具有大功率負(fù)栽驅(qū)動(dòng)能力的高精度模擬集成電路測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

引言

集成電路集成度的提高使芯片功能和引腳數(shù)不斷增加，同時(shí)也使集成電路的測(cè)試越來(lái)越難。當(dāng)前，集成電路的測(cè)試已經(jīng)完全依靠于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（AutomatIC Test EQUIPment）。ATE的測(cè)試原理是根據(jù)被測(cè)器件（Device Under Test）的產(chǎn)品參數(shù)規(guī)范（Specification OrDatnsheet）要求，利用ATE的硬件和軟件資源對(duì)DUT進(jìn)行激勵(lì)、施加和響應(yīng)信號(hào)收集，并將收集的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化后與器件要求的參數(shù)值進(jìn)行比較，從而判斷被測(cè)DUT是否合格。在實(shí)際應(yīng)用中，芯片測(cè)試主要為圓片測(cè)試（中測(cè)）和成品測(cè)試（成測(cè)）。由于芯片測(cè)試技術(shù)總是落后于集成芯片設(shè)計(jì)和制造的發(fā)展速度，而高性能測(cè)試設(shè)備的價(jià)格又讓芯片生產(chǎn)商望而卻步。為了解決這矛盾，本文提出了一種創(chuàng)新性的測(cè)試方案和測(cè)試技術(shù)。

1 集成電路測(cè)試設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)

集成電路測(cè)試設(shè)備主要包括ATE測(cè)試設(shè)備、測(cè)試接口、操作系統(tǒng)軟件、測(cè)試程序集（Test Program Set，TPS）和相應(yīng)的配套測(cè)試硬件（包括上位機(jī)、測(cè)試分選機(jī)、測(cè)試連接電纜等）。一臺(tái)集成電路測(cè)試設(shè)備（ATE）的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文主要介紹的是大功率模擬集成電路直流參數(shù)測(cè)試儀器（PVC）部分的設(shè)計(jì)原理、具體功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和測(cè)試結(jié)果。

2 PVC的工作原理與電路結(jié)構(gòu)

集成電路在不同的生產(chǎn)階段中都需要對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，PVC主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)DUT施加激勵(lì)和測(cè)量，其中電壓電流源（Volrage and CurrentSource）、測(cè)量電路（Mensure Circuit）和鉗位電路（LOCk Circuit）是PVC的主要組成部分。

電壓電流源主要用于對(duì)DUT的引腳施加電壓或者電流，也可作為被測(cè)芯片的供電電源使用，本電路中選用高壓運(yùn)放組成負(fù)反饋環(huán)，并選用大功率MOS管組成擴(kuò)流電路以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)流，從而輸出穩(wěn)定的高電壓和大電流。測(cè)量電路用于檢測(cè)流過(guò)芯片引腳的電流和電壓，電路采用達(dá)爾文鏈接方式來(lái)程控選擇二線或四線方式對(duì)DUT進(jìn)行測(cè)量，以保證測(cè)量精度。鉗位電路是防止因用戶(hù)操作失誤或者高容性負(fù)載等原因致使電路中電壓或者電流值過(guò)大而損害器件。PVC具有分別施加電壓或電流且測(cè)量電流或電壓、不需施加單獨(dú)測(cè)量電壓或電流等工作模式，同時(shí)具有四象限鉗位功能。圖2所示為PVC的電路結(jié)構(gòu)圖，圖中只標(biāo)識(shí)出了電路中的線性元件，電路中選用FPGA進(jìn)行信號(hào)的控制和處理，從而保障了數(shù)字電路部分的最大集成化。

3 PVC硬件電路的實(shí)現(xiàn)

3．1 電壓電流源

系統(tǒng)中的電壓電流源分別由高精度運(yùn)放A1、高壓運(yùn)放A2與擴(kuò)流電路來(lái)構(gòu)成功率緩沖電路，電流取樣電阻與電流檢測(cè)運(yùn)放A3構(gòu)成恒流源，運(yùn)放A1、功率緩沖電路、預(yù)設(shè)負(fù)載RL1與電壓檢測(cè)運(yùn)放A4構(gòu)成恒壓源，設(shè)計(jì)時(shí)也可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K3來(lái)構(gòu)成恒流源或者恒壓源。

