DE69733789T2

DE69733789T2 - Hochauflösendes Stromversorgungsprüfsystem

Info

Publication number: DE69733789T2
Application number: DE69733789T
Authority: DE
Inventors: Hans Manhaeve; Stefaan Kerckenaere; Viera Stopjakova
Original assignee: Katholieke Hogeschool Brugge Oostende KHBO; Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC; Katholieke Hogeschool Vives
Priority date: 1996-06-05
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: EP0811850A3; US6118293A; EP0811850A2; ATE300741T1; DE69733789D1; US6441633B1; EP0811850B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Messen des Speisestromes eines elektronischen Gerätes oder eines integrierten Schaltkreises. Spezifischer gesehen wird ein System zum Prüfen des Speisestromes eines elektronischen Gerätes oder eines integrierten Stromkreises offengelegt.
Hintergrund der Erfindung
Es ist bewiesen worden, dass die Überwachung des Ruhespeisestromes (I_DDQ) ein geeignetes Prüfverfahren darstellt, welches benutzt werden kann sowohl zur Verifizierung von elektronischen Geräten oder Stromkreisen als auch zur Erhöhung der Qualität der Prüfung der besagten Geräte oder Stromkreise. Besonders wird in der Funktion einer verbesserten Prüfungsqualität ein genaues System zum Messen des Speisestromes benötigt.
Unter den funktionalen Teststrategien bezüglich des Hängenbleibens, Offenbleibens und Ruhestromes gibt es keine einzige Prüfmethode, die eine Feststellung sämtlicher Arten von Fehlern in elektronischen Geräten gewährleistet. Als Arten von Fehlern in elektronischen Geräten kann man eine gewisse Anzahl von Fehlern erwähnen, welche in digitalen CMOS-Geräten vorkommen, wie zum Beispiel Kurzschlüsse durch Oxydierung eines Gatters, Brückenbildung und Schwimmtore. Solche Defekte werden nicht von einem herkömmlichen, auf der Spannung basierenden Prüfverfahren erkannt. Viele Fehler, welche Zuverlässigkeitsrisiken aufwerfen, können nur durch eine I_DDQ-Prüfung entdeckt werden, deshalb sind mehrfache und genaue I_DDQ-Prüfungen notwendig für die CMOS-Geräte oder die integrierte Schaltkreise. Die I_DDQ-Prüfung bietet die empfindlichste und umfassendste Strategie an, stellt aber eine verhältnismäßig langsame Messtechnik dar. Die Messtechnik für den Ruhestrom beruht auf der Tatsache, dass defekte Geräte einen abnormal hohen Wert an elektrischem Zufuhrstrom (I_DD) erzeugen. Es wurde bewiesen, dass diese Technik sehr wirksam ist zum Aufdecken von verschiedenen Fehlern, die an CMOS Geräten oder an integrierte Schaltkreise vorkommen, und dass sie nur eine geringe Anzahl von Prüfbildern benötigt.
Die Gesamtkosten der Prüfung eines Stromkreises hängen ab von der Zeit für die Bildung des Prüfbildes, vom erforderlichen Fehlererfassungsbereich, von der Dauer der Prüfung für eine jede Einheit des Stromkreises und von der Anzahl der Stromkreise unter Prüfung. Während die Bildung einer Stromprüfung viel weniger GPU-Zeit in Anspruch nimmt und weniger Testbilder erzeugt, benötigt das Prüfen eines Stromkreises bei Anwendung von Stromprüfungen (angewandt in kHz-Bereichen) mehr Zeit als die Anwendung von logischen Prüfungen (angewandt in MHz-Bereichen). Das Messen des I_DDQ-Stromes außerhalb des Chips unter Anwendung eines Prüfmonitors, der nicht auf einem Chip mit dem elektronischen Stromkreis oder dem Gerät liegt, welches geprüft wird, bereitet Schwierigkeiten zum Prüfen von Hardware und verringert die Prüfrate wesentlich, falls eine gebräuchliche Prüfvorrichtung, wie zum Beispiel die parametrische Messeinheit (PMU), verwendet wird. Grundlegend bestehen zwei Lösungen zu diesem Problem. Die Anwendung einer Überwachung auf dem Chip, auf einem Chip integriert mit dem integrierten Stromkreis, der geprüft wird, kann die Prüffrequenz wesentlich erhöhen. Die Alternative besteht darin, eine zugeordnete Überwachung außerhalb des Chips zu verwenden. Nichts desto weniger werden heutzutage die meisten I_DDQ-Messungen bei der Produktionsprüfung noch immer mit einer Instrumentierung außerhalb des Chips vorgenommen. Einige wenige experimentelle Stromüberwachungen auf dem Chip/außerhalb des Chips sind bislang vorgeschlagen worden. Einer von ihnen wird bereits bei der Produktionsprüfung verwendet.
Um in der Lage zu sein eine I_DDQ-Prüfung in einer wirtschaftlich gerechtfertigten Weise durchzuführen, wird eine zugeordnete Messeinheit benötigt. Da auf dem Chip eingebaute Stromüberwachungen weit höhere Prüfgeschwindigkeiten erreichen können als Alternativen außerhalb des Chips, sind dieselben eingestuft worden als eine angemessene Wahl zur Prüfung des CMOS-VLSI-Stromes.
Das Dokument JP-A-7244125 bezieht sich auf eine Prüfeinrichtung für einen Stromkreis zur Durchführung einer Gleichstromprüfung und einer Funktionsprüfung an einem Prüfobjekt ohne Zuhilfenahme eines Relais. Dies ist eigentlich kein Tester für den Ruhestrom, welcher von einer Vorrichtung beim Testen gezogen wird.
Das Dokument EP-A-386804 bezieht sich auf einen Aufbau zum Messen eines Ruhestromes eines digitalen integrierten Schaltkreises. Die in diesem Dokument vorgeschlagene Lösung impliziert die Verwendung einer einen Transistor Ts umfassenden Messeinheit, welcher zwischen dem Zufuhr VDD und dem DUT gekoppelt ist. Diese Anordnung schafft automatisch einen Spannungsabfall und macht es für die Ausgangsspannung der Messeinheit unmöglich im Wesentlichen gleich zu sein mit der Eingangsspannung.
Das Dokument US-A-5392293 bezieht sich auf einen Stromsensor zum Abtasten eines Ruhestromes, welcher durch einen integrierten Stromkreis von einer Zufuhrspannung gezogen wird. Durch die Figur D3 wird klar, dass die Messeinheit des Ruhestromes nicht durch die Zufuhrspannung des DUT gespeist wird, sondern von einer Spannung, welche nach dem DUT auftritt.
Definition des Problems
Um die Ruhestromzufuhr des elektronischen Stromkreises oder des sich unter Test befindlichen Bauelementes (DUT), sollte die Messeinrichtung die Spannungszufuhr und Stromzufuhr des DUTs nicht in irgendeiner Weise beeinflussen, und sie sollte fähig sein, die parasitäre Kapazität auszusteuern, welche von der Zufuhrverkabelung des DUTs und der Entkopplungskapazität herrührt. Die meisten der bislang vorgestellten eingebauten Stromüberwachungen (BICs) sind entweder dazu bestimmt in den Erdungsanschluss eingefügt zu werden oder die Zufuhr des DUTs während der Messung gleitend zu lassen. Durch das Anbringen einer Messeinrichtung in den Erdungsanschluss wird eine virtuelle Erdung für die unter Prüfung stehenden Bauelemente geschaffen, welche, falls ein Strom fließt, von der wirklichen Erdung abweicht, und auf diese Weise die Genauigkeit der Messung beeinflusst.
Die Anwendung der an einem Prüfsystem in einer sättigungslosen Starkspannungsmessung vorhandenen Parametrischen Messeinheit (PMU) liefert eine quantitative und genaue Messung. Jedoch ist die PMU verhältnismäßig langsam – Messperioden betragen typischerweise 100 ms – und ist nicht fähig, Schaltspitzen von mehr als 100 mA zu liefern. Als ein Beispiel eines solchen Bauelementes kann die PMU genommen werden, welche am Credence VISTAvision Prüfsystem verfügbar ist.
