利用測(cè)時(shí)儀測(cè)量交流信號(hào)的直流偏移

在如今的半導(dǎo)體領(lǐng)域，要確定集成電路器件的功能性是否滿足要求，往往需要對(duì)其進(jìn)行多種電測(cè)試。其中一項(xiàng)就是測(cè)量器件的時(shí)序，這時(shí)必須用到測(cè)時(shí)儀(TMU)。

什么是測(cè)時(shí)儀？

測(cè)時(shí)儀是一種半導(dǎo)體自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)，負(fù)責(zé)測(cè)量?jī)纱问录g間隔的時(shí)間或計(jì)算事件的個(gè)數(shù)。由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中測(cè)試的復(fù)雜度日益增大，而且IC設(shè)計(jì)師希望保證他們所設(shè)計(jì)的IC在速度和響應(yīng)上能夠滿足設(shè)計(jì)要求，因此大多數(shù)測(cè)時(shí)儀在出售時(shí)內(nèi)部都自帶一臺(tái)TMU。不論測(cè)試設(shè)備是用于測(cè)試模擬IC、數(shù)字IC還是混合信號(hào)IC，TMU都是必需的。

通常，TMU用于測(cè)量頻率/周期、傳輸延遲、建立和保持時(shí)間、上升/下降沿、占空比和信號(hào)斜率等交流參數(shù)。

TMU主要由兩部分組成(見圖1)：

1． 信號(hào)檢測(cè)器

此部分用于在輸入信號(hào)出現(xiàn)后檢測(cè)一次事件的發(fā)生。通過設(shè)置感興趣的參數(shù)閾值(通常是電壓參數(shù))和信號(hào)變化的斜率(正或者負(fù))，檢測(cè)器可以在輸入信號(hào)到達(dá)預(yù)先設(shè)置的閾值時(shí)觸發(fā)計(jì)數(shù)器模塊，使其開始計(jì)數(shù)或停止計(jì)數(shù)。開始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)的觸發(fā)信號(hào)可以由一個(gè)檢測(cè)器產(chǎn)生，但如今大多數(shù)TMU制造商都會(huì)集成至少兩個(gè)檢測(cè)器，因?yàn)閮蓚€(gè)檢測(cè)器能夠檢測(cè)到低于1mV的信號(hào)電壓變化，并且無延遲地將觸發(fā)信號(hào)送至計(jì)數(shù)器模塊。

2． 計(jì)數(shù)器

在TMU中，計(jì)算事件發(fā)生次數(shù)或時(shí)間間隔的核心是開始和停止觸發(fā)器。對(duì)此部分而言，為了得到更精確的結(jié)果，分辨率和精度是最重要的因素。如今，TMU制造商可以輕易造出分辨率達(dá)到皮秒(pico-second)或飛秒(femto-second)級(jí)的高速TMU，同時(shí)，計(jì)數(shù)器的最大可計(jì)算時(shí)間仍保持在幾秒。

TMU應(yīng)用舉例：

例1 中在TMU輸入端口送入一個(gè)幅度為1V的正弦波。

檢測(cè)器設(shè)置：

感興趣的閾值電壓= 0.5V

感興趣的信號(hào)變化斜率符號(hào)=正( positive，由低至高變化)

圖1 ：TMU模塊框圖

從圖2 中可以看出，A點(diǎn)將被檢測(cè)到兩次，而B點(diǎn)則會(huì)被忽略，因?yàn)锽點(diǎn)的信號(hào)變化斜率為負(fù)(由高變低)。

圖2 ：將正弦波送入TMU

第一次和第二次檢測(cè)到A點(diǎn)的時(shí)間差就是輸入信號(hào)的周期。

例2中 數(shù)字IC的輸入和輸出管腳被送至TMU的輸入端口。

根據(jù)圖3，設(shè)電壓輸入和輸出的低電平(VIL和VOL)為0V，高電平((VIH和VOH)為5V，則表1給出了相應(yīng)的TMU設(shè)置和待測(cè)參數(shù)。

圖3 ：邏輯波形時(shí)序的例子

RF測(cè)試儀和RF器件

為了節(jié)約成本，半導(dǎo)體測(cè)試服務(wù)提供商在購(gòu)買測(cè)試儀時(shí)很少會(huì)將可選配置全部配齊。通常他們只會(huì)根據(jù)測(cè)試需求考慮選擇哪些配置，然后將測(cè)試儀中的可用資源與待測(cè)產(chǎn)品配對(duì)。以RF測(cè)試儀為例，此類測(cè)試儀僅用于測(cè)試RF器件，因此只包含RF資源和一些外圍支持資源，例如DC源、精密測(cè)量單元(PMU)、TMU和很少幾個(gè)數(shù)字管腳通道。

