在功率MOSFET上利用恒定漏极电压进行I-V测量时校正负载电阻

相关申请的交叉参考

本公开要求于2022年7月27日提交的、题为“CORRECTING FOR LOAD RESISTANCEWHEN MAKING I-V MEASUREMENTS WITH CONSTANT DRAIN VOLTAGE ON POWER MOSFETS”的美国临时申请号63/392,845的权益，该临时申请的公开通过参考以其整体并入在本文中。

技术领域

本公开涉及测试和测量仪器，并且更特别地涉及用于进行电流-电压(I-V)测量的器件和方法。

背景技术

功率MOSFET上的电流-电压(I-V)测量通常涉及测量高漏极电流，诸如大于10A。当测量该漏极电流时，测试电路中的甚至小的负载电阻可能导致大的不想要的电压降，从而导致强制的漏极电压的衰减。这导致测量的漏极电流小于预期的漏极电流，从而导致不正确的结果。

附图说明

图1示出了示出负载电阻的功率模块电路。

图2示出了与补偿负载电阻的实施例一起使用的功率模块电路。

图3示出了具有线性特性的实施例的在具有负载电阻的情况下和在没有负载电阻的情况下的Id-Vd曲线的图表。

图4示出了具有非线性特性的实施例的示出负载电阻影响的Id-Vd曲线的图表。

图5示出了迭代实施例的Id-Vd曲线的图表。

图6示出了在没有负载校正的情况下生成的Id-Vd曲线的图表。

图7示出了具有非线性特性的实施例中在负载校正的情况下生成的Id-Vd曲线的图表。

图8示出了测试和测量仪器的示图。

具体实施方式

本文中的实施例涉及用于补偿由于负载电阻两端的电压降而导致的减小漏极电压的方法。实施例使用测量的漏极电压和测量的漏极电流的先前值来确定预期的漏极电流。方法可以迭代地操作，直到测量的漏极电压与器件两端的目标电压匹配。

下面的讨论使用这里参考图1所定义的几个参数。在图1中示出的配置中，正被测量的器件，即待测试器件(DUT)，是底部晶体管，标记为“低侧MOSFET”。Vd是器件的漏极电压，并且Vt是器件的目标漏极电压。Id是当漏极电压是Vt时的漏极电流。Vf是强制电压，实施例的方法根据需要调整该强制电压以补偿负载电阻两端的电压降。Vm是测量的漏极电压，并且Im是测量的漏极电流。各种电阻组成负载电阻。这些包括RdsOn(等于顶部MOSFET的漏极-源极导通电阻的常数)，Rc表示接触、引线和其他电路电阻，并且Rs表示电流感测电阻器。然而，感测电阻器对负载电阻的贡献相对很小，因此有效电阻是RL＝Rc+RdsOn。

电压源强制该强制电压Vf。器件两端测量的电压是Vm。理想地，在完成该过程后，器件两端的测量电压应当等于目标漏极电压，即Vm＝Vt。在这种条件下，测量的漏极电流(Im)被返回作为Id。测量的漏极电流Im从Vf流向LO。不想要的电压降出现在等于(Rc+Rs+RdsOn)的负载电阻RL两端，这减小测量的漏极电压Vm以及测量的漏极电流Im。

已开发了两种类似的方法来补偿不想要的负载电阻以及随后减小的漏极电流和漏极电压测量：线性模型方法和预期值方法。

在线性模型方法中，假设负载和DUT电阻是恒定的，这通常是MOSFET Id-Vd曲线的线性区域中的情况。在这种情况下，RdsOn是恒定的。因此，现在可以对功率MOSFET电路进行建模，如图2中所示。

图3示出了在线12处具有负载电阻RL以及在线10处没有负载电阻的线性电路的Id-Vd曲线。当强制Vf时，由于负载电阻两端的电压降，测量的电压Vm和电流Im将更小。Vf2是为了补偿负载电阻并且为了在漏极处提供所需目标电压Vt而需要的强制电压量。点(Vm，Im)示出由于RL而减小的测量的电流和电压。点(Vt，Id)示出在没有由于RL而导致的电压降的情况下的漏极电流和电压。(Vf2，Id)示出如下点：在该点处电压被增加以补偿RL以及在该点处测量的漏极电流Im等于补偿的漏极电流Id。

根据强制电压和测量的电流和电压，可以计算负载电阻(RL)：

Vf2是要在线性方法模型中用于负载补偿的强制电压。Vf2可以根据负载电阻RL、补偿的漏极电流Id和目标漏极电压Vt来确定如下：

Vf2＝Vt+(RL*Id)