Ein Überwachungsstromkreis, IDUNA genannt und in der EP-0386804 offenbart, war ursprünglich dazu bestimmt als eine Überwachung auf dem Chip zu dienen, sie kann jedoch ebenfalls als eine Überwachung außerhalb des Chips verwendet werden. Die IDUNA erzeugt eine Entscheidung bestanden/nicht bestanden, welche auf einem integrierten Vergleich des I_DDQ zu einem genormten Referenzstrom basiert ist. Der Vorteil des Stromkreises besteht darin, dass es möglich ist, hohe Messgeschwindigkeiten, eine verbesserte Genauigkeit und Störsicherheit gegenüber Geräuschen zu erreichen. Die Überwachung ist ausgelegt, um mit Frequenzen über 1 MHz zu arbeiten. Trotz ihrer Vorteile ist die IDUNA jedoch nicht in der Lage, hohe Kapazitätsladungen anzusteuern. Sie kann keine hohen Übergangsströme liefern und benötigt eine komplexe Kennzeichnung und Kalibrierungsprozedur, da ihre Messkennlinie nicht linear ist. Die IDUNA ist vorgesehen, um einen präzisen Vergleich des gemessenen Ruhestroms gegenüber einem vorher bestimmten Referenzstromniveau zu erstellen, eher als eine genaue Strommessung des Ruhestroms innerhalb eines bestimmten Messbereiches zu erstellen. Ferner, bedingt durch ihre begrenzte Fähigkeit einen Strom zu liefern und durch die begrenzte Fähigkeit eine kapazitive Belastung anzusteuern, kann die IDUNA lediglich angewandt werden, um kleine Stromkreise zu prüfen, und sie erfordert eine Unterteilung des Stromkreises in Kombination mit dem Gebrauch von mehrfachen Überwachungen, falls eine Stromüberwachung auf dem Chip von größeren Stromkreisen erwünscht ist.
Der OCIMU-Stromkreis, so wie er in EP-0672911 offengelegt wird, ist eine Überwachung außerhalb des Chips, welche mit Hilfe von diskreten Bausteinen hergestellt ist. Der OCIMU ist dazu in der Lage eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit zur Messung eines Stromes vorzutragen (Messzeit ungefähr 100 μs für eine 2 μF Ladung), insbesondere wenn eine hohe kapazitive Ladung angesteuert wird (bis zu einigen μF). Diese Eigenschaft ist wichtig, da moderne komplexe ASICs üblicherweise mehrfache Einspeisestifte umfassen (manchmal mehr als 20). Um eine hochwertige, stabile Zufuhr auf dem Chip zu gewährleisten, wird eine Entkopplungskapazität von 100 nF zu einem jeden dieser Einspeisestifte hinzugefügt. Auf diese Weise ist eine gesamte Entkopplungskapazität von 2 μF oder größer nicht ungewöhnlich. Der OCIMU Stromkreis ist ebenfalls in der Lage Übergangsströme von bis zu 10 Ampere zu liefern. Dies ist notwendig, denn ASICs von der Telekommunikation können Schaltüberströme von 5 Ampere erfordern, während die üblichen aufgenommenen Ruheströme im Bereich von 0,1 bis 100 μA liegen. Des Weiteren erfordert der Stromkreis nur ein Minimum an einer einfach durchzuführenden Kalibrierung und er liefert eine gut stabilisierte Spannungszufuhr zum DUT, wobei die DUT Einspeisestift(e) nie erdfrei gelassen werden. Eine andere Qualität beim OCIMU ist, dass dieser Stromkreis das Problem der Messung des Ruhestroms in einer hierarchischen Art und Weise anpackt. Der Stromkreis ist so ausgelegt, dass zuerst die Größenordnung des I_DDQ bestimmt wird, und erst dann, wenn der Strom unterhalb eines vorher bestimmbaren Niveaus liegt, wird eine genaue Messung vorgenommen. Ansonsten wird der Stromkreis sofort als 'schlechter Teil' ausgewiesen und es wird dem Prüfvorgang erlaubt beschleunigt zu werden. Die Nachteile des OCIMU-Stromkreises bestehen darin, dass derselbe nur als eine Überwachung außerhalb des Chips benutzt werden kann – da derselbe wegen seiner architekturellen Gestaltung nicht auf einfache Art und Weise unter Verwendung eines Standard CMOS-Verfahrens integriert werden kann – das will sagen, dass seine Prüfgeschwindigkeit begrenzt ist wenn Strommessungen mit einer Genauigkeit von 1 μA oder besser gewünscht werden – vor Allem wegen des durch seine Bausteine hervorgerufenen Geräusches – und dass der Stromkreis hoch empfindlich ist gegenüber demjenigen Geräusch, das an der DUT Zufuhrbezugsklemme vorhanden ist – es ist eine Zufuhr von hoher Qualität erforderlich mit einem Geräuschniveau von weniger als 1 mV_ptp, um die Messgenauigkeit der Überwachung zu gewährleisten.
Ziele der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein Prüfungssystem für elektronische Stromkreise oder Geräte zu liefern, welches nicht nur dazu dienen kann den Zufuhrruhestrom (I_DDQ) genau zu messen, welcher von einem Stromkreis oder einem Gerät gezogen wird und zu entscheiden, ob der Stromkreis oder das Gerät gut oder schlecht ist, sondern dasselbe kann auch auf eine einfache Art und Weise angepasst werden in Funktion der Anwendung im Hinblick auf den gewünschten Messbereich und die gewünschte Messgenauigkeit.
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ein I_DD Messsystem zu liefern, welches benutzt werden kann, sowohl für eine auf dem Chip eingebaute Stromüberwachung als auch für eine Stromüberwachung außerhalb des Chips in einem breit gefächerten Bereich von Anwendungen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Prüfsystem zu offenbaren, welches für die Prüfung sowohl in der Technik als auch in der Produktion benutzt werden kann, welches die Zufuhrspannung der unter Prüfung stehenden Geräte oder Stromkreise nicht beeinflusst, welches Messungen von hoher Genauigkeit mit hoher Geschwindigkeit liefert, welches auf einfache Art und Weise in einen genormten CMOS-Prozess integriert werden kann, welches das Problem der Unterteilung verbunden mit anderen eingebauten Stromüberwachungen überwindet und welches auf einfache Art und Weise in Funktion der Anwendungen und mit Hinblick auf den gewünschten Messbereich und die gewünschte Messgenauigkeit angepasst werden kann. Die I_DD-Überwachung der vorliegenden Erfindung erreicht diese Ziele und kann verwendet werden entweder als eine außerhalb des Chips als auch eine auf dem Chip eingebaute Stromüberwachung, und sie liefert in beiden Fällen verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu anderen Messvorrichtungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Doch es wird ein Prüfsystem (in der Folge ebenfalls als Überwachungsstromkreis bezeichnet) bekannt gegeben für die Messung eines Zufuhrstromes eines elektronischen Stromkreises, welches umfasst: einen ersten Teil mit Steuerungsmitteln zum Anlegen und Steuern von wenigstens einer Eingangsspannung und eines Stromes am besagten Stromkreis; einen zweiten Teil, welcher durch die besagte Eingangsspannung gespeist wird und welcher eine erste Ausgangsspannung und einen ersten Ausgangsstrom an eine erste Anschlussstelle und einen zweiten Ausgangsstrom an eine zweite Anschlussstelle liefert, wobei besagte erste Ausgangsspannung im Wesentlichen gleich ist mit der besagten Eingangsspannung, und wobei besagter zweiter Ausgangsstrom im Wesentlichen proportional zum besagten ersten Ausgangsstrom ist, welcher jenen Speisestrom darstellt; und welches einen Schalter zwischen der besagten Eingangsspannung und dem besagten elektronischen Stromkreis besitzt, welcher betätigt wird durch Schaltungshilfsmittel, welche gesteuert werden durch den besagten ersten Teil, zum Einschalten oder Ausschalten des besagten Schalters und hierdurch den besagten zweiten Teil in einen Messbetrieb oder in einen Nebenschlussbetrieb schaltet. Das System kann des Weiteren einen dritten Teil umfassen mit Mitteln zum Vergleichen des besagten zweiten Ausgangsstroms mit einer Bezugsgröße, wodurch der besagte Stromkreis geprüft wird. Der zweite Teil des Systems kann hergestellt werden als ein integrierter Schaltkreis, vorzugsweise in einer CMOS-Technik. Der besagte zweite Teil kann ebenfalls integriert werden mit dem besagten elektronischen Stromkreis unter Prüfung auf einem integrierten Stromkreis. Der besagte Schalter kann ein kompensierter Schalter sein zur Minimierung der Ladungsübertragung vom besagten Schalter auf den besagten Stromkreis.