兩種電路環(huán)路的工作原理和實(shí)現(xiàn)方式相似，下面主要介紹恒壓源的實(shí)現(xiàn)方法。

將16位DAC轉(zhuǎn)化后的施加值與環(huán)路反饋值相加后可作為A1的輸入，A1的程控補(bǔ)償電路具有兩方面的作用：一方面，它含有的“積分器”既限制了環(huán)路的轉(zhuǎn)換速率，又使環(huán)路具有較高的直流增益，從而使環(huán)路的誤差電壓幾乎可以降底到0 V；另一方面，該電路還包含有幾組可程控選擇的反饋元件，因而允許整個(gè)儀器在容性負(fù)載較寬的范圍內(nèi)仍能穩(wěn)定工作。功率緩沖器由A2與擴(kuò)流電路構(gòu)成，可用以實(shí)現(xiàn)高電壓和大電流的輸出，其功率緩沖器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。功率緩沖器的電壓放電倍數(shù)為+6，它實(shí)際上是由A2（OPA454）和大功率三極管構(gòu)成的一個(gè)同相放大反饋環(huán)路。

輸入電壓Vin經(jīng)過(guò)A2放大后，可作為三極管基極輸入電壓。當(dāng)A2輸出電壓與Vout的電位差小于三極管的開(kāi)啟電壓（一般在1～3 V之間）時(shí)，負(fù)載的電壓和電流由A2提供；當(dāng)兩點(diǎn)的電位差值大于等于三極管的開(kāi)啟電壓時(shí)，負(fù)載所需的電流由功率三極管放大后提供。在本測(cè)試儀中，功率三極管分別選用TIP142與TIP147，該選擇可以滿足為負(fù)載提供1A電流的需求，只是在工作狀態(tài)時(shí)應(yīng)注意對(duì)高壓運(yùn)放A2和功率三極管的散熱。

為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，需要將輸出電壓值作為反饋量進(jìn)行反饋，PVC輸出端兩點(diǎn)的電壓差值最大為32 V，而集成的儀表放大器不能滿足這么大的輸入范圍，故在設(shè)計(jì)中選用高電壓高精度運(yùn)放（OPA445）來(lái)構(gòu)成儀表放大器，其具體的電壓檢測(cè)放大電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)電路中阻值的匹配，圖4中取R7=R9，R10=R12，R11=R13，電路的輸入輸出關(guān)系為：

由上述表達(dá)式可見(jiàn)，通過(guò)選擇不同的阻值，可調(diào)整電壓檢測(cè)放大器的放大倍數(shù)。PVC中選用的DAC的電壓輸出范圍為±10 V。為了提高電壓的測(cè)量精度且與DAC的輸出范圍相匹配，本系統(tǒng)設(shè)置的四個(gè)電壓檔位為：4V、8V、16V、32V，所以，通過(guò)程控四個(gè)電壓檔位的電壓放大系數(shù)可分別對(duì)應(yīng)2．5、1．25、0．625、0．3125。

恒流源的實(shí)現(xiàn)原理與恒壓源的實(shí)現(xiàn)原理一樣，只是在電流檢測(cè)時(shí)，應(yīng)將施加的電流值采樣后轉(zhuǎn)化為電壓值，然后再經(jīng)過(guò)電壓檢測(cè)放大器A3構(gòu)成反饋環(huán)。為了與DAC輸出電壓范圍相同，電流檢測(cè)的取樣電壓Vs的范圍設(shè)定為±1 V，電流檢測(cè)放大器的放大倍數(shù)固定為+10，這樣，通過(guò)選取不同的采樣電阻，就可以實(shí)現(xiàn)不同電流檔位的選擇。如，選擇采樣電阻Rs=1Ω，由I=Vs／Rs可得，其選取的電流量程為1 A，其他電流范圍的選取原理與之相同。

3．2 電壓電流鉗位環(huán)