补偿的漏极电流Id也可以根据图表来确定，其中漏极电流与漏极电压成正比，使得：

因此，

在第一组漏极电流Im1和漏极电压Vm1测量后，然后用于补偿的强制电压变为：

根据图表和导出的方程，用于校正或补偿负载电阻的方法的一个实施例是：

1.强制Vt并测量Im和Vm。对于第一次迭代，Vt等同于Vf。

2.比较Vt和Vm。如果|Vt-Vm|＞可接受的误差，然后去往步骤3。如果差小于可接受的误差，则过程可以停止，因为已实现了足够的负载补偿

3.使用以下公式计算RL：

4.计算补偿的漏极电流：

5.使用以下公式计算要强制的下一个强制电压值：

Vf2＝Vt+(RL*Id)

6.利用作为强制电压的下一个值的Vf2在步骤1处重复。

在非线性器件中，线性方法中的假设不一定有效。对于这些类型的器件，预期值方法使用迭代方法来预测目标漏极电压Vt的准确漏极电流。该方法非常适合于非线性器件。图4以图表方式示出了负载电阻对漏极电流和漏极电压的影响。顶部曲线20示出了在无负载电阻(RL＝0)的情况下的Id-Vd相关性，并且底部曲线22示出了由于RL而减小的漏极电流。

对于迭代方法中的每个步骤，测量电流Im和电压Vm，并且然后计算负载电阻(RL)、预期电流Iexp、所需的强制电压Vf以及在目标电压与测量的电压之间的差|Vt-Vm|。计算最初依赖于前两次测量，并且此后依赖于先前测量到最近测量(这里被称为‘瞬时’测量)。这些计算如下：

RL：

Iexp：Iexp＝(a×Vf)+b

其中，a是线的斜率并且根据每个迭代步骤的前两次先前测量而计算如下：

b是y截距并且计算如下：

b＝Im1-aVf1；和

Vf＝Vt+(Iexp×RL)

根据图表和导出的方程，用于校正或补偿负载电阻的方法的另一实施例，一旦计算了这些值，就可以重复下面的过程以找到Id和在非线性器件中校正RL所需的强制电压。

1.设定强制电压的目标Vt。

2.测量漏极电压Vm和漏极电流Im。

3.计算RL、Iexp、Vf和|Vt-Vm|。

4.比较|Vt-Vm|与预设的准确度规范来确定是否需要另一迭代。

5.如果未达到，则利用计算的Vf在步骤1处重复。

6.返回Id。

图5说明了DUT的预期电流在实际Id曲线上的收敛。在这种情况下，需要所产生的三次迭代以达到目标电压。在最终迭代中，测量值是Vm3＝Vt和Im3＝Id。

在表1中列举针对该示例所采取的三个步骤。

实际的示例说明了使用预期值方法的好处。图6示出了当测量功率MOSFET的漏极电流与漏极电压(输出特性)时负载电阻的影响。在该示例中，在每个栅极电压步阶处，目标漏极电压设定为扫描0至10V。然而，由于负载电阻，最大漏极电压和漏极电流被减小。图表中示出的负载线的斜率是1/RL。

图7示出了当在同一功率MOSFET上生成输出特性时使用预期值方法的效果。在这种情况下注意，在每个栅极电压步阶处测量10V的最大目标漏极电压。

总之，两种方法使用类似的方法来使用先前测量的漏极电流和电压以确定强制电压的新值以补偿负载电阻，直到测量的漏极电压与目标电压匹配。两种方法之间的差别是基于如何确定Id。线性模型方法使用比率技术，而预期值方法以迭代方法使用多次测量。

人们应当注意，实施例的方法可以作为由测试和测量仪器的处理能力执行的指令或代码来执行。图8示出了仪器的实施例。术语“测试和测量仪器”适用于在测试和测量DUT中使用的任何类型的设备，包括示波器、源测量单元、万用表等。

图8示出了用于实现实施例的方法的示例测试和测量仪器50的框图。测试和测量仪器50包括：一个或多个输入端口52，其可以通过探针或连接58从DUT接收信号；以及一个或多个输出端口54，其可以是任何电信号传送介质。端口52、54可以包括接收器、发射器和/或收发器。输入端口52用于从附着的器件(诸如DUT、MOSFET、功率MOSFET或其他正被测试的物体)接收信号。输出端口54用于将生成的信号运送出仪器300以施加到器件或DUT。输出信号的示例包括波形以及恒定的电流和电压，并且可以施加到正被测试的一个或多个器件。每个输入端口52可以包括测试和测量仪器50的通道。输入端口52与一个或多个处理器66耦合以处理在端口52处从一个或多个待测试器件接收的信号和/或波形。输出端口54可以耦合到处理器66或者耦合到在仪器50内的生成适当输出信号的其他组件。虽然为了便于说明，图8仅示出了一个处理器56，但是如本领域技术人员将理解的，可以组合使用不同类型的多个处理器66，而不是单个处理器56。