而另一方面，為了滿足現(xiàn)代RF應(yīng)用的需求，RF器件的性能在不斷提高。如今的RF器件已經(jīng)不只工作在RF頻段，還可以產(chǎn)生和/或捕獲中/低頻信號(hào)。因此，測(cè)試工程師在決定升級(jí)測(cè)試儀之前一定要仔細(xì)消化和理解器件的測(cè)試要求。例如，我們現(xiàn)在有一只待測(cè)的RF器件，需要測(cè)量其DC偏移，測(cè)量參數(shù)如下：頻率10 MHz、幅度300-600mV、輸出阻抗~300?、最大DC偏移1.5V ± 10%(見圖4)。

圖4 ：帶DC偏移的AC信號(hào)及其測(cè)量參數(shù)限制

表1 ：圖4所示的TMU設(shè)置和待測(cè)參數(shù)

當(dāng)然，對(duì)此例，最理想的測(cè)量方案是將測(cè)試儀升級(jí)為具備數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)能力，但這樣會(huì)使測(cè)試成本變得非常高。于是我們會(huì)想到，如果RF測(cè)試儀本身就具備有限的一些資源能夠滿足以上要求呢？對(duì)此，我們做如下說明：

PMU是用于精確DC測(cè)量的儀器，但它不能用于測(cè)量DC偏移。而且，用一個(gè)模擬濾波器濾除信號(hào)中的AC成分也會(huì)影響DC偏移。這些都會(huì)使測(cè)試板的設(shè)計(jì)和測(cè)試程序的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。

RF測(cè)試儀中的RF數(shù)字轉(zhuǎn)換器也不能用，因?yàn)槠漭斎胱杩?50Ω或75Ω)太低，而被測(cè)件(DUT)為高阻輸出，這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電平被拉跨，從而使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。此時(shí)我們可以考慮在RF數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前增加一級(jí)緩沖放大器，但前提是必須仔細(xì)評(píng)估該放大器的固有偏移，因?yàn)檫@也會(huì)使測(cè)試板設(shè)計(jì)與測(cè)試程序結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。

在有其他選擇時(shí)，利用TMU測(cè)量DC偏移可能并非最佳方案，但卻絕對(duì)是最簡(jiǎn)單也最便宜的方案。我們將在下文中詳細(xì)介紹該方法。

利用TMU測(cè)量直流偏移

通常，TMU所帶的都是高阻輸入端口，這一點(diǎn)對(duì)圖4中所舉例子而言確實(shí)非常必要，因此，在輸入阻抗方面不存在問題。采用這種方法時(shí)，只需在測(cè)試板上留出一條通道用以連接DUT的輸出管腳與TMU的輸入端口，無需其他外部元件與電路。某些測(cè)試儀甚至具備一條內(nèi)部總線，可用于連接TMU與其他資源。此時(shí)，連專門為DUT與TMU留通道都沒必要了。

該方法的基本思路是利用TMU中信號(hào)檢測(cè)器的功能。一旦檢測(cè)器檢測(cè)到達(dá)到感興趣的參數(shù)閾值和信號(hào)變化斜率的情況，就會(huì)向CPU發(fā)送一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。該功能允許程序員利用折半查找法搜尋離信號(hào)峰值和谷值非常近的點(diǎn)，設(shè)搜尋結(jié)果為VMax和VMin點(diǎn)，那么DC偏移的幅度就可表示為：

圖5所示為簡(jiǎn)化的VMax和VMin的搜索過程：

圖5 ：簡(jiǎn)化的VMax和VMin搜索過程

當(dāng)然，該方法也可能存在一些局限性，例如：

1． TMU不能象數(shù)字轉(zhuǎn)換器一樣測(cè)量所有AC信號(hào)參數(shù)，例如噪聲電平、THD、SNR等；

2． 輸入信號(hào)的幅度必須非常穩(wěn)定，否則搜索結(jié)果永遠(yuǎn)不會(huì)收斂；

3．該方法不能用于任意信號(hào)，對(duì)正弦波信號(hào)采用該方法效果最好；

4．由于需要進(jìn)行折半查找，所以該方法耗時(shí)較長(zhǎng)，信號(hào)頻率越低，查找周期越長(zhǎng)；

但我們可以想辦法減少查找的周期數(shù)，或者至少將查找周期數(shù)限制為一個(gè)固定值。

本文小結(jié)

測(cè)試工程師們只要仔細(xì)理解測(cè)試要求，并充分利用TMU解決法，就可能避免進(jìn)行昂貴的測(cè)試儀升級(jí)。開發(fā)TMU的功能，將其用于測(cè)量DC偏移就是一個(gè)很好的例子，它同樣可以保證測(cè)試質(zhì)量。而且，采用該方法后，測(cè)試板的設(shè)計(jì)和測(cè)試程序都得到了極大簡(jiǎn)化，因?yàn)榇藭r(shí)無需向測(cè)試板上添加任何電路，也無需向測(cè)試程序中添加任何校準(zhǔn)程序。實(shí)際應(yīng)用也證明該方法可以在可接受的測(cè)試時(shí)間內(nèi)得到滿足要求的測(cè)試結(jié)果。