電壓電流鉗位電路主要是為了防止意外情況導(dǎo)致環(huán)路中電壓或電流值的突然增加。通過(guò)選用高精度的雙運(yùn)放可將用戶(hù)設(shè)定的上限值和下限值與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，若反饋量在限定值內(nèi)，則鉗位電路不工作，反之，鉗位電路中其中一個(gè)通道的二極管導(dǎo)通，此時(shí)A2輸入端電壓為鉗位運(yùn)放的輸出端電壓，而A1輸出端與A2輸入端之間的電壓，則被電阻R1所消耗，故施加環(huán)路被抑制，鉗位環(huán)路工作。

3．3 其它細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電路不施加而能直接測(cè)量DUT引腳的電壓或者電流值，應(yīng)通過(guò)控制環(huán)路中某些電路的通斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)電壓時(shí)，先斷開(kāi)施加引線，再將電壓測(cè)量電路與負(fù)載并聯(lián)連接，即可測(cè)出負(fù)載電壓；測(cè)電流時(shí)，先斷開(kāi)K1，讓運(yùn)放A1與功率緩沖器構(gòu)成一個(gè)輸出為0V的反饋環(huán)，再將電流檢測(cè)電路串聯(lián)接入負(fù)載電路，這樣即可測(cè)量流過(guò)負(fù)載的電流值。

在對(duì)DUT進(jìn)行施加和測(cè)量時(shí)，采用達(dá)爾文接線方式進(jìn)行連接，如PVC結(jié)構(gòu)圖中的FORCE線就是對(duì)DUT施加，而SENSE線為測(cè)試線。施加和測(cè)量引線的分開(kāi)接線可提高系統(tǒng)的測(cè)試精度。

選擇繼電器時(shí)，由于系統(tǒng)長(zhǎng)工作于大功率狀態(tài)下，因此除了考慮繼電器的動(dòng)作時(shí)間，還要考慮繼電器的觸點(diǎn)負(fù)荷，選用機(jī)械繼電器時(shí)，還要考慮繼電器的開(kāi)關(guān)次數(shù)等細(xì)節(jié)。

電路環(huán)路中不同電流檔位切換時(shí)，如果負(fù)載斷開(kāi)，則環(huán)路中相當(dāng)于接入了無(wú)窮大阻值的負(fù)載，這會(huì)造成電路再次接入負(fù)載后的環(huán)路穩(wěn)定建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，通過(guò)在環(huán)路斷開(kāi)負(fù)載時(shí)接入一個(gè)預(yù)設(shè)負(fù)載，可用再次接入負(fù)載時(shí)斷開(kāi)預(yù)設(shè)負(fù)載的方法來(lái)減少環(huán)路穩(wěn)定的建立時(shí)間。

4 測(cè)試結(jié)果分析

在電路測(cè)試中，可選用精度為0．1％的低溫漂電阻作為電流取樣電阻進(jìn)行測(cè)試，以完成所有電流檔位測(cè)試。通過(guò)實(shí)測(cè)電流源的電流輸出值與理論值計(jì)算值可得到其施加精度在0．05％左右，而通過(guò)對(duì)電流取樣并經(jīng)過(guò)DAC的轉(zhuǎn)化值與理論值的對(duì)比（由于本系統(tǒng)具有多個(gè)檔位、數(shù)據(jù)龐大，在此就不完全列出做分析），其得出的絕對(duì)誤差值分布具有很好的線性關(guān)系，利用軟件并通過(guò)最小二乘法校正后的電流測(cè)試精度小于0．5％，用同樣的校正方法也可得出電壓的測(cè)試精度（小于0．3％），可以滿足廠方提出的要求。

通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試可知，本文所介紹的系統(tǒng)測(cè)試精度主要受閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定、工頻干擾與高頻干擾、環(huán)路中元件性能不良等因素影響。在本電路中，若出現(xiàn)環(huán)路不穩(wěn)定等情況，可通過(guò)控制程控補(bǔ)償電路和在取樣電路上并聯(lián)補(bǔ)償電容來(lái)調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際的電路測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有大功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，能夠提供精確且寬范圍的激勵(lì)值，可以靈活地對(duì)被測(cè)件施加電壓源激勵(lì)或者電流源激勵(lì)，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測(cè)試精度高，可以滿足工廠對(duì)于測(cè)試速度和精度的要求。因此，此電路方案可以極大地降低此類(lèi)測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)成本。