输入端口52还可以连接到测试仪器50内的测量单元(为了便于说明，这里未描绘)。这样的测量单元可以包括能够测量经由输入端口52接收的信号的方面(诸如电压、安培数、幅度等)的任何组件。输出端口54还可以连接到仪器50的各种组件(诸如电压源、电流源或波形发生器)，所述各种组件为了便于说明而未描绘。测试和测量仪器50可以包括附加的硬件和/或处理器，诸如调节电路、模数转换器和/或用于将接收的信号转换为用于进一步分析的波形的其他电路。然后，所得到的波形可以存储在存储器60中，并且显示在显示器62上。

一个或多个处理器56可以被配置为执行来自存储器60的指令，并且可以执行由这样的指令指示的任何方法和/或关联的步骤，诸如根据本公开的实施例向耦合的器件显示测量的值。存储器60可以被实现为处理器高速缓存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、固态存储器、(一个或多个)硬盘驱动器或任何其他存储器类型。存储器310充当用于存储数据、计算机程序产品和其他指令的介质。

从用户接口接收的用户输入耦合到处理器56。用户接口62可以包括键盘、鼠标、轨迹球、触摸屏和/或由用户针对显示器62上的用户接口可采用的任何其他控件。虽然测试仪器50的组件被描绘为集成在测试和测量仪器50内，但是本领域普通技术人员将理解，这些组件中的任何组件可以在测试仪器50的外部并且可以以任何常规方式耦合到测试仪器50。

以这种方式，提供了用于补偿负载线电阻的实施例。先前负载线补偿方法通常在找到适当的补偿之前需要更多许多次迭代。这里的实施例采取较少的脉冲/测量迭代来补偿负载影响。实施例的计算依赖于来自先前测量的信息，从而允许在每个步骤处动态计算负载线电阻。

这项技术独特且高效之处在于，我们构建了动态器件模型并使用来自先前迭代的数据来加速下一次迭代。

本公开的方面可以在特别创建的硬件上、在固件、数字信号处理器上或者在包括根据编程指令操作的处理器的专门编程的通用计算机上操作。本文中所使用的术语控制器或处理器旨在包括微处理器、微计算机、专用集成电路(ASIC)和专用硬件控制器。本公开的一个或多个方面可以体现在计算机可使用数据和计算机可执行指令中，诸如体现在由一个或多个计算机(包括监视模块)或其他器件执行的一个或多个程序模块中。通常，程序模块包括当由计算机或其他器件中的处理器执行时执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。计算机可执行指令可以存储在非暂时性计算机可读介质上，所述非暂时性计算机可读介质诸如硬盘、光盘、可移动存储介质、固态存储器、随机存取存储器(RAM)等。如本领域技术人员将理解的，程序模块的功能可以如在各个方面中期望的那样进行组合或分布。另外，功能可以全部地或部分地体现在固件或硬件等同物(诸如集成电路、FPGA等)中。特定数据结构可以用于更有效地实现本公开的一个或多个方面，并且这样的数据结构被设想在本文中描述的计算机可执行指令和计算机可使用数据的范围内。

在一些情况下，所公开的方面可以以硬件、固件、软件或其任何组合来实现。所公开的方面还可以被实现为由一个或多个或非暂时性计算机可读介质承载或在一个或多个或非暂时性计算机可读介质上存储的指令，所述指令可以由一个或多个处理器读取和执行。这样的指令可以被称为计算机程序产品。如本文中所讨论的，计算机可读介质意指可以由计算器件访问的任何介质。作为示例而非限制，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。

另外，该书面描述参考了特定特征。要理解，本说明书中的公开包括那些特定特征的所有可能的组合。例如，当在特定方面的上下文中公开特定特征时，该特征也可以在可能的程度上在其他方面的上下文中使用。

而且，当在本申请中参考了具有两个或更多个定义的步骤或操作的方法时，可以以任何顺序或同时执行所述定义的步骤或操作，除非上下文排除那些可能性。

尽管为了说明的目的已示出和描述了本公开的特定方面，但是将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种修改。因此，除了受所附权利要求限制之外，本公开不应当受到限制。

示例

下面提供所公开的技术的说明性示例。技术的实施例可以包括下面描述的一个或多个示例以及它们的任何组合。

示例1是一种测试和测量仪器，包括：用户接口；一个或多个探针，被配置为连接到包括MOSFET的待测试器件；一个或多个处理器，被配置为执行代码，该代码导致一个或多个处理器：设定要在MOSFET两端测量的目标电压；向MOSFET施加强制电压；利用一个或多个探针测量MOSFET的漏极电流和漏极电压；确定测量的漏极电压与目标电压之间的差是否满足阈值；当差不满足阈值时，使用测量的漏极电压、测量的漏极电流和负载电阻来确定新的强制电压值以补偿负载电阻，将强制电压设定为新的强制电压值，并根据需要重复施加、测量和确定步骤。

