微电子综合实验仪的设计

北方工业大学电子信息工程学院 万世松 张晓波 熊恩毅 马清呈 柳吉辉

微电子综合实验仪的设计

北方工业大学电子信息工程学院 万世松 张晓波 熊恩毅 马清呈 柳吉辉

本文以微处理器为核心，搭配仪表放大器、模拟开关、大功率运算放大器、高精度模数转换器等外围器件，设计了微电子综合实验仪。该仪器主要包括电流源、电压源、电压表、电流表、温度测试单元等模块，可以完成微电子专业相应的实验内容，如电阻率测试、热探针法测半导体类型、PN结温度特性、电子器件伏安特性测试、线性稳压器特性测试等。

伏安特性测试；参数测试单元；自动测试设备

0 引言

微电子学作为当代信息科学技术的关键基础，微电子产业被誊为现代电子工业的心脏和高科技的原动力，是当今世界上最富有生命力、增长最为迅速的产业之一。在学习微电子专业知识过程中，实验环节是必不可少的。

目前市场上的微电子专业相关仪器价格昂贵，功能单一，无法大批量采购用于学生实验。本项目结合微电子专业的专业基础课，将多个实验项目进行整合，开发综合实验仪器。通过该仪器增强学生对相关各专业课程的理解，了解和掌握半导体、微电子的原理及应用技术，培养学生实验观察、测量，数据归纳、分析和处理等方面的能力。

本文研究以微处理器为核心，搭配相应的外围模拟数字电路模块，完成各种信号的产生及相应信号的采集，配合相应的测试夹具可以完成多个微电子基础实验。

图1 微电子综合实验仪系统结构图

1 微电子综合实验仪系统设计

微电子综合实验仪的系统结构如图1所示，主要由以下几个部分组成：微处理器、参数测试单元、模数转换器(ADC)模块、温度测量与控制模块、按键控制及显示模块。

微处理器完成整个系统的控制，根据按键功能的不同完成不同的动作，将AD采集的数据经运算在液晶显示屏上显示出来。

参数测试单元（Parametric Measurement Unit,PMU）是整个系统最重要的核心部分，由高精度的电流源、电压源、电流表和电压表组成。通过选择不同的档位生成稳定的测试电压电流，并进行电压电流的检测。

AD模块将采集的电压电流模拟信号转换为数字信号，送入微处理器进行运算处理显示。

温度测量和控制模块利用温度传感器检测温度，并通过加热装置进行恒温加热控制。

其中微处理器及按键和显示部分较为简单，可以参考相关书籍或论文进行设计，在此不再赘述。而如何产生信号及信号采集处理尤为关键，是本项目研究的重点，下面对其进行详细描述。

2 参数测试单元的基本工作原理

在自动测试设备(Automatic Test Equipment ，ATE)中，参数测试单元PMU是核心模块，其完成的主要功能可分为下述几项[1]：

FVMI：加载电压/测量电流

FIMV：加载电流/测量电压

FVMV：加载电压/测量电压

FIMI：加载电流/测量电流

上述几种模式可以用同样的电路结构来实现，通过开关切换不同的工作模式。图2是PMU的等效框图。

图2 PMU等效框图

DUT为待测元器件负载，U2、U3、U4组成差分放大器检测采样电阻Rsense上的电压，即检测电流。而U5组成的缓冲器检测电压。开关SW1决定是控制输出电流还是输出电压。当开关SW1切换到FI侧时，U1将检测到的电流与设置电流(有VIN决定)比较，从而控制输出电流的大小。当开关SW1切换到FV侧时，U1将检测到的电压与设置电压(有VIN决定)比较，从而控制输出电压的大小。MSR为输出测试信号，由开关决定是测电压还是测电流。如果开关SW2切换到MI侧，则测试电流，SW2切换到MV测，则测试电压。这样，通过SW1和SW2的不同组合，就可实现上述的四种功能。

在电流驱动模式，VIN为控制电压，假设U4组成的放大器增益为10，则输出驱动电流

使用IOS引脚配置芯片，以支持单极性模数转换器ADC (这时可以设置VIOS为ADC输入范围的中值)或双极性ADC (这时可以设置VIOS为0V)。由此，可以针对其应用需求在较宽范围选择ADC。

