КОМПОНОВКА SMU, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ RF ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2018 года по МПК G01R31/36 

Уровень техники

Настоящее изобретение, в общем, относится к области радиочастотных (RF) транзисторов. В частности описана система, используемая для обеспечения повышенной стабильности при тестировании и измерении RF транзисторов.

Конструктивные требования для поддержания стабильности RF транзисторов и других усилителей, и дискретных устройств с тремя выводами обычно входят в конфликт с необходимостью использования модуля источника/измерителя (SMU) при выполнении измерений с постоянным током на этих устройствах. В частности, тестирование с постоянным током таких RF устройств вызывает возбуждение колебаний в RF устройстве. В результате, множество RF устройств просто невозможно протестировать в условиях постоянного тока. Таким образом, существует потребность в улучшенном способе тестирования RF транзисторов и в конструктивных усовершенствованиях известных методов для тестирования этих компонентов. Примеры новых и полезных систем, относящихся к потребностям, существующим в данной области техники, описаны ниже.

В этом отношении SMU часто используют для тестирования высокоскоростных устройств (со скоростью больше 1 мГц), таких как транзисторы и усилители на интегральных схемах. Кривые I/V (ток/напряжение) транзисторов в условиях работы при постоянном токе и измерения IDDQ RF усилителей являются обычными тестами, выполняемыми для этих устройств. Символ IDDQ имеет два значения. IDDQ обычно используется для обозначения состояния покоя тока питания и также может использоваться для обозначения метода тестирования, который основан на выполнении измерений в состоянии покоя тока питания (IDDQ). Таким образом, IDDQ как метод тестирования представляет собой технологию, основанную на измерении тока питания в состоянии покоя испытуемого устройства (DUT).

Каждое из этих устройств имеет один общую характеристику - усиление, которая определяет, что необходимо с особым вниманием подходить к использованию или тестированию этих устройств. Как хорошо известно в данной области техники, любое устройство с усилением обладает потенциалом возбуждения колебаний, если разрешена обратная связь выхода с входом при нулевой фазе, когда усиление усилителя больше, чем единица. Когда такие высокоскоростные усилители используются по назначению, необходимо тщательно следить за тем, чтобы отсутствовала обратная связь с выхода на вход с задержкой выравнивающей фазы. Кроме того, в случае очень высокоскоростных усилителей, необходимо дополнительно тщательно следить за тем, чтобы обеспечить правильную концевую заделку входных и выходных линий этих устройств, для устранения отражения. Отражения с выхода усилителя могут поступать через определенную связь на вход усилителя, что приводит к колебаниям усилителя. В этом случае отражение может передавать энергию через эту связь с выхода усилителя на вход усилителя, генерируя условие с нулевой фазой, как было описано выше.

Известные ранее высокоскоростные устройства, такие как транзисторы и усилители, обычно соединяют с SMU, используя длинные кабели типа банан или триоксиальные кабели. В каждом случае длинные кабели (линии электропередачи) не имеют соответствующей концевой заделки, и не имеют согласованный RF импеданс для устранения нежелательных колебаний. В результате, во множестве высокоскоростных устройств могут возникать колебания при попытке провести основные измерения I/V так, как описано выше.

Триоксиальные кабели, часто для краткости называемые триакс кабелями, представляют собой электрический кабель такого типа, который аналогичен коаксиальному кабелю (кратко коакс), но с добавлением дополнительного слоя изоляции и второй проводящей оболочки. Таким образом, триаксиальные кабели обеспечивают большую полосу пропускания и лучшее экранирование взаимных помех, чем коаксиальный кабель. В идеале, триаксиальные кабели имеют импеданс приблизительно 100 Ом от внутреннего проводника до внешней оболочки.

