
来自电流-电压转换器610的信号被加到门电路620。用电气开关626对晶体管差分对622(Q1)、624(Q2)的公共发射极进行控制。在开关626闭合的短时间Telec内，信号脉冲715出现在放大器612(A1)的输出端。采用该装置，使得任何后续信号检测电路都不会受到当电气开关626开启时通过PC开关600的暗电阻Roff的泄漏的影响。
用接通公共发射极电流来闭合电气开关626会在晶体管差分对622(Q1)、624(Q2)的集电极产生大的反向脉冲。将这些反向脉冲分别施加到差分放大器628(A2)的输入端。在差分放大器628(A2)输出上的这些反向脉冲间的差，即信号脉冲725，是在放大器612(A1)输出上的信号715的放大版本。差分放大器628(A2)拒绝共模脉冲，而只放大差分信号。电气开关，如开关626的不可避免的电荷注入也将作为共模信号，并因此将被差分放大器628(A2)拒绝。用电位器630(R4)来平衡放大器电路，以补偿晶体管失配和失调电压。如图中所示结构，晶体管差分对622(Q1)、624(Q2)的集电极电路和差分放大器628(A2)电路并不需要大带宽。
来自差分放大器628(A2)的信号脉冲725被提供给模拟-数字转换器640(ADC U1)。640(ADC U1)将信号脉冲725转换为数字数据，直到下一个样本之前，该数据都被保留在转换器的输出寄存器中。在环路增益控制器650中，来自640(ADC U1)的输出数据被数字地乘以一个系数，即环路增益G。环路增益控制器650的数字输出被施加到存储了前面所有来自增益控制650的样本之和的数字积分器655。来自积分器655的输出被数字-模拟转换器660(DAC U2)转换为电压。规定可以调节增益G，因而在两个连续样本间DUT电压的阶跃变化会引起DAC 660的输出电压745中本质上相同的阶跃变化。输出电压745被反馈输入到电流-电压转换器610，并通过隔直流电容器616(C1)。放大器612的输入保持在地电位。这样就能在不牺牲包括放大器612(A1)的关键高速输入级的情况下，具有大的输入电压范围。
图7中的时序图给出了图6中电路的工作时序。线700所示为触发脉冲发信令重复加在DUT上的激励模式。线705所示为施加到PC开关600上的与触发脉冲同步的激光采样脉冲的时序。线710所示为DUT上导体的电压VDUT，在每个激光采样脉冲之前很近的地方有一个反向脉冲。线715所示为放大器612的输出信号，由于DUT上的反向脉冲，在采样脉冲750之前有一个下陷755，并有通过PC开关600的泄漏而引起的在脉冲750之后的高电压的“基底平顶波”760。线720所示为电气开关626闭合的时间间隔765(Telec)，允许采样脉冲750被传递到门620。在选通间隔Telec之外的基底平顶波760部分不能通过门620，而且这样对最终数据没有影响。线725所示为相对慢的差分放大器628(A2)的输出。线730所示为发信令给ADC 640(U1)以将放大器628输出的信号脉冲转换为数字数据的脉冲。ADC 640(U1)的数字输出如线740所示；利用线730上的每个转换脉冲更新输出。例如，在转换脉冲770的下降沿之前，ADC 640(U1)的输出代表样本n-1，然后，变为表示下一个样本n。如线745所示，DAC650(U2)的输出电压是从DUT采得的电压样本的近似值，并且被每个新样本更新。例如，当采集第n个样本时，在745的信号是第n-1个样本的近似值，然后，在采集第n+1个样本之前，被更新为第n个样本的近似值。
图8所示为根据本发明的用于对DUT上的电压进行光电导采样的系统的示意图。DUT 800具有导体805，PC探头815的接触端810与其接触。PC探头815包括PC开关，如PC开关600。测试模式发生器820将重复激励脉冲施加到DUT 800，以便在DUT的导体上产生电压模式。测试模式发生器820还将触发脉冲序列，如图7中线700所示，提供给系统定时控制器825。定时控制器825保证激光采样脉冲830与图7中线705所示的激光源835、图7中线720所示的门620和图7中线730所示的ADC转换器脉冲的时序同步。