在电压驱动模式，DUT上的电压经U5缓冲，由U1作用使其强制等于IN引脚电压，因此：

RSENSE由多个电阻组成不同的电流档位，用模拟开关和继电器进行档位选择。

U6是大功率的运算放大器，组成单位增益缓冲器，用于输出较大的驱动电流。

3 电路的具体实现

3.1 运算放大器的选择

为了测试精度和稳定性，对于电路中的运算放大器，要求有较小的输入失调电压和输入偏置电流。为了得到双向电压电流，要求运放正负双电源供电。经过对各公司运放的对比，最终选择了Analog Device公司的OP497运放，该运放是精密运放，皮安级输入电流，四通道运算放大器，有如下优势和特点：

● 低失调电压：75 μV（最大值）

● 低失调电压漂移：1.0 μV/°C（最大值）

● 极低偏置电流: 25°C: 150 pA（最大值）

● 极高开环增益：2000 V/mV（最小值）

● 电源电压：±2 V至±20 V

● 高共模抑制：114 dB（最小值）

U2、U3、U4组成的差分电路也可以选用仪表放大器，如INA118、AD8422等，几个运放和电阻集成到单个芯片中，有更好的匹配性，更小的失调，缺点是价格较贵。

常规运放输出电流都偏小，为得到大的输出电流，在大电流档位，选择大功率运放组成单位增益电路作为驱动。综合考虑各项指标，选用了TI公司的OPA548。OPA548是高电压、高电流、宽输出电压摆幅功率运算放大器，具有优良小信号放大性能，用其驱动多种负载非常理想。电源电压(+VS～-VS)60V，可单电源或双电源工作。输入阻抗高，偏置电流小。可连续输出3A大电流，内部具有过温和电流过载保护，用户可以根据需要进行精密的限流设计[2]。

3.2 模数转换器ADC的选择

逐次逼近型ADC具有较高的有效位数，采样速率也比较高，是测试系统模数转换器比较理想的选择。近年来Delta-Sigma ADC发展迅速，这种结构的ADC具有极高的有效位数，缺点是采样速率较慢。但随着集成电路工艺的进步，其采样速率也逐渐提高，价格也越来越低，在测控系统中应用越来越广泛。

本文的设计对ADC的有效位数要求较高，而不需要太高的采样速率。所以可以选用Delta-Sigma ADC。

作为采样ADC,要求其输入电压范围应该较宽，如本设计中要求有-10V～+10V的信号输入范围，但此类ADC价格较贵。考虑到易用性，可扩展性以及成本，本设计中选用了TI公司的AD1148作为信号采集ADC。

ADS1148具有16位的有效位数，采样速率最高可达2kSPS,集成了八选一选择器，可组成4组差分或7个单端信号采集系统，集成的可编程增益放大器(PGA)可设置从1V/V到128V/V，两个精确匹配的可编程电流源（电流值从50μA到1500μA共7档），集成了时钟振荡器和低温漂的内部参考基准，SPI串行接口，单电源或双电源供电[3]。

高的集成度使其应用电路非常简洁灵活，特别是内部的可编程电流源，在温度检测中对提高精度有极大的作用。

在本文所设计的系统中，利用ADC1148的部分通道组成温度测控系统，其他的的输入作为参数测量单元的输出信号采集。

图3 三线制测温系统基本原理

采用PT100作为测温元件，与ADC1148组成的测温系统原理如图3所示。采用三线制测试方法，减小了测温元件导线电阻的影响。IDAC1和IDAC2是AD1148内部精确匹配的电流源。由图3可得到转换完的数字码Code如公式3所示。

由式4可知，两个电流源可以抵消掉导线电阻RLEAD1和RLEAD2的影响。内部电流源的匹配精度±0.2%，如果想进一步提高温度测试精度，在ADS1148内部有转换开关可以对两个电流源进行交换，取平均值即可极大提高测试精度。当然，也可以采用四线制测试，这样测试精度只跟参考电阻RREF的精度有关。RREF采用低温漂的精密电阻。还可以对增益和偏移进行精确校准，得到优于±0.1℃的测试精度。