Ранее известные способы и системы для уменьшения таких нежелательных колебаний предусматривали внутреннее экранирование триаксиальных кабелей для обеспечения "защиты" для соединений входов HI и Sense HI со SMU. Спад частоты защиты происходил далеко за пределами замыкания контура SMU, предотвращая колебания SMU из-за нежелательных условий, описанных выше, называемых "осциллятором защитного кольца". Разделенная защита, описанная выше, выполнялась путем управления защитой кабеля с помощью резистора. Спад характеристики резистивной защиты происходил на частоте, позволяющей защите "плавать" на высоких частотах. В результате, такое внутреннее экранирование или "защитный проводник" в триаксиальных кабелях предполагало наличие соответствующего RF напряжения, в соответствии с его положением между внутренним и внешним экранированием триаксиальных кабелей для всех частот намного выше частоты спада защиты.

В соответствии с этим, желательны улучшения, относящиеся к тестированию высокоскоростных RF устройств, которые уменьшают или устраняют нежелательные колебания.

Раскрытие изобретения

Варианты осуществления раскрытой технологии, в общем, включают в себя RF системы тестирования, с помощью которых цепь измерений постоянного тока также может действовать как RF цепь с надлежащей конечной заделкой. Достижение этой задачи требует, чтобы выходные проводники HI, LO и Sense HI имели согласованную нагрузку с избирательностью по частоте таким образом, чтобы такая оконечная нагрузка не влияла на измерения SMU при постоянном токе. Как только все входные и выходные импедансы SMU отрегулированы, и они также имеют соответствующую концевую заделку для устранения отражений, в высокоскоростных устройствах больше не будут возбуждаться колебания во время тестирования устройства, до тех пор пока измерительные инструменты имеют высокую степень изоляции между собой (отдельные инструменты используются для затвора и стока, или входа и выхода устройства).

Указанные выше и другие цели, свойства и преимущества изобретения будут более понятны из следующего подробного описания изобретения, перед которым следуют ссылки на чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана блок-схема первого варианта осуществления компоновки SMU для обеспечения стабильности RF транзистора в соответствии с определенными вариантами осуществления раскрытой технологии.

На фиг.2 схематично представлена схема примера компоновки SMU для обеспечения стабильности RF транзистора, показанной на фиг.1.

Осуществление изобретения

Раскрытые методы RF тестирования будут более понятны в результате анализа следующего подробного описания изобретения совместно с чертежами. Подробное описание изобретения и чертежи представляют просто примеры различных вариантов изобретений, описанных здесь. Для специалиста в данной области техники будет понятно, что раскрытые примеры могут изменяться, могут быть модифицированы и изменены, без выхода за пределы объема описанного здесь изобретения. Множество вариаций рассматривается для разных вариантов применения и конструктивных особенностей; однако, для краткости, все эти рассматриваемые вариации не будут описаны отдельно в следующем подробном описании изобретения.

В следующем подробном описании изобретения представлены примеры различных методов тестирования RF. Соответствующие признаки в примерах могут быть идентичными, аналогичными или разными в разных примерах. Для краткости, для аналогичных признаков не представлены избыточные пояснения в каждом примере. Вместо этого, использование схожих наименований особенностей подскажет пользователю, что свойство со схожим наименованием особенностей может быть аналогичным для аналогичной особенности в примере, пояснявшемся ранее. Свойства, специфичные для данного примера, будут описаны в этом конкретном примере. Читатель должен понять, что данное свойство не обязательно должно быть таким же или аналогичным конкретному изображению соответствующего свойства в любой из данных фигур или примеров.

Со ссылкой на фиг.1 ниже будет описана блок-схема первого примера системы 10 и методологии компоновки SMU для обеспечения стабильности RF транзистора. Система 10 включает в себя тестируемое устройство (DUT) 12, первый SMU 14, имеющий первый набор по меньшей мере из трех точек 44, 46, 48 тестирования, первый набор триаксиальных кабелей 49, 56, 64, набор узлов 70, 72, 74, соединенных с DUT 12, второй SMU 114, имеющий второй набор по меньшей мере из трех точек 144, 146, 148 тестирования и второй набор триаксиальных кабелей 149, 156, 164.