示例2是示例1的测试和测量仪器，其中导致一个或多个处理器确定差是否满足阈值的代码导致一个或多个处理器确定差是否小于可接受的误差。

示例3是示例1或2中任一个的测试和测量仪器，一个或多个处理器还被配置为执行代码以导致一个或多个处理器：当差确实满足阈值时，确定新的强制电压并重复施加、测量和确定步骤。

示例4是示例1至3中任一项的测试和测量仪器，一个或多个处理器还被配置为执行代码以导致一个或多个处理器：当差确实满足阈值时，将所述强制电压用于MOSFET。

示例5是示例1至4中任一项的测试和测量仪器，其中导致一个或多个处理器使用测量的漏极电压、测量的漏极电流和负载电阻来确定新的强制电压值的代码包括代码以导致一个或多个处理器：通过找出从强制电压减去测量的漏极电压的结果并将该结果除以测量的漏极电流来确定负载电阻；以及通过将负载电阻和预期的漏极电流的乘积与目标电压的值相加来确定新的强制电压值。

示例6是示例5的测试和测量仪器，其中一个或多个处理器还被配置为执行代码，该代码导致一个或多个处理器通过将测量的漏极电流乘以强制电压除以漏极电压来确定预期的漏极电流。

示例7是示例5的测试和测量仪器，其中一个或多个处理器还被配置为执行代码，该代码导致一个或多个处理器：通过测量漏极电压和漏极电流至少两次以产生先前测量和瞬时测量来确定预期的漏极电流，并且然后：通过找出强制电压与在先前测量和瞬时测量之间的线的斜率的乘积来计算预期的漏极电流；并将线的y截距与乘积相加。

示例8是一种方法，该方法包括：设定要在包括MOSFET的待测试器件两端测量的目标电压；向MOSFET施加强制电压；测量MOSFET的至少一个漏极电流和至少一个漏极电压；确定测量的漏极电压与目标电压之间的差是否满足阈值；当差不满足阈值时：计算负载电阻；计算预期的漏极电流；使用预期的负载电阻、预期的漏极电流和目标电压找到强制电压的新电压值；重复设定、施加、测量和确定，直到差满足阈值。

示例9是示例8的方法，其中确定差是否满足阈值包括确定差是否小于可接受的误差。

示例10是示例8或9中任一个的方法，其中计算预期的漏极电流包括将至少一个测量的漏极电流乘以强制电压除以至少一个漏极电压。

示例11是示例8至10中任一项的方法，其中测量至少一个漏极电流和至少一个漏极电压包括测量两个漏极电流：先前漏极电流和瞬时漏极电流，测量至少一个漏极电压包括测量至少两个漏极电压：先前漏极电压和瞬时漏极电压。

示例12是示例11的方法，其中计算预期的漏极电流包括：找出强制电压与在先前漏极电流和漏极电压测量与瞬时漏极电流和漏极电压测量之间的线的斜率的乘积，并将该线的y截距与乘积相加。

示例13是示例12的方法，其中线的斜率等于先前漏极电流减去瞬时漏极电流的量除以先前漏极电压减去瞬时漏极电压的量。

示例14是示例12的方法，其中y截距等于先前漏极电流减去强制电压乘以线的斜率。

所公开主题的先前描述的版本具有许多优点，所述优点已被描述或者对于普通技术人员来说将是显而易见的。即使如此，这些优点或特征并非在所公开的装置、系统或方法的所有版本中需要。

另外，该书面描述参考了特定特征。要理解，本说明书中的公开包括那些特定特征的所有可能的组合。当在特定方面或示例的上下文中公开特定特征时，该特征也可以在可能的程度上在其他方面和示例的上下文中使用。

而且，当在本申请中参考了具有两个或更多个定义的步骤或操作的方法时，可以以任何顺序或同时执行所述定义的步骤或操作，除非上下文排除那些可能性。

本说明书(包括权利要求书、摘要和附图)中公开的所有特征以及所公开的任何方法或过程中的所有步骤可以以任何组合进行组合，除了其中这样的特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合之外。除非另外明确陈述，否则说明书(包括权利要求书、摘要和附图)中公开的每个特征可以由为相同、等同或类似目的服务的替代特征替换。

尽管为了说明的目的已说明和描述了本发明的特定示例，但是将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。因此，除了受所附权利要求限制之外，本发明不应当受到限制。