3.3 微处理器系统设计

微处理器主要根据按键选择不同功能，并驱动模拟开关或继电器进行功能切换，从ADC采集数据，并送LCD进行数据显示。另外根据测试温度和设置温度控制外部继电器，使加热装置通断电，保持恒温状态。整个系统对数据处理和运算速度的要求不高，一般的微处理器系统都能满足要求。为了系统的扩展性，选择了意法半导体公司的STM32F103RCT6，32位ARM Cortex-M3内核，包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN，在存储容量和运算速度方面满足要求。利用其USB接口可以编程实现虚拟串口，与计算机相连，在计算机上编程对仪器进行智能控制。

4 综合实验仪的应用

利用本仪器所提供的各种资源，进行有机组合，可以完成很多的微电子基础实验。

如图4所示为四探针法测电阻率原理图，将仪器设置为加电流测电压模式(FIMV)，电流加在探针1、4之间，测试探针2、3间电压，即可经计算得到半导体样品的方块电阻。

热探针法测半导体导电类型实验，将一根探针与PT100热敏电阻用导线绕多圈捆绑在一起，用加电流测电压模式在导线中通过恒定的电流，这样探针就会被加热，通过PT100测试并由微处理器控制加热温度，一般60℃即可。与另一根未经加热的探针组成冷热探针系统。将冷热探针分别与半导体材料接触，尽量靠近，这样在冷热探针间就会产生电压差，该电压差很小，提高电压测试电路的增益，将冷热探针的电压差进行放大，根据探针测得的电压正负即可判断半导体掺杂类型。

图4 四探针法测电阻率示意图

电流电压特性曲线测试是研究半导体器件特性的关键手段。例如将半导体二极管作为参数测量单元的负载，加恒定的电流，测试两端电压，得到多个不同电流值下的电压，即为二极管的伏安特性曲线。可以利用这种方式对比不同种类的二极管，如整流二极管、肖特基管、发光二极管等，从而加深理论理解。

另外，结合温度测控系统，可以完成不同温度下伏安特性的测试，从而了解半导体温度特性。

利用恒流源给LED供电，利用亮度传感器或TCS3200颜色传感器作为ADC输入信号检测亮度和颜色值，可以测得LED的光电特性。

利用多台实验仪组合，或一台实验仪中设计两个参数测量单元，还可以完成更多的实验项目。如在晶体三极管特性测试实验中，一台实验仪给晶体管加恒定的基极电流，另一台实验仪给集电极加电压同时测集电极电流，改变基极电流和集电极电压，就可得到晶体管的输出特性曲线[4]。在三端稳压器芯片测试实验中，一台实验仪作为输入，加电压测电流，另一台实验仪加在输出端做负载，加电流测电压，即可测得输出电压、负载调整率、电压调整率、静态电流、静态电流调整率等多项参数。结合温度测控系统还可测得输出电压温度系数。

5 结论

参考集成电路自动测试设备(ATE)的基本结构，根据微电子学科教学实验需求，本项目设计了综合实验仪。对实验仪中的参数测量单元、信号采集和温度测量系统进行了认真对比设计，整个系统结构清晰，组合能力强，经验证可以完成多个微电子实验项目的需求。在此基础上还可以扩展，用FPGA完成正弦波、方波等各种信号源及数字逻辑控制，再配合射频检波探头，即可完成交流信号有关的多个实验项目，如晶体管频率特性测量，放大器特性测量，半导体开关特性测量等。

[1]阎伟,高剑．IC测试系统中多通道参数测试单元的研发[J]．电子测试,2014．13:1-2,16．

[2]伊力哈木江·哈力木拉提,牛晓良,孙涛等．简易LED光电特性测试装置设计[J]．电子世界,2013,5:31-33．

[3]贾诚安,叶林,葛俊锋,等．一种基于STM32和ADS1248的数字PID温度控制系统[J]．传感器与微系统,2015,34(11):103–105．

[4]顾汉玉,黎富华,刘慧琳．一种快速测量晶体管共射极直流放大倍数(HFE)的方法[J]．电子测试,2016．09:49-53．

注：本文受北京市大学生科学研究与创业行动计划项目资助，特此致谢。