Как показано на фиг.2, каждый из первого набора триаксиальных кабелей 49, 56, 64 включает в себя по меньшей мере центральный сигнальный проводник 50, 60, 66, внешнее экранирование 54, 62, 68 и средний проводник 52, 58, 67, соответственно. Аналогично, каждый из второго набора триаксиальных кабелей 149, 156, 164 включает в себя по меньшей мере центральный сигнальный проводник 150, 160, 166, внешнее экранирование 154, 162, 168 и средний проводник 152, 158, 167, соответственно. Система 10 при функционировании реализует метод кабельных межсоединений, который позволяет выполнять измерения I/V характеристик RF DUT с уменьшенными взаимными помехами между входными и выходными выводами SMU.

В примере, показанном на фиг.2, SMU 114 сконфигурирован идентично SMU 14; таким образом, требуется описать способ и систему 10 в отношении только SMU 14 и его соединения с триаксиальными кабелями 49, 56, 64. Для простоты понимания и для ссылок между SMU 14 и SMU 114, каждый из отражаемых компонентов для SMU 114 обозначен позицией, соответствующей SMU 14, увеличенной на 100, (например, SMU 14 идентичен SMU 114, первый защитный резистор 26 идентичен первому защитному резистору 126 и т.д.). Значения каждого из описанных резисторов и конденсаторов будут представлены в скобках, но читатель должен понимать, что эти значения представляют собой всего лишь один пример набора значений для данных компонентов. В соответствии с этим, другие примеры системы 10 могут включать в себя множество других наборов значений для каждого из резисторов и конденсаторов, описанных здесь. Далее, DUT 12 представлен в настоящем примере как биполярный транзистор, но он может представлять собой любое устройство с тремя выводами в других примерах системы.

Как можно видеть на фиг.2, SMU 14 дополнительно включает в себя входной вывод 16 HI, входной вывод 18 Sense HI и входной вывод 20 LO. Входной вывод 16 HI имеет концевую заделку RF выше частоты среза CUTOFF, благодаря тому, что предусмотрен первый оконечный резистор 22 (50 Ом), включенный последовательно с первым защитным конденсатором 24 (50 пФ) и вторым защитным конденсатором 28 (150 пФ) с входным выводом 20 LO и заземленный на заземление 42 выводов через конденсатор 38 (100 пФ) заземления. Кроме того, входной вывод 16 HI также электрически соединен с триаксиальным кабелем 49 через тестовую точку 44. Следует отметить, что центральный сигнальный проводник 50 триаксиального кабеля 49 электрически соединен со входным выводом 16 HI. Центральный сигнальный проводник 50 триаксиального кабеля 49 также электрически соединен с базой DUT 12 через узел 70.

Аналогично, входной вывод 18 Sense HI (S+) выполнен с оконечной заделкой RF выше частоты CUTOFF среза, благодаря установке второго оконечного резистора 30 (50 Ом) последовательно с третьим защитным конденсатором 32 (50 пФ) и четвертым защитным конденсатором 36 (150 пФ) на входным выводе 20 LO и заземленного на заземление 42 выводов через заземляющий конденсатор 38 (100 пФ). Кроме того, вывод 18 Sense HI также электрически соединен с триаксиальным кабелем 56 через тестовую точку 46. Следует отметить, что центральный сигнальный проводник 60 триаксиального кабеля 56 электрически соединен со входным выводом 18 Sense HI. Центральный сигнальный проводник 60 триаксиального кабеля 56 также электрически соединен с базой DUT 12 через узел 70.

Как первый оконечный резистор 22, так и второй оконечный резистор 30, и один из его соответствующих защитных конденсаторов 24, 32, "защищены" их соответствующими защитными резисторами 26, 34 для всех частот ниже частоты CUTOFF среза. Защитные резисторы 26, 34 и все защитные конденсаторы 24, 28, 32, 36 разработаны так, что защита для постоянного тока работает только ниже частоты CUTOFF среза, при этом входной вывод 16 HI и входной вывод 18 Sense HI остаются соответствующим образом завершенными выше RF частоты CUTOFF среза. Кроме того, внешние экраны 54, 62, 68 триаксиальных кабелей 49, 56, 64 электрически соединены вместе и заземлены на заземление 42 выводов. Эти соединения требуются для поддержания соответствующего завершения для раскрытого варианта осуществления.

