模擬IC自動測試系統(tǒng)的直流參數(shù)測試單元

摘要：模擬IC自動測試系統(tǒng)主要針對模擬IC的直流參數(shù)和交流參數(shù)進(jìn)行測試，其中直流參數(shù)的測試是整個測試過程的重要部分。直流參數(shù)測試單元可以為芯片提供穩(wěn)定的、精確的電壓或電流，主要實(shí)現(xiàn)兩種功能：一種是對待測芯片施加電壓從而測量電流值，簡稱FVMI(加電壓測電流)功能;另一種是對待測芯片施加電流從而測量電壓值，簡稱FIMV(加電流測電壓)功能。

集成電路(Integrated Circuit，IC)測試技術(shù)是集成電路產(chǎn)業(yè)中不可或缺的重要組成部分，而測試設(shè)備是IC測試技術(shù)的一種重要工具。模擬IC自動測試系統(tǒng)是一款針對模擬IC直流參數(shù)和交流參數(shù)進(jìn)行測試的設(shè)備，主要用于IC晶圓的測試，以便驗(yàn)證芯片的性能參數(shù)是否符合規(guī)范要求。

1 模擬IC自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬IC自動測試系統(tǒng)主要包括PC、PCI通信板、控制板、母板、TMU板、OVC板、AWG板、DIG板和DUT板組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1. 1 PC模塊

PC是整個模擬IC自動測試系統(tǒng)的主控制中心，類似于人類的“大腦”，主要負(fù)責(zé)向各個功能板發(fā)送功能指令使其實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，并接收、處理測量得到的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.2 PCI通信板模塊

PCI通信板主要負(fù)責(zé)對PC發(fā)送的功能指令進(jìn)行譯碼，然后轉(zhuǎn)換成測試數(shù)據(jù)總線傳遞給模擬IC自動測試系統(tǒng)，類似于PC與自動測試系統(tǒng)之間的“橋梁”。

1.3 控制板模塊

控制板主要是將PCI傳遞的測試數(shù)據(jù)總線進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，完成PCI和各功能板之間的通信。

1. 4 母板模塊

母板類似于控制板和各功能板之間的“橋梁”，主要實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)總線的傳遞。

1.5 功能板模塊

TMU(Time Measure Unit)，時間測量單元，主要功能是測量信號的頻率、周期、上升沿時間、高脈沖時間等時間參數(shù);AWG(Arbitrary Waveform Generator)，任意波形發(fā)生器，主要功能是可以產(chǎn)生任意的波形;DIG是數(shù)據(jù)采集卡，主要對波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲和傳輸;OVC(Octal Voltage/Current)，直流參數(shù)測試單元，主要功能對直流參數(shù)進(jìn)行測試。

2 直流參數(shù)測試單元

模擬IC自動測試系統(tǒng)中直流參數(shù)測試單元的主要功能是為芯片提供穩(wěn)定的電壓值或者電流值，然后測量其電流或者電壓，從而判斷芯片是否符合規(guī)范要求。本設(shè)計中的直流參數(shù)設(shè)計單元(OVC)可提供4個獨(dú)立的PMU(Precision Measure Unit，精密測量單元)，最大輸出電壓可達(dá)到+20 V，誤差為0.5%，最大輸出電流可達(dá)到±0.5 A，誤差為0.1%，OVC的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 直流參數(shù)測試單元原理

OVC系統(tǒng)采用16位DAC7744、16位ADC974以及開爾文連接法來提高系統(tǒng)的精度。PMU可以實(shí)現(xiàn)兩種功能：FVMI(加電壓測電流)功能和FIMV(加電流測電壓)功能。兩種功能的原理框圖如圖3所示。

