模擬IC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的直流參數(shù)測(cè)試單元

集成電路（Integrated Circuit，IC）測(cè)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(cè)試設(shè)備是IC測(cè)試技術(shù)的一種重要工具。模擬IC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是一款針對(duì)模擬IC直流參數(shù)和交流參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的設(shè)備，主要用于IC晶圓的測(cè)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(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬IC自動(dòng)測(cè)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。

圖1 模擬IC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖

1. 1 PC模塊

PC是整個(gè)模擬IC自動(dòng)測(cè)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(gè)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(cè)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(duì)PC發(fā)送的功能指令進(jìn)行譯碼，然后轉(zhuǎn)換成測(cè)試數(shù)據(jù)總線傳遞給模擬IC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，類似于PC與自動(dòng)測(cè)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)總線的傳遞。

1.5功能板模塊

TMU（Time Measure Unit），時(shí)間測(cè)量單元，主要功能是測(cè)量信號(hào)的頻率、周期、上升沿時(shí)間、高脈沖時(shí)間等時(shí)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(duì)波形的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸；OVC（Octal Voltage/Current），直流參數(shù)測(cè)試單元，主要功能對(duì)直流參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

2直流參數(shù)測(cè)試單元

模擬IC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中直流參數(shù)測(cè)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(cè)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(jì)中的直流參數(shù)設(shè)計(jì)單元（OVC）可提供4個(gè)獨(dú)立的PMU（Precision Measure Unit，精密測(cè)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。

圖2 OVC硬件電路結(jié)構(gòu)

2.1直流參數(shù)測(cè)試單元原理

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

圖3 PMU功能原理圖

從PC端發(fā)送功能指令FV/FI，F(xiàn)PGA對(duì)功能指令進(jìn)行解碼，從而控制DAC、繼電器開(kāi)關(guān)和ADC，最終將測(cè)量結(jié)果MI/MV上傳到PC端。本設(shè)計(jì)中DAC采用16位的DAC7744，ADC采用16位的ADC974，它們都擁有4個(gè)獨(dú)立的通道，可提供4個(gè)獨(dú)立的PMU通道，分辨率為305μV，能夠滿足系統(tǒng)高精度的要求。2.2加電壓測(cè)電流（FVMI）功能原理

加電壓測(cè)電流功能主要是為待測(cè)器件施加一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，然后測(cè)量流經(jīng)待測(cè)器件的電流。將圖3中的開(kāi)關(guān)S2、S3打到FV端，整個(gè)電路就可以實(shí)現(xiàn)加電壓測(cè)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(kāi)爾文連接法，最終連接到待測(cè)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(cè)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(kāi)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(kāi)關(guān)S1需要打到-2F V端，將DAC的輸出電壓經(jīng)過(guò)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(shí)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(cè)器件就形成了一個(gè)回路，如圖4所示。

圖4 FVM1功能原理圖

由圖4可知，流經(jīng)待測(cè)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(cè)器件load的電流值。VD經(jīng)過(guò)ADC轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號(hào)，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(cè)電壓（FIMV）功能原理

加電流測(cè)電壓功能主要是為待測(cè)器件施加一個(gè)穩(wěn)定的電流值，然后測(cè)量待測(cè)器件的電壓值。將圖3中的開(kāi)關(guān)S2、S3打到FI端，整個(gè)電路就可以實(shí)現(xiàn)加電流測(cè)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(kāi)爾文連接法，最終連接到待測(cè)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(cè)壓的功能，此時(shí)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(shí)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(cè)器件就形成了一個(gè)回路，如圖5所示。

圖5 FIMV功能原理圖

由圖5可知，流經(jīng)采樣電阻Rs的電流與流經(jīng)待測(cè)器件load的電流相等，即PC所施加的電流值，那么此時(shí)待測(cè)器件load的電壓值就是Sense端的電壓值VT，VT經(jīng)過(guò)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(hào)，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(cè)量結(jié)果

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

3結(jié)論

根據(jù)文中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以分析得到：直流參數(shù)測(cè)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(cè)試階段，在不久的將來(lái)，將投入模擬IC的測(cè)試應(yīng)用。