Входной вывод 20 LO электрически соединен, как со входным выводом 16 HI, так и со входным выводом 18 Sense HI, как указано выше, а также электрически соединен с центральным сигнальным проводником 66 триаксиального кабеля 64. Кроме того, средний проводник 67 триаксиального кабеля 64 также электрически соединен со входным выводом 20 LO, в то время как центральный сигнальный проводник 66 триаксиального кабеля 64 электрически соединен с эмиттером DUT 12 через узел 74, который также электрически соединен с центральным сигнальным проводником 166 триаксиального кабеля 164.

Третий защитный резистор 40 (20 кОм) электрически соединен с триаксиальным кабелем 49 и триаксиальным кабелем 56 через их соответствующие средние проводники 52, 58. Защитный резистор 40 функционирует так же, как защитные резисторы 26, 34, которые предназначены для использования операционного усилителя на каждом из трех входных защитных выводов (схема операционного усилителя не показана), с тем чтобы определить напряжение на входном выводе 16 HI и входном выводе 18 Sense HI, соответственно, и для подачи этих же напряжений на соответствующие защитные входные выводы. Таким образом, например, на частоте ниже частоты среза CUTOFF работает защита по постоянному току; однако на частотах выше частоты среза CUTOFF защита по постоянному току не работает, и как входной вывод 16 HI, так и входной вывод 18 Sense HI будут соответствующим образом завершены на вывод 42 заземления.

Следует отметить, что система 10 пригодна для выполнения I/V измерений (на частотах ниже частоты CUTOFF среза) и для RF измерений (на частотах выше частоты CUTOFF среза), как пояснялось выше. Хотя частота CUTOFF среза для каждого SMU может изменяться из-за значений внутренних компонентов, оптимальное значение для частоты CUTOFF среза частично зависит от полосы пропускания измерений, а также от RF частоты, требуемой для соответствующего завершения DUT и его стабилизации. Однако, как правило, частота CUTOFF среза должна быть выбрана как можно более низкой, и обычно немного выше полосы пропускания измерений. Для I/V измерений с высоким разрешением часто частоту CUTOFF среза выбирают между 3 кГц и 6 кГц, несколько выше I/V измерения. Например, в настоящем раскрытом варианте осуществления частота среза составляет приблизительно 3538 Гц, которая представляет собой частоту, которая ниже большинства выполняемых I/V измерений. В качестве альтернативы, в других способах, частота CUTOFF среза может находиться в пределах ранее раскрытого диапазона 3-6 кГц.

Как представлено на фиг.2, в настоящем варианте осуществления раскрыта схема межсоединений DUT 12 в конфигурации общим эмиттером, где эмиттер DUT 12 является общим с выводом 42 заземления через центральный проводник 66 сигнала триаксиального кабеля 64 и конденсатор 38 заземления. В качестве альтернативы, в других примерах, DUT мог бы быть в схеме межсоединений в конфигурации с общей базой или с общим коллектором. Кроме того, DUT в настоящем варианте осуществления, в частности, представляет собой NPN транзистор, но в других примерах DUT может представлять собой металл-оксидный полевой транзистор (MOSFET), операционный усилитель, или любое дискретное устройство с тремя выводами.

После описания и пояснения принципов изобретения со ссылкой на представленные варианты осуществления, следует понимать, что представленные варианты осуществления могут быть модифицированы в компоновках и деталях, без выхода за пределы таких принципов, и могут быть скомбинированы любым требуемым образом. И хотя представленное выше описание фокусировалось на конкретных вариантах осуществления, рассматриваются другие конфигурации. В частности, даже при том, что выражения, такие как "в соответствии с вариантом осуществления изобретения" и т.п. используются здесь, эти фразы следует понимать, как общую ссылку на возможные варианты осуществления, и они не предназначены для ограничения изобретения конкретными конфигурациями варианта осуществления. Используемые здесь такие термины могут обозначать одинаковые или разные варианты осуществления, которые можно скомбинировать в другие варианты осуществления.

