分立器件时间测量单元的研制

胡爱民

（北京自动测试技术研究所,北京,100088）

分立器件时间测量单元的研制

胡爱民

（北京自动测试技术研究所,北京,100088）

分立器件的时间参数测量是分立器件参数测量的重要组成部分，随着分立器件设计技术的不断提高,如何高效准确地测试分立器件的时间参数是分立器件交流参数测试研究的重点。本文介绍了时间参数测量电路,从频率可调的方波产生电路，到时间测量电路做了一个系统的描述，此时间测量单元的测试结果在JC90分立器件测试仪器上得到了正确的验证。

分立器件;时间参数测量;方波产生器;方波驱动;Edge818;TDC-GP1

0 引言

在半导体产业中有两大分支：集成电路和分立器件。其中，分立器件被广泛应用于消费电子、计算机及外设、网络通信，汽车电子、LED显示屏等领域。目前，中国的半导体分立器件产业已经在国际市场占有举足轻重的地位并保持着持续、快速、稳定的发展。半导体分立器件行业市场发展虽然处于低迷时期，但前景依然美好。同时，军工产品对分立器件的可靠性要求越来越高，提高检测分立器件可靠性的技术手段，加强对分立器件质量控制和管理，这样对如何能够方便快速对分立器件的时间参数测试提出了挑战。

本文首先介绍了分立器件的时间参数测试电路，然后结合自主研制的JC90自动测试设备测试实例，介绍了分立器件时间参数的测试过程。

1 测试电路

分立器件的时间参数测试电路，主要包含以下三个部分：分立器件测试激励源、分立器件响应输出处理电路、时间测量电路。

1.1分立器件激励源

在分立器件时间测试过程中，需要对分立器件施加一个激励源，一般此激励源是一个不超过10kHz的方波信号。

本文选用Altera公司的CYCLONE系列中EP1C6芯片，在此芯片的基础上编程产生方波，主要是基于数字DDS原理：频率控制字M和相位控制字P分别控制DDS输出波形的频率和相位。相位累加器是整个波形产生器的核心，它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟脉冲，相位寄存器以步长M增加，如下图1所示。

图1 波形产生器内部原理图

相位寄存器的输出与相位控制字相加，其结果作为波形查找表的地址。波形查找表由ROM构成，内部存有一个完整周期的波形的数字信息。查找表输入的地址信息映射成输出波形幅度信号，同时输出到数模转换器的输入端，相位寄存器每经过2N／M个fc时钟周期后回到初始状态，相应地波形查表经过一个循环回到初始位置，DDS输出一个波形。输出波形的频率为:

同时FPGA还用于控制DA模块THS5651A的输出以及与其它模块的通信，通过FPGA发出命令，可以控制THS5651A输出特定幅值、宽度和频率的脉冲，原理图如图2所示。THS5651A是电流输出型DA，其输出的模拟电流边沿可达1nS，通过运算放大器后，其输出电压幅度约为1V左右，因此运算放大器的后端又增加了放大驱动电路，此电压通过处理后满足分立器件激励源的要求。

图2 方波控制产生电路

1.2分立器件响应输出处理电路

分立器件种类繁多，其响应输出有的电压比较高，有的输出波形上升沿和下降沿非常快，有的甚至可以达到20nS左右。为了满足绝大部分的分立器件的需求，需要对上面两种分立器件出现的响应做出相应的处理电路。

如下图3是对电压比较高的输出采用了分压处理，在此分压电路中，采用了AD811作为电压跟随电路，其主要功能是将输入电压信号完全无损跟随，同时满足其驱动要求，因为一般测试设备需要测试的分立器件离测试单元比较远，需要通过BNC的同轴线相连，这样必须增加驱动跟随电路，否则波形畸变，无法应用于测试。

根据实际测量的结果，其波形在上升沿和下降沿的实际失真在2nS左右，完全满足波形处理要求。

另外一个比较重要的电路是，高速波形处理电路，其主要目的是分解边沿波形，将其波形分解为10%和90%的方波信号，具体的电路图如图4所示。

图4 波形电压比较电路

1.3时间测量电路

为了精确测量处理过后的波形的时间参数，本文采用两种方法相结合的方法来完成，一是采用数字计数器，主要的原理是，例如测量方波高电平持续时间，在高电平来临时计数器开始计数，在高电平结束时计数器停止计数，在此期间计数N次，记一次数持续时间是一个计数器时钟Tclk，那么高电平持续时间就是t=Tclk*N，通过这种方式来测量时间，这种方法一般测量低频电路；二是采用专门的时间间隔测量芯片，本文采用的是德国ACAM公司研发的时间测量芯片TDC-GP1，此芯片可提供两通道250ps或单通道125ps分辨率的时间间隔测量，测量原理如图5所示。START信号和STOP信号之间的时间间隔由非门的个数来决定。TDC-GP1还提供了与微处理器的多种接口方式，用户可以很方便地用它构成自己的系统或仪器，通对数据总线的操作就可以读出时间测量单元的测量时间，此芯片专门用来测量高频电路时间参数。

图5 TDC-GP1测量单元

图3 波形处理分压电路

2 测试系统验证

实验主要是在JC90测试系统上进行测试，该系统是基于PCI总线的分立器件测试系统，主要提供测试各类分立器件所需要的最基本的硬件资源。

测试的主要流程是：用户通过测试程序库调出被测器件的测试程序，运行测试程序就可以测量时间参数，这个过程全部由计算机软件来操作，具体的操作过程如下：测试程序调用各模块的函数库，通过PCI总线发出测试开始指令，调用各个模块产生测试所需要的资源，测试分立器件所需的器件电压电流源，驱动方波，然后通过同轴电缆和电路板施加到被测试的分立器件上，得到想要的输出波形，然后将输入的驱动方波和输出的方波通过同轴电缆连接到时间测量单元上，通过此单元进行时间参数的测量，其测试精度达到nS级别。

3 结论

本文对分立器件的时间参数测量的电路进行了详细的说明，并且最后与JC90分立测试仪器相结合，通过此仪器搭建的平台可以快速准确的测量分立器件的时间参数。

[1] Semtech Devices.EDGE818.pdf[S/OL].www.semtech.com

[2] Germany Acam Devices.TDC-GP1.pdf[S/OL].www.acam.de

[3] Altera Fpga Devices.EP1C6.pdf[S/OL].www.altera.com. cn.

[4] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2001,476-484.

[5] 铃木雅臣.北京:晶体管电路设计(上)[M].周南生，译.北京：科学出版社,2004,45-109.

胡爱民，1980出生，助理研究员，硕士研究生，毕业后一直工作于北京自动测试研究所，从事集成电路测试仪器研究。

Research of time measurement unit of discrete device

Hu Aimin
(Beijing Institute of Auto-Testing Technology,Beijing,100088,China)

The time parameter measurement of discrete device is the important component of discrete device parameters measurement,With the continuous improvement of discrete device design technology,How to efficiently and accurately test discrete devices’s time parameter measurement is the focus of the AC parameter research.This paper introduces the circuit of the time parameter measurement,From the Square wave generator circuit of Adjustable frequency,to the end of time measurement circuit made a system description, this time measuring unit testing results in JC90 testing equipment of discrete device has been correct verified.

discrete device;time parameter measure;Square wave generator;Square wave drive;Edge818;TDC-GP1

16 TN79

A 国家标准学科分类代码：510.3010