Das System gemäß der Erfindung kann als ein I_DD-Messsystem konfiguriert werden, welches sowohl für die eingebaute Stromüberwachung als auch für die Überwachung außerhalb des Chips in einem breit gefächerten Bereich von Anwendungen und auch für die Prüfung sowohl in der Technik als auch in der Produktion gebraucht werden kann. Das System beeinflusst in keiner Weise die Zufuhrspannung der unter Prüfung stehenden Geräte oder Stromkreise und verschafft mit hoher Geschwindigkeit Messungen von hoher Genauigkeit. Das System gemäß der Erfindung liefert verbesserte Eigenschaften im Vergleich mit vergleichbaren I_DDQ-Messeinrichtungen. Das System kann basiert werden auf eine CCII+-Stromübertragungsstruktur und es kann in die VDD-Stromzufuhrleitung des unter Prüfung stehenden Gerätes (DUT) eingefügt werden. Das System kann benutzt werden, um entweder zu entscheiden ob das Gerät oder der Stromkreis unter Prüfung gut oder schlecht ist, basierend auf einem Vergleich des zweiten Ausgangsstroms gegenüber einer gegebenen Referenz, oder um den Strom genau zu messen, welcher vom unter Prüfung stehenden Gerät oder Stromkreis gezogen wird. Die Überwachung kann auf einfache Art und Weise programmierbar gemacht werden, um es dem Benutzer freizustellen, die gewünschte Konfiguration zu wählen in Funktion des gewünschten Messbereiches, der Genauigkeit und Geschwindigkeit vom erforderlichen Grad in Funktion der Ladungsbedingungen.
Die vorliegende Erfindung kann benutzt werden entweder als eingebaute Stromüberwachung, oder auch als externe Prüfeinrichtung, welche weitgehender in eine bestehende automatische Prüfeinrichtung (ATE) integriert werden könnte.
Das System kann als eine auf dem Chip eingebaute Überwachung benutzt werden, wobei es auf einem Chip integriert ist mit dem besagten, unter Prüfung stehenden Gerät, oder es kann benutzt werden als externes Überwachungsgerät, welches nicht mit dem besagten integrierten Stromkreis integriert ist. Das System gemäß der vorliegenden Erfindung kann benutzt werden, sowohl für technische Zwecke und Entwicklung, als auch für Prüfungen in der Produktion.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 & 2 zeigen zwei grundlegende Konfigurationen der Überwachung entsprechend der bevorzugten Ausführung gemäß der Erfindung.
3 zeigt grundlegende Konfigurationen, in welchen die Überwachung benutzt werden kann.
4 zeigt auf welche Weise der benötigte kompensierte Schalter verwirklicht werden könnte in der bevorzugten Ausführung gemäß der Erfindung.
5 zeigt eine Alternative für den Spannungskomparator, welcher in der grundlegenden Konfiguration 2 benutzt wird.
6 zeigt die angepasste grundlegende Konfiguration mit dem Spannungskomparator, welcher durch die in 5 gezeigte Alternative ersetzt wurde.
7–11 zeigen verschiedene alternative Ausführungen, welche benutzt werden könnten, um den Überwachungsstromkreis programmierbar zu gestalten, so dass der Anwender das Betreiben des Stromkreises in Funktion seiner Forderungen anpassen kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Als ein Beispiel, wie das System durchgeführt werden könnte, werden weiter unten zwei grundlegende Prüfkonfigurationen im Detail beschrieben, welche sich nur in der Art und Weise unterscheiden, wie das Messsignal verarbeitet wird. Die beiden Grundkonfigurationen werden in den 1 und 2 gezeigt.
Das System (nachstehend auch Überwachungsstromkreis genannt) gemäß der Erfindung umfasst grundlegend eine Nebenschlusseinheit (1), eine auf einer Stromübertragung der zweiten Generation aufgebaute Messeinheit (2), eine Vergleichs-/Bewertungseinheit (3) und eine fakultative elektronische Schaltereinheit (4), um das Messresultat festzuhalten, bis dass das Resultat der nächsten Messung gültig wird. Der elektronische Schalter wird betätigt durch das Umgekehrte des TRIG-Signals, welches die Betätigung der Nebenschlusseinheit kontrolliert, erzeugt durch den Inverter oder Umkehrer (6). Die beiden grundlegenden Einheiten unterscheiden sich in der Art und Weise, wie der Vergleich mit Rücksicht auf eine Referenz vorgenommen wird. In beiden Fällen kann der Überwachungsstromkreis benutzt werden, entweder um den gemessenen Strom mit einem vorher festgelegten Referenzwert zu vergleichen und auf diese Weise zu entscheiden, ob der Stromkreis gut oder schlecht ist, oder um den vom DUT gezogenen Strom genau zu messen, durch Änderung der Referenz mit welcher der Strom verglichen wird, um den Referenzwert zu messen, welcher eine Änderung des Zustandes des benutzten Komparators bewirkt. Aus dem Wert des benutzten Referenzwertes, kann der eigentliche gezogene Strom einfach errechnet werden.
Die Nebenschlusseinheit (1) wird benutzt, um die Übergangsströme zum DUT zu liefern, welche auftreten, wenn der Zustand des DUTs geändert wird, und diese Einheit besteht grundlegend aus einer Starkstrom MOSFET mit einem sehr geringen Widerstand. Um eine Ladungsübertragung vom Nebenschluss zum DUT zu vermeiden, was die Messung beeinflusst falls der Nebenschlussschalter seinen Zustand ändert, ist eine Kompensation erforderlich. Die Messeinheit misst den durch das DUT gezogenen Strom genau, wenn der Nebenschluss nicht aktiv ist, ohne die Zufuhrspannung des DUTs zu beeinflussen und sie erzeugt an ihrem Austritt einen Strom, der direkt proportional zu und mindestens gleich ist mit dem durch das DUT gezogenen Strom. Um dies zu erreichen, wird eine Stromübertragungsstruktur (2) auf der Basis der zweiten Generation benutzt, welche besteht aus einem regelnden Operationsverstärker (opamp regulator) oder einem programmierbaren Operationsverstärker (ota regulator) (11) mit hoher Anstieggeschwindigkeit, um eine kurze Reaktionszeit zu erzielen, was notwendig ist um die Spannungen an den beiden Eintritten derselben gleich zu halten in Funktion der ändernden Belastungsbedingungen, aus einem Spannungsverschiebungsstromkreis (12), um eine sich kreuzende Verzerrung zu vermeiden, ein Paar zusätzlicher MOS-Treibertransistoren (13,14), welche den vom DUT benötigten Strom liefern und ein Paar von entweder einfachen oder geregelten Cascodestromspiegeln (15, 16), um den vom DUT gezogenen Strom zu kopieren und um den Ausgangsstrom der Messeinheit zu erzeugen. Die nachfolgende Verarbeitung dieses Ausgangstromes Io ist dann Funktion der benutzten grundlegenden Konfiguration.