Следовательно, с учетом широкого разнообразия перестановок в описанных здесь вариантах осуществления, такое подробное описание изобретения и приложенный материал предназначены только для иллюстрации, и их не следует рассматривать как ограничение объема изобретения. Поэтому то, что заявлено в изобретении, представляет собой все такие модификации, которые могут попадать в пределы объема и сущности следующей формулы изобретения и ее эквивалентов.

Изобретение относится к метрологии. Способ тестирования испытуемого устройства характеризуется тем, что соединяют первый модуль источника/измерителя с первым набором по меньшей мере из трех триаксиальных кабелей и выводом заземления. Каждый триаксиальный кабель содержит центральный сигнальный проводник, внешний экран и средний проводник, внешние экраны первого набора триаксиальных кабелей электрически соединяют вместе с выводом заземления. Затем соединяют второй конец каждого кабеля из первого набора триаксиальных кабелей с набором узлов испытуемого устройства. Соединяют второй измеритель со вторым набором по меньшей мере из трех триаксиальных кабелей и имеющих центральный сигнальный проводник, внешний экран, средний проводник и вывод заземления, при этом каждую из трех точек тестирования соединяют с первым концом центрального сигнального проводника каждого кабеля из второго набора трех триаксиальных кабелей, соответственно, а внешние экраны второго набора триаксиальных кабелей электрически соединяют вместе с выводом заземления. Соединяют второй конец каждого кабеля из второго набора триаксиальных кабелей с указанным набором узлов испытуемого устройства. Внешние экраны кабелей как первого, так и второго наборов триаксиальных кабелей соединяют вместе и заземляют. Технический результат – повышение стабильности измерений. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ для тестирования испытуемого устройства (DUT), характеризующийся тем, что:

соединяют первый модуль источника/измерителя (SMU), включающий в себя по меньшей мере три точки тестирования, с первым набором по меньшей мере из трех триаксиальных кабелей и выводом заземления, причем каждый триаксиальный кабель содержит по меньшей мере центральный сигнальный проводник, внешний экран и средний проводник, при этом каждую из трех точек тестирования соединяют с первым концом центрального сигнального проводника каждого кабеля из первого набора из трех триаксиальных кабелей, соответственно, а внешние экраны первого набора триаксиальных кабелей электрически соединяют вместе с выводом заземления;

соединяют второй конец каждого кабеля из первого набора триаксиальных кабелей с набором узлов испытуемого устройства;

соединяют второй SMU, включающий в себя по меньшей мере три точки тестирования, со вторым набором по меньшей мере из трех триаксиальных кабелей и имеющих центральный сигнальный проводник, внешний экран, средний проводник и вывод заземления, при этом каждую из трех точек тестирования соединяют с первым концом центрального сигнального проводника каждого кабеля из второго набора трех триаксиальных кабелей, соответственно, а внешние экраны второго набора триаксиальных кабелей электрически соединяют вместе с выводом заземления;

соединяют второй конец каждого кабеля из второго набора триаксиальных кабелей с указанным набором узлов испытуемого устройства;

при этом внешние экраны кабелей как первого, так и второго наборов триаксиальных кабелей электронно соединяют вместе и электрически соединяют с их соответствующими выводами заземления.

2. Способ по п.1, в котором первый и второй SMU включают в себя вывод заземления на массу, с которым электрически соединены соответствующие внешние экраны первого и второго наборов триаксиальных кабелей.

3. Способ по п.1, в котором первый и второй SMU дополнительно включают в себя:

первый входной вывод, электрически соединенный с первой точкой тестирования, причем первый входной вывод имеет:

первый оконечный резистор, электрически последовательно соединенный с указанным первым входным выводом;

первый и второй защитные конденсаторы, электрически последовательно соединенные с первым оконечным резистором;

первый защитный резистор, электрически соединенный с первым защитным конденсатором и вторым защитным конденсатором;

конденсатор заземления, электрически последовательно соединенный с его соответствующим выводом заземления;

второй входной вывод, электрически соединенный со второй точкой тестирования, причем второй входной вывод имеет:

второй оконечный резистор, электрически последовательно соединенный со вторым входным выводом;

третий и четвертый защитные конденсаторы, электрически последовательно соединенные со вторым оконечным резистором;

второй защитный резистор, электрически соединенный с третьим защитным конденсатором и четвертым защитным конденсатором; и

третий входной вывод, электрически соединенный с первым входным выводом, вторым входным выводом и третьей точкой тестирования, причем третий входной вывод также электрически соединен с конденсатором заземления и его соответствующим выводом заземления.