DAC 660的信号输出745变化缓慢，最多是一个样本变化一次，因此在一段时期，如几十微秒内都保持恒定。信号输出745通过电阻器618和614被施加到电流-电压转换器610的输入端。门620对快速变化的脉冲750进行采样，脉冲750在很短的时间，如毫微秒内变化。电容器616和617作为隔直流电容器工作；这样，从745输出的缓慢变化的信号并没有被施加到放大器612的输入或者输出。来自PC开关600的、被施加到电流-电压转换器610的输入端的电荷，通过电容器616被传送给放大器612的输入端，放大器612的快速变化输出通过电容器617和电阻器614被反馈回去。
电流-电压转换器610的“上升时间”与其脉冲响应的50％宽度相等。电流-电压转换器610的50％脉冲响应最好小于选通间隔。这样确保电流-电压转换器恰当地将流经PC开关的电流转换为可以在选通间隔期间被传送的电压。在设定选通间隔的长度时要进行折衷。如果选通间隔比电流-电压转换器610的50％脉冲响应时间短，则会丢失一些需要的(样本脉冲750的)信号。如果选通间隔比电流-电压转换器610的50％脉冲响应时间长很多，则在样本中就会包括更多的暗电阻泄漏。
根据本发明的进一步实施例，用于探测电压的方法和设备可以具有如下构形1.一种探测电压的方法包括a.在被探测的导体和光电导开关的第一接线端间建立电气连接；b.在采样间隔n内，施加激光脉冲到光电导开关，而相应于在前一采样间隔n-1的电压样本，施加电压到该光电导开关的第二接线端，这样流经光电导开关的电流就依赖于导体上的电压和所输入电压之间的差，c.将电流转换为电压信号，d.在选通间隔Telec内传递电压信号，以及e.对所传递的电压信号进行采样，以便产生采样间隔n内的电压样本。
2.上述1中的方法还包括施加重复测试模式给导体并使采样间隔与测试模式同步的步骤。
3.上述1中的方法，其中将电流转换为电压信号包括施加电流给电流-电压转换器，该转换器的上升时间比选通间隔Telec小。
4.上述1中的方法，其中只有在选通间隔Telec期间才可传递电压信号，因此，电压样本不受选通间隔Telec之外任何通过光电导开关的泄漏的影响。
5.上述1中的方法，其中在选通间隔期间传递电压信号包括将电压信号提供给晶体管Q1、Q2差分对的第一晶体管Q1，将参考电压信号提供给晶体管差分对的第二晶体管Q2，并用一个电气开关对晶体管差分对的公共发射极电流进行控制，以便在电气开关闭合时传递电压信号。
6.上述1中的方法，其中对电压信号的采样包括将电压信号提供给模-数转换器，并使模-数转换器准备表示导体上电压信号的数字样本。
7.一种用于探测导体上电压的设备包括a.能响应激光脉冲并具有第一和第二接线端的光电导开关，b.在被探测导体和光电导开关的第一接线端间建立电气连接的探测端，c.在采样间隔n期间向光电导开关提供激光脉冲的脉冲源，d.在采样间隔n期间向第二接线端施加相应于在上一采样间隔n-1期间采集的电压样本的电压的电路，使得流经光电导开关的电流依赖于导体电压和所输入电压之间的差，e.将电流转换为电压信号的电流-电压转换器，f.在选通间隔Telec期间传递电压信号的门，以及g.对由门所传递的电压信号进行采样的采样电路，以便产生采样间隔n的电压样本。
8.上述7中的装置，还包括用于将采样间隔与导体上重复信号模式同步的时序电路。
9.上述7中的装置，其中电流-电压转换器的上升时间小于选通间隔Telec。
10.上述7中的装置，其中门只在选通间隔Telec期间内传递电压信号，使得电压样本不受任何在选通间隔Telec之外通过光电导开关的泄漏的影响。
11.上述7中的装置，其中门包括晶体管Q1、Q2组成的差分对，电压信号被施加到第一晶体管Q1，参考电压信号被施加到晶体管差分对的第二晶体管Q2，差分对具有被电气开关控制的公共发射极，这样，当电气开关闭合时传递电压信号。
12.上述7中的装置，其中采样电路包括模-数转换器，用于准备表示导体上电压的电压信号的数字样本。
13.上述7中的装置，其中电流-电压转换器具有通过隔直流电容接收来自光电导开关的电流的输入。
本领域的技术人员将会认识到，在本发明的权利要求定义的本发明的思想和范围内，能够对本发明进行这些和其他的修改。
权利要求