Für die erste, in der 1 dargestellte Konfiguration wird ein Stromkomparator (3) von hoher Genauigkeit benutzt, um den Messwert (Io) mit einem internen Referenzstrom (Ir) zu vergleichen. Dieser interne Referenzstrom ist umgekehrt proportional zum von außen zugeführten Referenzstrom (Iref) unter Anwendung eines Stromspiegels (5) mit einem Spiegelfaktor von 1/100. Dies, um den Einfluss der Variationen auf die externe Referenz auf das Messresultat zu minimieren. Ein Verriegelungsmittel (4) kann dann benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus abzutasten.
Für die zweite, in der 2 dargestellte Basiskonfiguration wird ein Widerstand (25) benutzt, um den Ausgangsstrom Io in eine Spannung umzuwandeln. Die Spannung über den Widerstand (Vr) wird anschließend mit einer von außen zugeführten Referenzspannung (Vref) verglichen, dies unter Einsatz eines Spannungskomparators (23). Wiederum kann ein Verriegelungsmittel (4) benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus abzutasten. Ein Ändern des Wertes des Widerstandes (25) erlaubt es verschiedene Messbereiche zu schaffen, basierend auf der gegenseitigen Beeinflussung des Widerstandes auf das Wirken der Stromspiegel (15, 16), welche den Messwert Io herstellen.
Basierend auf diesen beiden grundlegenden Konfigurationen können andere Überwachungsstrukturen entwickelt werden.
Um das Arbeitsprinzip und die Funktionsbedingungen der beschriebenen Erfindung zu bewerten, wurde bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Entwurf der Überwachung angefertigt, verarbeitet und geprüft. Die Überwachung wird als ein integrierter Schaltkreis hergestellt und in der Mietec 0,7μ CMOS-Technik verarbeitet. Nachstehend wird ein kurzer Überblick der Spezifikationen der hergestellten Überwachung gegeben:

• Verwendete Technik: Mietec 0,7 μm N-well CMOS 5 V.
• Überwachungszufuhr: 5 V.
• DUT Zufuhr: 3,3 V.
• Empfindlichkeit: 50 nA.
• Genauigkeit des Messbereichs: 100 nA bis 600 μA.
• Genauigkeit <= 10 nA für Ströme im Bereich von 50 na bis 10 μA.
• Maximaler Verfall der DUT-Zufuhrspannung: 100 mV für Übergangsströme von 100 mA.
• Maximaler Verfall der Zufuhrspannung während der Ruhestrommessung liegt bei 40 mV.
• Prüffrequenz von 1 MHz für Kapazitätsladung bis zu 200 pF.
• Die 5 V Zufuhr zur Überprüfung kann abgeschaltet werden, falls die Überwachung nicht benutzt wird.
• Ein 1 Ω kompensierter PMOS-Schalter wird verwendet zum Umgehen von Übergangsströmen; die Fläche des Schalters ist 650 × 205 μm².
• Die Überwachung ist fähig, gewaltige digitale ASIC Stromkreise zu behandeln.
• Die gesamte Fläche der integrierten Überwachung beträgt 0,22 mm².

So wie dies vorher erwähnt worden ist, wurde als Technik zum Aufbauen des Überwachungsstromkreises das MIETEC 0,7 μm CMOS-Verfahren benutzt. Die Anwendung dieser Technik bedeutet jedoch keine Einschränkung für die Verwirklichung der Überwachung, denn auch andere auf diesem Gebiet bekannte CMOS-Techniken können zum Aufbau des Entwurfes angewandt werden. Der Vorführungs- bzw. Überwachungsstromkreis wird eingesetzt, um den I_DDQ und die DUTs zu messen, welche eine 3,3 V Zufuhr verlangen, dies ist jedoch ebenfalls keine Einschränkung für die vorliegende Erfindung, da der Überwachungsstromkreis einfach in Funktion der verschiedenen DUT- Zufuhrspannungen angepasst oder neu entworfen werden kann, oder so angepasst werden kann, dass er befähig ist in einem gegebenen Bereich von DUT-Zufuhrspannungen zu arbeiten. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass nur ein Überwachungsstromkreis benötigt wird, um den Strom der zu prüfenden Vorrichtung zu messen, unabhängig von ihrer Komplexität. Als eine Konsequenz gibt es grundlegend drei Möglichkeiten bei welchen die vorliegende Erfindung benutzt werden kann, um ihre Aufgaben zu erfüllen. Dies wird in der 3 dargestellt.
Eine erste Konfiguration bei welcher die Überwachung benutzt werden kann, wird in der 3.a. gezeigt. Bei dieser Konfiguration wird die Überwachung (42) als eine außerhalb des Chips vorgesehene Überwachung benutzt. Die Verbindung von der VDD-Zufuhr von der ATE (automatische Prüfeinrichtung) (41) zur Anschlussstelle des DUTs (43) ist unterbrochen und die Überwachung wird eingeführt zwischen die ATE und das DUT. Die ATE kontrolliert sowohl den Betrieb der Überwachung als auch den Betrieb des DUTs während dem Prüfvorgang.
Die zweite Art und Weise nach welcher die Überprüfung benutzt werden kann wird in der 3.b. dargestellt. Bei dieser Konfiguration wird die Überwachung (46) zusammen mit dem Funktionsstromkreis (47) integriert und beide bilden zusammen das DUT (45). Wiederum kontrolliert die ATE (44) den Betrieb des DUTs (= Überwachungs-+Funktionsstromkreis) im Verlauf des Prüfvorgangs.
Eine dritte Art und Weise, wie die Überwachung benutzt werden kann, wird in der 3.c. gezeigt. Gemäß dieser Konfiguration ist die Überwachung (49) mit dem BIST- (Built-in Self Test) (eingebaute Eigenprüfeinrichtung) Stromkreis (50) und dem Funktionsstromkreis (51) integriert als ein einzelner Chip, das DUT (48). Dies ist die Konfiguration einer Eigenprüfeinrichtung, wobei der BIST-Stromkreis die Funktion sowohl der Überwachung als auch des Funktionsstromkreises kontrolliert, wenn das DUT in Prüfmodus geschaltet ist. Der Gebrauch einer solchen Annäherung erlaubt dem Stromkreis sowohl sein Funktionsverhalten als auch sein Stromverhalten zu prüfen, dies ohne die Notwendigkeit eines externen Prüfstromkreises.
Die Nebenschlusseinheit (1)
Die Nebenschlusseinheit (1) wird gebraucht, um die Übergangsströme an das DUT zu liefern, was vorkommt falls der Zustand des DUTs geändert wird, diese Einheit besteht grundlegend aus einer Starkstrom MOSFET mit einem sehr niedrigen Widerstand. Um Ladungsübertragungen zu vermeiden, was die Messung beeinflusst, vom Nebenschluss zum DUT, wenn der Nebenschlussschalter seinen Zustand ändert, ist ein kompensierter Schalter notwendig. Falls der Nebenschlussschalter zusammen mit dem anderen Überwachungsstromkreis integriert ist, kann ein kompensierter Schalter verwirklicht werden. 4 zeigt eine mögliche Gestaltung eines kompensierten Schalters, bestehend aus einem Schalttransistor (60) und einem Blindtransistor (61), bei welchem die Source und der Drain gekürzt sind, angetrieben durch das Umgekehrte vom TRIG-Kontrollsignal, welches erstellt wird durch den Umformer (64), der den Nebenschlusstransistor über den von den Umformern (62–63) gebildeten Puffer antreibt. Der eingeschaltete Widerstand des Nebenschlussschalters sollte ausgewählt werden in Funktion des maximalen, vom DUT gezogenen Übergangsstromes und dem während den Übergängen erlaubten Spannungsabfall. Jedoch sollte der maximale Spannungsabfall während des Nebenschlussbetriebes kleiner als 100 mV sein, um die Reaktionszeit des Messteils nicht zu beeinflussen.
