运放电路在测试系统中的应用

王金萍，吴熙文

(中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072)

运放电路在测试系统中的应用

王金萍，吴熙文

(中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏 无锡 214072)

硬件芯片的功能、可靠性和稳定性至关重要，使得硬件测试越来越受到重视。在测试过程中为提高测试的精度和稳定性，会在测试芯片外围电路的基础上根据不同芯片的测试难点增加测试辅助电路，运放电路是其中较为常见的测试辅助电路。根据各运放电路的特点与功能，分别描述和研究了在遇到测试难点时运算放大器、电压跟随器和电压比较器在测试系统中的应用，从而有效提高了测试精度。

硬件测试；运算放大器；电压跟随器；电压比较器

1 引言

在硬件测试过程中，测试工程师一般会根据客户提供的外围电路以及测试要求与规范设计待测试电路的外围电路，并且根据不同电路的特点会对外围电路增加一些辅助器件，以使得测试效果更佳。这些辅助器件有很多种，较常见的就是运放电路，根据不同应用包括运算放大器、电压跟随器与电压比较器等，这些运放电路各有特点，本文即对运放电路等辅助器件在测试系统中的应用进行分析和研究。

2 几类运放电路的基本原理

运放电路根据不同应用可分为很多种类，本文仅介绍在测试系统中应用较多的运算放大器、电压跟随器与电压比较器。本节对这些电路的基本原理进行简单介绍。

2.1 运算放大器的基本原理

运算放大器一般由4部分组成，偏置电路、输入级、中间级以及输出级。根据输入电压作用位置不同，运算放大器包括反相放大器和同相放大器，反相放大器电路如图1所示。输入电压uI通过电阻R作用在运算放大器的反相输入端，所以输出电压uO和输入电压uI反相。电路中通过Rf引入负反馈，为了降低输入级偏置电流引起的运算误差，在同相输入端要接入补偿电阻 R′=R//Rf，通过“虚短路”和“虚断路”的概念，可以整理得出：

输出电压uO和输入电压uI成反相比例关系，比例系数为-Rf/R。比例系数可以大于1，即为放大关系，可以小于1，即为缩小关系，也可以等于1。反相运算放大器对输入信号的负载能力是有一定要求的。

图1 反相运算放大器

将图1中的输入端和接地端互换位置，得到同相放大器电路，如图2所示，根据“虚短”和“虚断”的原则，整理得到：

可以看出，同相放大器中uO与uI同相，且反相放大器既可实现缩小又可实现放大，而同相放大器因uO大于uI，只可实现放大。

图2 同相运算放大器

2.2 电压跟随器的基本原理

若将同相放大器进一步变化，将输出电压的反馈直接接到反相输入端，反相输入端不再接地，如图3所示，电路引进了电压串联负反馈，且反馈系数是1，得到输出电压uO和输入电压uI的关系为：

电压跟随器主要起缓冲、隔离和提高带载能力的作用。

2.3 电压比较器的基本原理

电压比较器是对两个模拟电压进行比较，判断哪个电压较高，并在输出端以高电平或低电平表示比较的结果。电压比较器较常见的有单限比较器、滞回比较器和窗口比较器，本文仅对一般单限比较器进行简单介绍。

图3 电压跟随器

电压比较器除供电和接地外主要有3个端子，同相输入端接输入电压uI，反相输入端接比较电压，或称为参考电压uREF，输出端接输出电压uO，如图4所示。三者之间的关系为，当输入电压uI大于参考电压uREF时，输出端为高电平uOH，当输入电压uI小于参考电压uREF时，输出端为低电平uOL，电压传输特性如图5所示。

图4 电压比较器

图5 电压传输特性

3 运放电路在测试系统中的应用

运算放大器、电压跟随器和电压比较器都有各自的特点和作用，而在硬件测试过程中，待测芯片的特性和其测试要求也具备不同的特点，有些芯片直接测试效果较差，需要借助一些辅助电路来改善其测试效果，本节介绍4类测试过程中遇到的问题以及如何使用运放电路改善这些问题。

3.1 运算放大器的应用

在芯片测试过程中，基准电压测试一般为关键测试项。电路不同，基准电压的测试规范上下限范围也不同，如有些基准电压测试规范上下限浮动较大，有几百毫伏，而有些规范较严格，上下限浮动很小，只有几毫伏。如某电路的基准电压测试规范上下浮动仅有±3mV，这样严格的测试范围对开发人员、校准人员以及测试系统的要求都较高，较易出现测试不稳和测偏的情况，测试难度较大，因此可以使用运算放大器进行辅助解决。

如图6所示，若不使用运算放大器，即需要测量CS的电压uCS，若系统测量值的跳动幅度为0.1～1 mV，则其相对误差百分比为3.3%～33%，很明显，误差相对较大。为降低测量相对误差，使用10倍反相运算放大器，如图6中输入端电阻为100 kΩ，反馈电阻为1MΩ，补偿电阻为前两者并联电阻，需要注意的一点是，所使用的电阻必须为精密电阻，不能使用普通电阻，否则放大比例会出现偏差，反而使精度下降。放大10倍之后，可允许测量值在基准电压上下浮动的范围即为±30mV，而测试系统测量值跳动幅度仍为0.1～1 mV，在测试程序中计算CS的电压uCS=-uO/10，那么CS的电压值跳动浮动仅为0.01～0.1 mV，其相对误差百分比为0.33%～3.3%，有效提高了测试精度。如图7所示即是某个项目实际测试中对运算放大器的有效应用。