1.一种探测电压的方法，包括a.在被探测的导体(805)和光电导开关(600)的第一接线端之间建立电气连接，b.在采样间隔n内，施加激光脉冲(705)到光电导开关(600)，而相应于在前一采样间隔n-1的电压样本，施加电压到该光电导开关的第二接线端，c.将流经光电导开关(600)的电流转换(610)为电压信号，d.在选通间隔Telec内传递电压信号(715)，以及e.对所传递的电压(725)信号进行采样，以便得到采样间隔n内的电压样本。
2.根据权利要求1的方法还包括将重复测试模式提供给导体并使采样间隔与测试模式同步的步骤。
3.根据权利要求1或2的方法，其中将流经光电导开关(600)的电流转换为电压信号包括将电流提供给电流-电压转换器(610)，该转换器的上升时间比选通间隔Telec小。
4.根据权利要求1至3中的一项的方法，其中只有在选通间隔Telec期间才可传递电压信号(715)。
5.根据权利要求1至4中的一项的方法，其中在选通间隔期间传递电压信号(715)包括施加电压信号给晶体管Q1、Q2(622、624)差分对的第一晶体管Q1(622)，施加参考电压信号给晶体管差分对的第二晶体管Q2(624)，并用电气开关(626)对晶体管差分对的公共发射极电流进行控制。
6.根据权利要求1至5中的一项的方法，其中对传递的电压信号(725)采样包括将传递的电压信号(725)提供给模-数转换器(640)，并使模-数转换器(640)准备表示导体(805)上电压信号的数字样本。
7.一种用于探测导体(805)上电压的装置，包括a.能响应激光脉冲并具有第一和第二接线端的光电导开关(600)，b.在被探测导体和第一接线端间建立电气连接的探测端(810)，c.在采样间隔n期间向光电导开关提供激光脉冲(705)的脉冲源，d.在采样间隔n期间向第二接线端施加相应于在上一采样间隔n-1期间采集的电压样本的电压的电路，e.将流经光电导开关(600)的电流转换为电压信号(715)的电流-电压转换器(610)，f.在选通间隔Telec期间传递电压信号(715)的门(620)，以及g.对所由门(620)传递的电压信号(725)进行采样的采样电路，该采样电路产生采样间隔n的电压样本。
8.根据权利要求7的装置还包括时序电路(825)，用于接收表示重复测试模式的信号，并将采样间隔与所接收到的信号同步。
9.根据权利要求7或8的装置，其中电流-电压转换器(610)的上升时间小于选通间隔Telec。
10.根据权利要求7、8或9的装置，其中门(620)只有在选通间隔Telec期间内传递电压信号(715)。
11.根据权利要求7至10中的一项的装置，其中门(620)包括晶体管Q1、Q2(622、624)组成的差分对，施加电压信号给第一晶体管Q1(622)，施加参考电压信号给晶体管差分对的第二晶体管Q2(624)，并用电气开关(626)控制差分对(622、624)的公共发射极。
12.根据权利要求7至11中的一项的装置，其中采样电路包括模-数转换器(640)，用于准备在表示导体上电压的电压信号(725)的数字样本。
13.根据权利要求7至12中的一项的装置，其中电流-电压转换器(610)具有通过隔直流电容(616)接收来自光电导开关的电流的输入。
14.一种用于在导体(805)上进行光电导探测的系统，包括根据权利要求8至13中的一项的装置，以及用于产生重复激励模式并提供代表这些重复激励模式的测试模式发生器(820)，该信号与时序电路(825)相连。
全文摘要
一种探测电压的方法，包括在被测导体和光电导开关的第一接线端之间建立电气连接；在采样间隔n内，施加激光脉冲到光电导开关，而相应于在前一采样间隔n－1的电压样本，施加电压到光电导开关的第二接线端输入，这样流经光电导开关的电流依赖于导体上的电压和所施加的电压之间的差；将电流转换为电压信号；在选通间隔内传导电压信号，并对所通过的电压信号进行采样，以得到采样间隔n内的电压样本。输入到导体的重复测试模式和采样间隔与重复测试模式同步。将电流转换为电压信号包括施加电流输入到其上升时间比选通间隔小的电流－电压转换器。只有在选通间隔期间，才可传递电压信号，因此，电压样本不受选通间隔之外任何通过光电导开关的泄漏的影响。在选通间隔期间，传递电压信号包括施加电压信号给晶体管Q
文档编号G01R19/00GK1564948SQ02819555
公开日2005年1月12日 申请日期2002年10月12日 优先权日2001年10月18日
发明者K·R·威尔希, F·霍 申请人:恩普泰斯特有限责任公司