Die Messeinheit (2)
Die Messeinheit (2) misst mit Genauigkeit den Strom, der vom DUT gezogen wird, wenn der Nebenschluss nicht aktiv ist, ohne die DUT Zufuhrspannung zu beeinflussen und sie erzeugt an ihrem Ausgang einen Strom (Io), welcher direkt proportional zu und wenigstens gleich ist mit dem vom DUT gezogenen Strom. Die weitere Verarbeitung dieses Ausgangsstromes ist dann eine Funktion der angewandten grundlegenden Konfiguration. Um dies zu erreichen wird eine sättigungslose Stromübertragungsstruktur von der zweiten Generation benutzt, bestehend aus einem regelnden Operationsverstärker (opamp) (oder einem programmierbaren Operationsverstärker-opa) (11), einer Spannungsverschiebungsstromkreis (12), einem Paar von zusätzlichen MOS-Treibertransistoren (13, 14) und einem Satz von Stromspiegeln (15, 16).
Die Stromspiegel (15, 16)
Die Stromspiegel (15, 16) kopieren den vom DUT gezogenen Strom und erzeugen den Ausgangsstrom (Io) der Messeinheit (2). Ein Stromspiegelfaktor von wenigstens 1 ist notwendig, um genaue Messungen zu erreichen. Um diese Stromspiegel (15, 16) zu verwirklichen, können zwei mögliche Konfigurationen benutzt werden. Die erste basiert auf der Benutzung von einfachen Stromspiegeln, die zweite macht Gebrauch von geregelten Cascodestromspiegeln. Der Vorteil der Verwendung der einfachen Stromspiegel besteht darin, dass dieselben einen breiten Arbeitsbereich und ein lineares Verhalten in ihrem vollen Betriebsbereich besitzen, unabhängig von den Bedingungen der Temperatur und der Beladungs. Der Nachteil der einfachen Stromspiegel besteht darin, dass die Temperaturschwankungen eine kleine Veränderung des Spiegelfaktors hervorrufen können, ohne jedoch die Linearität zu beeinflussen. Dieser Nachteil kann durch den Gebrauch einer Vorspannung überwunden werden welche höher ist als der durch das DUT gezogene Strom, so dass der Stromverbrauch der Spiegel praktisch der gleiche ist sowohl beim Prüfmodus als auch beim Nebenschlussmodus. Als ein Resultat wird die Betriebstemperatur unabhängig sein vom, vom durch das DUT gezogenen Strom, so dass zuverlässige und wiederholbare Messungen sichergestellt sind. Geregelte Cascodestromspiegel besitzen den Vorteil, dass sie infolge ihrer selbst regelnden Gestaltung nicht durch die Temperatur und die Prozessschwankungen beeinflusst werden und auf diese Weise die Basis für wiederholbare und zuverlässige Messungen verschaffen. Der einzige Nachteil besteht darin, dass eine untere Grenze für den linearen Arbeitsbereich besteht und dass der lineare Arbeitsbereich von der Temperatur abhängig ist.
Die zusätzlichen MOS-Transistoren (13, 14)
Das Paar zusätzlicher MOS-Steuertransistoren (13, 14) wird benutzt, um das DUT mit dem benötigten Strom zu versorgen, auch sollten sie derart ausgelegt sein, dass sie problemlos den maximalen Strom des Messbereiches an das DUT liefern können.
Der Spannungsverschiebungsstromkreis (12)
Der Spannungsverschiebungsstromkreis (12) wird benötigt als eine Schnittstelle zwischen dem Austritt des regelnden Operationsverstärkers (11) und dem Paar der zusätzlichen MOS-Transistoren (13, 14). Dieser Stromkreis sorgt für eine saubere Vorspannung des Paares der zusätzlichen MOS-Transistoren (13, 14), um eine kreuzweise Verzerrung zu vermeiden, welche ansonsten die Messresultate betreffend kleine Ströme beeinflussen würde.
Der regelnde Operationsverstärker (11)
Die grundlegende Aufgabe des regelnden Operationsverstärkers (11) besteht darin gleiche Spannungswerte an ihren zwei Eingangsanschlüssen zu halten, und auf diese Weise eine stabile und gut bekannte DUT-Zufuhrspannung zu sichern, und sicher zu stellen, dass das DUT die benötigte Zufuhrspannung erhält durch Ansteuerung des den Strom liefernden Paares der zusätzlichen CMOS-Transistoren. Um diese Aufgaben zu erfüllen, benötigt der regelnde Operationsverstärker eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit, typischerweise > 300 V/μs, eine kurze Reaktionszeit, die benötigt wird, um die Spannungen an den zwei Eingängen gleich zu halten, dies in Funktion der ändernden Beladungsbedingungen, des niedrigen Austrittsrauschen, und da der regelnde Operationsverstärker in einem Rückkopplungskreis eingebunden ist, so sollte die allgemeine Verknüpfung des regelnden Operationsverstärkers (11), des Spannungsverschiebungsstromkreises (12) und des Paares der zusätzlichen MOS Transistoren (13, 14) eine Phasensicherheit von wenigstens 70° aufweisen.
Die Vergleichseineit
Für die erste in der 1 dargestellten Konfiguration besteht die Vergleichseinheit aus einem Stromkomparator (3), einem Stromspiegel (5) und wahlweise aus einem elektronischen Schalter (4). Ein Hochgeschwindigkeits-Stromkomparator (3) von hoher Genauigkeit, mit einer Hysterese von weniger als 1 nA, wird zum Vergleichen des Messwertes (Io) mit einem internen Referenzstrom (Ir) benutzt. Dieser interne Referenzstrom (Ir) ist umgekehrt proponional zum von außen zugeführten Referenzstrom (Iref) unter Anwendung eines Stromspiegels (5) mit einem Spiegelfaktor von 1/100. Dies hat zum Zweck den Einfluss der Variationen auf die externe Referenz auf das Messresultat zu minimieren. Ein Verriegelungsmittel (4) kann dann benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus abzutasten.
Für die zweite in der 2 dargestellte grundlegende Konfiguration besteht die Vergleichseinheit aus einem Widerstand (25), einem Spannungskomparator (23) und einem fakultativen elektronischen Schalter (4). Der Widerstand (25) wird benutzt zum Umwandeln des Ausgangsstromes (Io) in eine Spannung (Vr). Der Wert des Widerstandes (25), in Kombination mit der Ausgangsimpedanz des Stromspiegels (15, 16), welcher den Ausgangsstrom (Io) der Messeinheit (2) liefert, bestimmt den Messbereich der I_DDQ-Überwachung. Die Tatsache, dass durch die Änderung des Wertes des Widerstandes (25) der Messbereich angepasst werden kann, stellt einen der grundlegenden Vorteile dieser Anordnung dar. Der Spannungskomparator (23) vergleicht die Spannung über den Widerstand (Vr) mit einer von außen gelieferten Referenzspannung (Vref). Die Hysterese des Komparators (24) ist einer der Hauptfaktoren, welche die Genauigkeit der Messung bestimmt, und ebenfalls der Hauptnachteil. Deshalb soll die Hysterese weniger als 2 mV betragen. Wiederum kann ein Verriegelungsmittel (4) benutzt werden, um das Resultat des Vergleiches am Ende des Messzyklus abzutasten. Eine Änderung des Widerstandswertes erlaubt es, verschiedene Messbereiche zu schaffen, basierend auf der gegenseitigen Beeinflussung des Widerstandes (25) auf den Betrieb der Stromspiegel (15, 16), welche die Messwerte liefern.
Andere Konfigurationen
Allgemein
Basierend auf den zwei grundlegenden Konfigurationen, können andere Überwachungsstrukturen geschaffen werden, grundlegend durch Änderung der Nachschaltung der Messeinheit (2), und/oder der Vergleichseinheit, um die Arbeitsbedingungen auszuweiten, oder um einige Problemfälle zu überwinden.