4. Способ по п.3, в котором первый входной вывод выполнен с возможностью приема сигнала, подаваемого на вход Hi.

5. Способ по п.3, в котором второй входной вывод выполнен с возможностью приема сигнала, подаваемого на вход Sense Hi.

6. Способ по п.3, в котором третий входной вывод выполнен с возможностью приема сигнала, подаваемого на вход Lo.

7. Способ по п.1, в котором DUT представляет собой металлооксидный полевой транзистор (MOSFET), или операционный усилитель, или дискретное устройство с тремя выводами.

8. Способ по п.1, в котором DUT электрически соединен с первым и вторым набором триаксиальных кабелей в конфигурации с общим эмиттером.

9. Способ по п.1, в котором DUT электрически соединен с первым и вторым набором триаксиальных кабелей в конфигурации с общей базой.

10. Способ по п.1, в котором DUT электрически соединен с первым и вторым набором триаксиальных кабелей в конфигурации с общим коллектором.

11. Способ по п.1, в котором первый и второй SMU имеет соответствующий первый вход, электрически соединенный с первой точкой тестирования, каждый SMU имеет соответствующий первый входной вывод, электрически соединенный первым оконечным резистором, каждый оконечный резистор SMU имеет сопротивление по меньшей мере 50 Ом.

12. Способ по п.1, в котором первый и второй наборы триаксиальных кабелей имеют импеданс по меньшей мере 100 Ом.

13. Способ по п.1, в котором каждый SMU дополнительно включает в себя третий защитный резистор, электрически соединенный со средними проводниками первого и второго триаксиальных кабелей, соответственно.

14. Система для тестирования испытуемого устройства (DUT), содержащая:

первый модуль источника/измерителя (SMU), включающий в себя по меньшей мере три точки тестирования, соединенные с первым набором из по меньшей мере трех триаксиальных кабелей, каждый из которых содержит по меньшей мере центральный сигнальный проводник, внешний экран и средний проводник, и с первым выводом заземления, таким образом, что каждая из трех точек тестирования соединена с первым концом центрального сигнального проводника каждого кабеля из первого набора из трех триаксиальных кабелей, соответственно, и внешние экраны первого набора триаксиальных кабелей электрически соединены вместе и с первым выводом заземления;

набор узлов, соединенных со вторым концом каждого кабеля из первого набора триаксиальных кабелей и с DUT;

второй SMU, включающий в себя по меньшей мере три точки тестирования, соединенные со вторым набором по меньшей мере из трех триаксиальных кабелей, каждый из которых содержит по меньшей мере центральный сигнальный проводник, внешний экран и средний проводник, и со вторым выводом заземления, таким образом, что каждая из трех точек тестирования соединена с первым концом центрального сигнального проводника каждого кабеля из второго набора трех триаксиальных кабелей, соответственно, и внешние экраны второго набора триаксиальных кабелей электрически соединены вместе и со вторым выводом заземления;

второй конец каждого кабеля второго набора триаксиальных кабелей соединен с указанным набором узлов и с DUT;

при этом внешние экраны как первого, так и второго наборов триаксиальных кабелей электронно соединены с их соответствующим первым и вторым выводами заземления.

15. Система по п.14, в которой первый SMU и второй SMU содержит вывод заземления на массу, с которым электрически соединены соответствующие внешние экраны первого и второго триаксиальных кабелей.

16. Система по п.14, в которой DUT представляет собой металлооксидный полевой транзистор (MOSFET), или операционный усилитель, или дискретное устройство с тремя выводами.