模拟集成电路直流参数测试

李东凯 ，刘子宽

(1.电子科技大学自动化学院 成都 610054；2.中国铁道科学研究院电子计算技术研究所 北京 100081）

0 引言

集成电路测试技术是集成电路产业链中必不可少的一个重要环节，在SoC时代，虽然模拟电路所占比例越来越少，但无论其设计、工艺和测试都逐渐变成整个系统最难的环节。由于其对应工作范围几乎为全电流范围，所以需要一些特殊的方法进行测试，这就进一步提高了对测试设备的要求。在国内，这些技术都还处于发展阶段，与国外同类ATE产品具有一定的差距，随着国内模拟集成电路设计水平的不断提高，测试技术的发展逐渐成为产业瓶颈。

本文提出了以AD5522和AD974搭建测试环路，以ARM完成系统总体控制的设计思路，设计并完成了模拟电路直流参数测试系统。

1 模拟集成电路直流参数测试系统硬件设计

1.1 系统组成

系统硬件设计框图如图1所示。本系统基于4通道高精度直流测量单元AD5522和4通道16位模数转换器AD974构成4路独立的测试通道，采用ARM9作为系统主控制器，通过SPI接口对AD5522和AD974进行读写操作，并辅以液晶显示屏和键盘作为人机接口。

图1 系统硬件框图

1.2 控制模块

该系统的控制模块选用S3C2440AL作为主控芯片，接受来自操作人员的测试参数设定，如测试模式、量程选择等，并通过SPI接口向AD5522发送测试向量，同时触发AD974进行采样并读回测试数据，测试数据在ARM中进行数值转换和误差校正后，在液晶显示屏中显示出测试结果，并将测试结果送至分选机，以分选出正品和次品。

1.3 测试环路

测试环路主要是由AD5522和AD974构成。AD5522是一个高性能、高度集成的参数测量单元（PMU）,由4个独立测试通道组成。每个PMU通道都包含5个16位电压输出型DAC,用于设置施加、箝位和比较的可编程输入电平。AD5522提供的电流范围为5μA至64mA，超过64mA的电流则需要外部放大器。同时，它还提供了一个时钟频率高达50MHz的SPI接口，实现了模式和DAC寄存器的快速更新。AD974 是一个200kSPS、4通道、16位ADC，具有高通过率、低功耗、高精度等特性，非常适合在本系统中与AD5522配合使用。

以施加电压测量电流模式为例，如图2所示.在该模式下，施加放大器FA、DUT和仪器放大器IA2构成电压施加环路，将DUT两端电压稳定在FIN（用户设定的施加电压值）；而内部取样电阻RSENSE两端的电压被仪器放大器IA1取出，送到MEASOUT端，再通过AD974采样测出MEASOUT的值。通过下面的公式可计算出DUT两端的电压和流过的电流。

式中：FV是DUT两端施加电压；FIN是用户设定的施加电压；MI是流过DUT的电流；MEASOUT是仪放IA1输出电压；RSENSE是选择的取样电阻,即电流量程；GAIN是仪放IA1的增益，可选择X5或者X10。

利用AD5522内部的4个取样电阻，可以提供5μA、20μA、200μA、2mA等4个量程，对于电流范围在2mA至64mA的测试，需要在AD5522的EXTMEASIL端连接适当的取样电阻，对于大于64mA的测试，必须在EXTFOH后端加入一级功放，并选取适当的取样电阻。

对于施加电流测量电压模式，通过改变AD5522内部环路中部分模拟开关的开闭，从而施加放大器FA、取样电阻RSENSE和仪器放大器IA1构成电流施加环路，将流过DUT电流稳定在FIN/(RSENSE*GAIN)；而DUT两端的电压被仪器放大器IA2取出，送到MEASOUT端，再通过AD974采样测出MEASOUT的值。

同时，通过切换MEASOUT前端的输出选择模拟开关，可以选择输出对象，在系统调试和校准时实现施加电压测试电压和施加电流和测试电流的功能。

图2 AD5522的施加电压测量电流模式

2 软件设计

在系统硬件的基础上，将Linux操作系统下载到S3C2440AL中并编写引导程序Bootloader，初始化函数和测试环路控制函数，系统软件流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

根据流程图，系统上电后首先需要操作人员对测试的模式、量程、滤波方式、校准系数等系统参数进行设置，然后系统开始初始化并自检，检查是否存在系统故障及操作人员是否参数设置不当，若存在故障或设置不当，系统将停留在自检画面10s后提示故障；若自检正常，系统将开始测试，对DUT施加测试向量并通过ADC读回测试数据，该数据在ARM中通过计算、校正，给出正品/次品的判断，将测试结果送至分选机，以剔除次品，同时记录下此次测试结果并在液晶屏上显示测试的统计结果。

3 实验结果分析及误差校准

在±12V的量程范围内，我们选择了11个电压值进行施加，并使用高精度的电压表对施加值以及AD读回值进行测量，测试结果如表1所示。.

表1 校准前施加电压/测试电压误差表

测回的电压值大致分布于设定值左右，经过观察分析，绘制折线图如图4所示。

图4 误差折线图

本文中采用最小二乘法对该测试系统进行校准。校准分为对AD5522施加DAC的设定值进行的校准和对ADC的读回值进行的校准。将表1中数据带入以下公式

得到a1=0.999971，b1 =-0.003055；a2=0.998390，b2=0.000224。将a1、b1作为AD5522施加DAC写入值的校准系数，将a2、b2=0.000224作为ADC读回值的校准系数，对系统进行重新测试，测试结果如表2所示。

表2 校准后FV数据

校准后测试结果显示，通过最小二乘法对测试系统进行的校准是准确有效的，测试精度大幅度提高，使得该测试设备很好地满足了测试精度高于千分之一的设计要求。

4 结 论

本文基于现行的电子测试理论，利用S3C2440AL、AD5522及AD974设计了一套同时支持多个通道测试的模拟集成电路直流参数测试系统。通过实际测试证明，该系统具有结构紧凑、测试速度快、精度高、可操作性强等特点，在IC测试行业中具有良好的应用前景。

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