Jede der grundlegenden Einheiten kann programmierbar gestaltet werden, um es dem Anwender zu erlauben, den gewünschten Messbereich oder die gewünschte Genauigkeit anzuwählen, oder um eine optimierte Konfiguration in Funktion der Ladebedingungen anzuwählen. Dies kann erreicht werden durch das Hinzufügen von einer einfachen Steuereinheit (80), Schaltern (S1–Sn) und der Wiederholung von einigen Teilen der Schaltanordnung, welche benötigt werden, um die Überwachung zu gestalten. Die Steuereinheit (80) bestimmt dann den Betriebsstatus des Überwachungsstromkreises. Ein Schieberegister oder ein Zählwerk befinden sich unter den möglichen, nutzlichen Strukturen für die Steuereinheit. Durch das bidirektionale Ausgestalten von Durchlass-/Ausfall-Ausgang, werden keine zusätzlichen Stifte benötigt, um diese Programmierbarkeit zu erreichen.
Ersetzen des Spannungskomparators
Um die Genauigkeitsgrenzen zu beseitigen, welche im Fall entstehen wo ein Spannungskomparator (23) benutzt wird, wegen Hysterese desselben, kann die Konfiguration der grundlegenden Struktur (2) geändert werden durch das Ersetzen des Spannungskomparators (23) durch eine Einheit (70), welche aus einem Stromkomparators (75) besteht, wobei eine Messeinheit (72) letzterem vorgeschaltet ist, so wie dies in 5 dargestellt ist. Die Messeinheit sollte Gebrauch machen von den geregelten Cascodestromspiegeln (73, 74), um eine Unabhängigkeit von der Temperatur und den Prozessparametern zu gewährleisten. An der X-Anschlussstelle sollte ein Widerstand (71) angeschlossen sein mit demselben Wert als derjenige von (25), welcher bereits an den Ausgang der ersten Messeinheit (2) angeschlossen ist, und folglich auch an die Y-Anschlussstelle der zweiten Messeinheit (70). Um genaue Messungen zu gewährleisten ist der tatsächliche Wert der gebrauchten Widerstände (25, 71) von kleinerer Bedeutung als die Tatsache, dass sie gleiche Werte haben sollten, um keine zusätzlichen Fehler einzuführen. Die Inbetrachtnahme dieser Tatsache würde es erlauben, die gesamte Überwachung problemlos zu integrieren. Da die dem Stromkomparator (75) vorgeschaltete Messeinheit (70) praktisch keine kapazitive Ladung anzutreiben braucht, wird das Ersetzen des Spannungskomparators (23) durch eine Kombination einer Messeinheit (70) und eines Stromkomparators (75) die gesamte Messgeschwindigkeit der Überwachung nicht beeinflussen. Für sämtliche nachstehend aufgelisteten Überwachungsalternativen, welche einen oder mehrere Spannungskomparatoren benutzen, können die in denselben enthaltenen Spannungskomparatoren durch die Kombination einer Messeinheit und eines Stromkomparators ersetzt werden. Die angepasste komplette Überwachungskonfiguration wird in 6 gezeigt.
Programmierbare Überwachungskonfigurationen
Die grundlegende Konfiguration 1 des Überwachungsstromkreises kann programmierbar gestaltet werden, so wie dies in 7 gezeigt wird. Das Ziel besteht darin, verschiedene Messbereiche zu beschaffen. Dies kann erreicht werden durch die Wiederholung der Spiegelstufen (CM₁–CM₂) der Stromspiegel (81, 82), welche im Messteil (2) vorhanden sind, und durch den Gebrauch von verschiedenen Spiegelfaktoren. Die Wahl von Spiegelfaktoren gleich oder größer als 1 erlaubt das Schaffen von verschiedenen Messbereichen. Der weiteste Messbereich wird erreicht durch die Benutzung eines Spiegelfaktors der gleich eins ist. Der Gebrauch eines größeren Spiegelfaktors verkleinert den Messbereich, erlaubt aber im Gegenzug genauere Messungen. Am Ausgang einer jeden Spiegelstufe des Stromspiegels der Messeinheit wird ein Stromkomparator (CC1–CCn) angeschlossen, wobei ein jeder unter ihnen mit seinem eigenen internen Referenzstrom (Ir1–Irn) versorgt wird, abgeleitet aus dem externen Referenzstrom (I_Ref), unter Einsatz eines Stromspiegels (83) mit wiederholten Spiegelstufen, eine jede derselben mit dem gleichen Spiegelfaktor. Mit dem Ausgang eines jeden der Stromkomparatoren (CC1–CCn) ist ein Schalter (S1–Sn) verbunden, welcher dieselben mit dem Eingang des Verriegelungsmittels (4) verbindet und welcher es erlaubt durch das Schließen eines der Schalter den Messbereich und die Genauigkeit vom gewünschten Grad zu wählen. Da nur Spannungen geschaltet werden, können die Schalter ausgeführt werden durch Einsatz von einfachen Übergangstorschaltern, gesteuert durch die zusätzliche Steuereinheit (80). Die Schalter (Sm1–Smn) innerhalb der Stromspiegel (81, 82) der Messeinheit (2) sind fakultativ. Sie können verwendet werden, um den Stromverbrauch der Überwachung zu reduzieren durch die Aktivierung von nur einer Spiegelstufe zur gleichen Zeit. Dieses Merkmal ist für eingebaute Stromüberwachungen vorteilhaft.
Für die zweite grundlegende Überwachungskonfiguration können verschiedene programmierbare Konfigurationen erarbeitet werden. Die erste dieser programmierbaren Konfigurationen wird in der 8 dargestellt, und eine Alternative wird in der 9 dargestellt. So wie für die grundlegende Konfiguration 2, bestimmt der Widerstand (25), welcher an den Ausgang des Messteils (2) hinzugefügt wurde, den Messbereich und die Genauigkeit; ein Ändern des Wertes des Widerstandes (25) erlaubt es die gewünschten Betriebsverhältnisse zu bestimmen. Dies kann auf einfache Art bewerkstelligt werden durch das Ersetzen des Widerstandes (25) oder durch das Hinzufügen von verschiedenen Widerständen (R₁–R_N) an den Ausgang der Messeinheit (2) und die Verwendung der Schalter (S11–S1n), gesteuert durch die Steuereinheit (90), um die richtige Wahl zu treffen. Die Schalter (S11–S1n) können angebracht werden entweder zwischen dem Ausgang der Messeinheit (2) und dem Widerstand (R₁–R_N) (8) oder zwischen dem Widerstand (R₁–R_N) und die Erdungsverbindung (9). Die Schalter sollen so ausgelegt sein, dass sie im eingeschalteten Zustand einen niedrigen Widerstand haben, um die Messgenauigkeit nicht zu beeinflussen.
Eine andere Alternative zur grundlegenden Struktur 2 besteht darin, die Überwachung durch den Gebrauch eines ausgewählten Widerstandes (25) programmierbar zu gestalten, in Funktion der gewünschten Genauigkeit und des Messbereiches, und durch die Gestaltung der im Messteil (2) vorhandenen Stromspiegel (81, 82), so dass sie verschiedene Spiegelstufen (CM₁–CM_N) umfassen, welche anwählbar sind, so wie dies in 10 dargestellt ist. Da in diesem Fall nur Spannungen geschaltet werden, können einfache Übergangstorschalter benutzt werden, um die Schaltvorgänge zu betätigen. Auf diese Weise konnte eine Nichtlinearität, welche durch die mit den Strom zu Spannungsmformwiderständen (R₁–R_N) verbundenen Schalter verursacht werden könnte, vermieden werden.