從PC端發(fā)送功能指令FV/FI，F(xiàn)PGA對功能指令進(jìn)行解碼，從而控制DAC、繼電器開關(guān)和ADC，最終將測量結(jié)果MI/MV上傳到PC端。本設(shè)計中DAC采用16位的DAC7744，ADC采用16位的ADC974，它們都擁有4個獨(dú)立的通道，可提供4個獨(dú)立的PMU通道，分辨率為305 μV，能夠滿足系統(tǒng)高精度的要求。

2.2 加電壓測電流(FVMI)功能原理

加電壓測電流功能主要是為待測器件施加一個穩(wěn)定的電壓值，然后測量流經(jīng)待測器件的電流。將圖3中的開關(guān)S2、S3打到FV端，整個電路就可以實(shí)現(xiàn)加電壓測電流(FVMI)的功能。

首先，為了提高系統(tǒng)的精度，圖3中的Force端和Sense端采用開爾文連接法，最終連接到待測器件的同一端。

其次，F(xiàn)PGA接收到PC的功能指令，當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加壓測流的功能，F(xiàn)PGA控制DAC輸出所施加的電壓值，由于DAC7744輸出電壓范圍在-10～+10 V之間，如果所施加的電壓值在-10～+10 V之間，那么開關(guān)S1直接打到FV/FI端，如果所施加的電壓值在+10～+20 V或者-20～-10 V之間，那么開關(guān)S1需要打到-2F V端，將DAC的輸出電壓經(jīng)過OPA1反相放大2倍后輸出所要施加的電壓值。

然后，DAC輸出的電壓值到達(dá)功率放大器OPA2，此時選擇合適采樣電阻Rs，并將與其相連的繼電器閉合。那么，OPA2、采樣電阻、待測器件就形成了一個回路，如圖4所示。

由圖4可知，流經(jīng)待測器件load的電流與流經(jīng)采樣電阻Rs的電流相等，而儀表放大器OPA3的輸出電壓VD是采樣電阻Rs兩端的壓差，那么VD除以采樣電阻阻值Rs得到的電流值I即為流經(jīng)采樣電阻Rs的電流值，也就是流經(jīng)待測器件load的電流值。VD經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號，上傳到PC，PC端將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到電流值MI。

2.3 加電流測電壓(FIMV)功能原理

加電流測電壓功能主要是為待測器件施加一個穩(wěn)定的電流值，然后測量待測器件的電壓值。將圖3中的開關(guān)S2、S3打到FI端，整個電路就可以實(shí)現(xiàn)加電流測電壓(FIMV)的功能。

首先，為了提高系統(tǒng)的精度，圖3中的Force端和Sense端采用開爾文連接法，最終連接到待測器件的同一端。

其次，F(xiàn)PGA接收到PC的功能指令，當(dāng)前系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加流測壓的功能，此時需要選擇合適的采樣電阻值Rs，由FPGA控制DAC輸出一定的電壓值，電壓值等于所施加的電流值FI乘以采樣電阻阻值Rs。

然后，DAC輸出的電壓值到達(dá)功率放大器OPA2，此時與采樣電阻Rs相連的繼電器閉合。那么，OPA2、采樣電阻、OPA3和待測器件就形成了一個回路，如圖5所示。

由圖5可知，流經(jīng)采樣電阻Rs的電流與流經(jīng)待測器件load的電流相等，即PC所施加的電流值，那么此時待測器件load的電壓值就是Sense端的電壓值VT，VT經(jīng)過電壓跟隨器OPA4、緩沖器OPA5，最終由ADC轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號，上傳到PC，PC端將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到電壓值MV。

2.4 測量結(jié)果

本設(shè)計直流參數(shù)測試單元(OVC)包括4個獨(dú)立的PMU，以其中一個PMU為例，選用精密電阻作為待測器件，表1是FVMI功能和FIMV功能的測試數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

根據(jù)文中的測試數(shù)據(jù)可以分析得到：直流參數(shù)測試單元可以作為穩(wěn)定的、精確的電壓源或電流源。目前，OVC已進(jìn)入硬件電路的老化性測試階段，在不久的將來，將投入模擬IC的測試應(yīng)用。