Eine weitere Alternative zur grundlegenden Struktur 2 besteht darin, die Überwachung programmierbar zu gestalten, dies in Funktion der Genauigkeit, des Messbereiches und der Ladebedingungen von der gewünschten Art, und zwar durch die Gestaltung der im Messteil (2) vorhandenen Stromspiegel (81, 82) in der Weise, dass derselbe verschiedene Spiegelstufen (CM₁–CM_N) umfasst, welche anwählbar sind, und einen Strom-zu-Spannungumformwiderstand (R₁–R_N) und begleitenden Komparator (VC1–VCn), welche an den Ausgang einer jeden Spiegelstufe angeschlossen sind, so wie in 11 dargestellt. Durch die Wahl einer bestimmten Spiegelstufe (CM₁–CM_N) und des entsprechenden Komparators (VC1–VCn) wird eine bestimmte Überwachungskonfiguration angewählt. Da in diesem Fall nur Spannungen geschaltet werden, können einfache Übergangstorschalter benutzt werden, um die Schaltvorgänge zu betätigen.
Vergleich mit anderen, auf diesem Gebiet bekannten Prüfsystemen
Der Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik wird in Funktion der benutzten grundlegenden Konfiguration getätigt. Im Allgemeinen bietet der hier vorgestellte Überwachungsstromkreis eine verbesserte Genauigkeit, kombiniert mit einer Hochgeschwindigkeitsmessrate, einer die kapazitive Ladung treibenden Fähigkeit, und einer Messungswiederholbarkeit für einen breiten Bereich von Betriebsbedingungen, mit einem vernachlässigbaren Einfluss auf die DUT-Zufuhrspannung.
Die gemäß der ersten grundlegenden Struktur verwirklichte Überwachung, so wie sie in der 1 gezeigt wird, (unter Verwendung eines Stromkomparators) bietet eine weit bessere Auflösung, einen weit breiteren Messbereich und einen viel geringeren Spannungsabfall während der Messung als andere vergleichbare BIC-Überwachungen. Im Vergleich zu [RUB] ist die erzielte Genauigkeit für den gleichen Messbereich 10 Mal besser und die Messrate ist unabhängig vom gemessenen Strom. Die nachfolgende Tabelle vergleicht verschiedene früher veröffentliche Überwachungen mit der hier vorgeschlagenen Überwachung. Der Vergleich wird gemacht unter Berücksichtigung des Satzes der folgenden aufgezählten Merkmale:

– Technik der Implementierung
– Empfindlichkeit der Überwachung
– Präzisionsarbeitsgebiet
– Prüffrequenz
– Angabe der Art der Vorrichtung, welche gebraucht wird, um die Stromzufuhr abzufühlen
– Änderung bei der Hochspannungszufuhr, falls ein schadhafter Strom gemessen wird
– Zahl der benötigten Eingangs-/Ausgangsstifte, um die Leistung der Überwachung zu gewährleisten
– Gesamtfläche der Überwachung, so wie in den als Referenz zitierten Veröffentlichungen angegeben.

Es soll vermerkt werden, dass "keine Angabe" bedeutet, dass nicht über den passenden Parameter im angegebenen Artikel berichtet worden ist.
In Vergleich zu anderen I_DDQ-Überwachungsstomkreise, wie zum Beispiel zu QuiC-Mon [Wal] und zu OCIMU [Man], werden ebenfalls bessere Leistungen erreicht. QuiC-Mon v3.2 basiert auf dem Verfahren nach Keating-Meyer und erreicht Messraten im Bereich von 50 kHz–250 kHz für Ladekapazitäten im Bereich von 1 bis 5 nF. Während der Messung ist das DUT von der Spannungszufuhr abgeschaltet, die Auflösung beträgt 100 nA und der maximale Messbereich ist 25 μA.
Im Vergleich hält der hier vorgestellte Stromkreis die Kontrolle über die Spannungszufuhr zum DUT aufrecht, gewährleistet eine Auflösung, die 10 Mal besser ist, besitzt einen viel breiteren Messbereich und ergibt eine Messgeschwindigkeit, die für die gleichen Ladebedingungen schneller ist.
Die OCIMU-Schaltung benutzt einen Widerstand als Sensorelement und erreicht eine maximale Messrate von 10 kHz für eine Ladekapazität von 2,2 μF. Die Überwachung hat eine Auflösung von 1 μA für Ströme zwischen 1 μA–1 mA. Durch eine Verringerung der Messgeschwindigkeit können für die gleiche kapazitive Ladung bessere Auflösungen erreicht werden. Die Auflösung nimmt ebenfalls zu, unter Beibehaltung der Geschwindigkeit, für abnehmende kapazitive Ladungen. Im Vergleich zum OCIMU, für eine kapazitive Ladung von 1 μF, ist die Genauigkeit des hier vorgestellten Stromkreises 100 Mal besser für Ströme im Bereich von 0 bis 100 μA bei einer nur 2 Mal langsameren Geschwindigkeit.
Falls der Überwachungsstromkreis gemäß der zweiten grundlegenden Konfiguration ausgeführt wird, so wie in 2 gezeigt, dann kann folgender Vergleich gezogen werden. Die vorgeschlagene Überwachung kann benutzt werden entweder als eine Überwachung auf dem Chip oder eine solche außerhalb des Chips. Die Überwachung erreicht Messgeschwindigkeiten im Bereich von 50 kHz–500 kHz für kapazitive Ladungen im Bereich von respektiv 3 μF–1 pF. Auflösung und Genauigkeit können ohne Geschwindigkeitsverminderung verändert werden durch Änderung des Wertes des Strom-zu-Spannungumformwiderstandes und liegen im Bereich von 100 nA–400 nA für Strombereiche von 0 bis 190 μA (100 nA Auflösung) oder bis 940 μA (400 nA Auflösung). Die Umwandlung von Strom zu Spannung ist innerhalb von diesen Strombereichen linear. Im Vergleich zu QuiC-Mon, kann der hier vorgestellte Stromkreis viel höhere kapazitive Ladungen fahren und weist einen viel breiteren Messbereich bei vergleichbarer Genauigkeit auf. Im Vergleich zum OCIMU, ist die Messgeschwindigkeit für den gleichen kapazitiven Ladungsbereich 8 Mal besser, wobei die Genauigkeit für den gleichen Messbereich 2,5 Mal besser ist. Für einen kleineren Messbereich ist die Genauigkeit sogar 5 Mal besser. Die gewünschte Genauigkeit und der Messbereich können auf einfache Weise geändert werden ohne Einbusse von Geschwindigkeit und Verlust an kapazitiver Aussteuerung.
Verglichen mit eingebauten Stromüberwachungen, kann der hier vorgestellte Stromkreis Strombereiche messen ohne die Gesamtheit der Überwachung zu ändern. Die möglichen Messbereiche sind viel breiter und die Geschwindigkeit ist entweder vergleichbar oder schneller und hängt nicht von Ladebedingungen ab. Die Kennlinien der Strom-zu-Spannung-Umformungen sind linear, was eine Kalibrierung der Überwachung einfach macht.
Referenzen

[Mal] W. Maly and M. Patyra, "Built-in Current Testing", IEEE Journal of Solid State Circuits, pp. 425–428, Vol. 27, No. 3., March 1992
[She] T. L. Shen, J. C. Dali and J. C. Lo, "A 2 ns Detecting Time, 2 μm CMOS Built-in Current Sensing Circuit", IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 28, No. 1, 1993, pp. 72–77.
[Hsu] C. Hsue and C. Liu, "A built-in current sensor for I_DDQ in CMOS", Proc. of ITC, 1993, pp. 635–641.
[Rub] A. Rubio, E. Janssens, H. Casier, J. Figueras, D. Mateo, P. De Pauw and J. Segura, "A built-in quiescent current monitor for CMOS VLSI circuits", Proc. of ED&TC 1995, Paris, France, March 1995, pp. 581–585.
[Lup] E. Lupon, G. Górriz, C. Martínez and J. Figueras, "Compact BIC sensor for I_DDQ testing of CMOS Circuits", Electronics Letters, Vol. 29, No. 9, April 1993, pp. 772–774.
[Man] H. Manhaeve et al., "An Off-chip I_DDQ Current Measurement Unit for telecommunication ASICs", Proceedings of the ITC94, Washington, D. C., USA, Oct. 1994, pp. 203–212.
[Wal] K. M. Wallquist, A. W. Righter^✝, and C. F. Hawkins, "A General Purpose I_DDQ Measurement Circuit", International Test Conference 1993, Paper 31.3, pp. 642–651.

Claims

System zum Messen eines Speisestroms eines elektronischen Stromkreises, wobei das System umfasst: einen ersten Teil mit einem Steuerungsmittel zum Anlegen und Steuern wenigstens einer Eingangsspannung (VDD) und eines Stromes an besagten Stromkreis; einen zweiten Teil (2), welcher durch besagte Eingangsspannung gespeist wird und welcher eine erste Ausgangsspannung und einen ersten Ausgangsstrom an besagten elektronischen Stromkreis an eine erste Anschlussstelle liefert sowie einen zweiten Ausgangsstrom (Io) an eine zweite Anschlussstelle, wobei besagte erste Ausgangsspannung im Wesentlichen gleich ist mit der besagten Eingangsspannung (VDD) und wobei der besagte zweite Ausgangsstrom (Io) im Wesentlichen proportional zu besagtem ersten Ausgangsstrom ist, welcher den besagten Speisestrom darstellt; einen Schalter (1) zwischen der besagten Eingangsspannung und dem besagten elektronischen Stromkreis, welcher durch ein Triggerhilfsmittel gesteuert wird, welches durch den besagten ersten Teil gesteuert wird, zum Aus- oder Ein-schalten des besagten Schalters, wodurch der besagte zweite Teil in einen Messbetrieb oder in einen Nebenschlussbetrieb geschaltet wird.
System gemäß Anspruch 1, in welchem besagter zweiter Teil ein integrierter Schaltkreis ist.
System gemäß Anspruch 1, in welchem besagter zweiter Teil mit besagtem elektronischen Stromkreis auf einem integrierten Schaltkreis integriert ist.
System gemäß Anspruch 1, in welchem besagter Schalter ein kompensierter Schalter ist zum Minimieren der Ladungsübertragung von besagtem Schalter auf besagten Stromkreis.
System gemäß Anspruch 4, in welchem besagter kompensierter Schalter einen MOSFET-Transistor und einen Kondensator mit einem Kapazitätswert, welcher im Wesentlichen gleich ist mit der parasitären Kapazität des besagten MOSFET-Transistors, umfasst.
System gemäß Anspruch 4, in welchem besagter kompensierter Schalter einen MOSFET-Transistor umfasst sowie eine ergänzende Schaltanordnung zum Laden und Entladen der parasitären Kapazität des besagten MOSFET-Transistors.
System gemäß Anspruch 1, welches des Weiteren einen dritten Teil (3) umfasst mit einem Hilfsmittel zum Vergleichen des besagten zweiten Ausgangsstrom mit einer Bezugsgröße, was zum Testen des besagten Stromkreises dient.
System gemäß Anspruch 7, in welchem besagter dritter Teil des Weiteren ein Verriegelungsmittel (4) umfasst, zum Beibehalten der Ausgangsspannung des besagten sich in einem Nebenschlussbetrieb befindlichen Komparators auf demjenigen Wert, der während des Messbetriebes erreicht worden ist.
System gemäß Anspruch 7, welches des Weiteren ein Hilfsmittel umfasst, um besagten zweiten Ausgangsstrom gleich oder größer zu gestalten wie der besagte erste Ausgangsstrom.
System gemäß Anspruch 1, in welchem besagter zweiter Teil aufgebaut ist aus: einem Funktionsverstärker (11); einem Hilfsmittel (12) zum Verschieben der Ausgangsspannung des besagten Funktionsverstärkers auf eine andere Stufe; und zwei ergänzenden MOS-Transistoren (13, 14), wobei ein jeder angeschlossen ist an einen entsprechenden Stromspiegel (15, 16) und zwei Verzweigungspaare bildet, wobei der Strom in einer ersten Verzweigung des einen Paares größer ist oder gleich ist wie der Strom in der zweiten Verzweigung des besagten Paares, wobei der besagte zweite Ausgangsstrom (Io) den Unterschied zwischen den Strömen in den besagten ersten Verzweigungen darstellt, und wobei der besagte erste Ausgangsstrom den Unterschied zwischen den Strömen in den besagten zweiten Verzweigungen darstellt.
System gemäß Anspruch 7, in welchem besagter zweiter Teil aufgebaut ist aus: einem Funktionsverstärker (11); einem Hilfsmittel (12) zum Verschieben der Ausgangsspannung des besagten Funktionsverstärkers auf eine andere Stufe; und einer Vielzahl von ergänzenden MOS-Transistoren mit einer Vielzahl von entsprechenden Stromspiegeln, welche mit besagten MOS-Transistoren verbunden sind, welche eine Vielzahl von Verzweigungspaaren bilden, wobei der Strom in einer Verzweigung eines Paares proportional ist zu dem Strom in der anderen Verzweigung des besagten Paares, und wobei besagter Ausgangsstrom den Unterschied der Ströme in besagter Vielzahl von Verzweigungspaaren darstellt.
System gemäß Anspruch 11, in welchem besagte ergänzende MOS-Transistoren den Messbereich des besagten Systems bestimmen.
System gemäß Anspruch 11, in welchem besagter Funktionsverstärker eine hohe Anstiegsgeschwindigkeit aufweist.
System gemäß Anspruch 13, in welchem besagter Funktionsverstärker eine Anstiegsgeschwindigkeit besitzt, welche größer als 300 Volt pro Mikrosekunde ist.
System gemäß Anspruch 7, in welchem besagtes Hilfsmittel in dem besagten dritten Teil, zum Vergleichen des besagten zweiten Ausgangsstrom mit einer Bezugsgröße, eine Stromquelle (5) und einen Stromspiegel sowie einen Stromkomparator (3) umfasst, wobei der Strom des besagten Stromspiegels mit dem besagten zweiten Ausgangsstrom (Io) verglichen wird.
System gemäß Anspruch 15, in welchem der Strom der besagten Stromquelle (5) wesentlich größer ist als der von dem besagten Stromspiegel gelieferte Strom.
System gemäß Anspruch 7, in welchem besagtes Hilfsmittel in dem besagten dritten Teil (3) zum Vergleich des besagten zweiten Ausgangsstroms mit einer Bezugsgröße einen Widerstand (25) und eine Spannungsquelle umfasst.
System gemäß Anspruch 17, in welchem die Stabilität des besagten Widerstandes (25) derart ist, dass die Stabilität der Spannung über besagten Widerstand im Bereich von Millivolts liegt.
System gemäß Anspruch 17, in welchem der Widerstandswert des besagten Widerstandes derart ist, dass der besagte zweite Ausgangsstrom proportional mit dem besagten Speisestrom ist.
System gemäß Anspruch 7, in welchem das besagte Hilfsmittel in dem besagten dritten Teil zum Vergleichen des besagten zweiten Ausgangsstroms mit einer Bezugsgröße wenigstens zwei Widerstände, eine Stromquelle, einen Stromspiegel, einen Stromkomparator und einen vierten Teil umfasst, welcher eine im Wesentlichen ähnliche Struktur aufweist wie der besagte zweite Teil des besagten Systems.
System gemäß Anspruch 20, in welchem der Strom der besagten Stromquelle wesentlich höher ist als der Strom, welcher von besagtem Stromspiegel geliefert wird.
System gemäß Anspruch 21, in welchem der erste der besagten Widerstände eine erste Eingangsspannung für den besagten vierten Teil definiert, wobei der zweite der besagten Widerstände im Wesentlichen identisch mit dem besagten ersten Widerstand ist und den ersten Ausgangsstrom des besagten vierten Teiles definiert, wobei die Spannung über den besagten zweiten Widerstand gleich ist mit der besagten ersten Eingangsspannung, wobei der Strom des besagten Stromspiegels mit dem besagten zweiten Ausgangsstrom des besagten vierten Teils verglichen wird.