图6 反相运算放大器放大电路的应用

图7 电路测试原理图

运算放大器不止能起到放大作用，也可以起到缩小的作用。在测试条件中，通常会对一些脚位加电压或电流再进行相对应的测量，在不同条件下所加电压或电流的大小也是不同的。比如在某电路的测试规范中，要求CS脚加7.3 mV电压，对于测试系统来说，这个量级的电压不论是测量还是加压精度都较低，较难实现高精度。同理，为降低相对误差、提高加压精度，运用反相运算放大器的缩小作用加以辅助，如图8所示。反相输入端电阻为1 MΩ，反馈电阻为100 kΩ，补偿电阻为前两者并联电阻，放大比例为-0.1，因此可以由测试系统加-73 mV的电压，这样CS脚上加的电压就为较精准的7.3 mV了。

图8 反相运算放大器缩小电路的应用

3.2 电压跟随器的应用

在芯片测试中，有时需要测试非输出脚的电压，如图9，测试某电路的CMP脚电压VREF。该电路的CMP脚非输出脚，其驱动能力较弱，在测试机电源采用加流测压的模式，输入1 μA电流，测量测试机内部电阻R两端的电压即是VREF电压值。但是由于CMP驱动能力较弱，芯片会产生一个小电流i，对于驱动能力较高的管脚，也会存在这个小电流，但这个电流会非常小，相对于1 μA的电流可以忽略不计，测量的电压值精度较高；而对于该芯片，由于CMP驱动能力较弱，因此产生的这个小电流i会相对较大，甚至可以达到几百纳安，相对于1 μA的电流较大，这样就会使VREF脚测得的电压值比实际值要小，因此无法直接测量。

图9 对弱驱动能力电路的测试电路图

电压跟随器是由三极管构成的共集电路，其电压增益恒小于且接近于1，该电路主要特点为输入阻抗高，输出阻抗低，可以起到缓冲、隔离和提高带载能力的作用。对于上述驱动能力较弱的电路管脚，可以在测试中添加一个跟随器进行辅助测试，如图10所示。根据电压跟随器的特点，可以将CMP脚产生的小电流i隔离掉，又因其电压增益接近于1，可知此时测试机测得的电压值即为CMP脚的电压值VREF。可以看出，加了电压跟随器后明显调高了该电路的测试精度。

图10 电压跟随器应用电路

在芯片测试中，经常会测试电路信号波形的一些参数，比如周期、频率、高低电平时间等，这些参数都可以利用测试系统的TMU模块进行测试，然后如果需要测试波形的峰值，TMU模块是无法实现的，直接利用电源也无法有效进行测试，这时就可以利用电压跟随器搭配电容和二极管组成峰值检测器，如图11所示。

图11 峰值检测器电路图

峰值检测器主要包括4个模块：(1)用来保持最近峰值的模拟存储器，也就是电容器，它可以存储电荷从而可以当作一个电压存储器使用，由CH实现；(2)当另一个新峰值出现时，用来进一步对电容进行充电的单向电流开关，也就是二极管，由D2实现；(3)当一个新峰值出现的时候，使电容电压能够跟踪输入电压的器件，也就是电压跟随器，由A1实现；(4)当进行下一个芯片测试时，能够将输出电压重新置零的开关，即利用开关将电容放电，释放电容内的电荷，由SW实现。

峰值检测器工作简述如下：当电压波形逐渐上升时，电压跟随器A1可以跟踪芯片波形输出管脚的电压uI，由于电压不断升高，呈正向导通状态，二极管D2也一直处于导通状态，不断给电容CH充电，同时电压跟随器A2对电容电压进行缓冲跟随，以防止通过R以及任何外部负载所引起的放电，跟随器A1利用反馈通路D2-A2-R使其输入端之间保持虚短路，由于R上没有电流，因此可以使输出电压uO跟踪uI，在此期间，A1流出的电流经过D2对电容充电，使A1的输出比uO高出一个二极管的压降，即uI=uO+VD2(on)，uO的值也不断升高。直到到达峰值后，uI值比前一刻小时，此时跟随器A1的值小于电容的电压值，二极管D2不再呈导通状态，A2-R-D1的通路导通，由虚短概念可知，A1的输出此时比uI低了一个二极管压降，即uI=uI-VD1(on)，此时uO=uI。由此就可以实现对芯片的峰值检测，测试完成后将开关SW闭合，将电容放电，以便进行下一颗芯片的检测。

3.3 电压比较器的应用

在模拟电路测试中，PWM器件占据测试电路的较大比例，包括AC-DC电路、DC-DC电路以及LED驱动电路，而这些电路的关键参数测试中除了基准电压的测试外也包括关于波形参数的一些测试，如周期、频率、高低电平时间、占空比等。不同电路的波形种类也不同，包括方波、三角波、梯形波等波形，不同的测试系统对于这些波形的测试能力也不同。有的测试系统可以测试多种不同波形的电路，而有的测试系统仅对方波的测试较为准确，对于其他波形电路的参数测试能力较弱甚至无法测量。这种情况为工程师带来了一定的困扰，本节将介绍利用电压比较器将三角波、梯形波等转换成方波进行测试的方法。

如图12所示的三角波，选定合适的参考电压Vref，利用电压比较器，将三角波输入电压Vin与参考电压Vref进行比较，当 Vin＞Vref时，输出高电平 VOH，当 Vin＜Vref时，输出低电平VOL。这样就可以将三角波成功转换为方波，图12中为上升沿和下降沿的参考电压为同一值的情况，实际中上升沿和下降沿的参考电压也可根据不同情况选定不同值进行转换。三角波转换成方波后，对除方波外的其他波形测试较差的测试系统也可以更好地测试其周期、频率、高低电平时间等。但是有一些参数的测试会有影响，如上升沿时间、下降沿时间等，若有这些参数需要测试，则需要直接选择对三角波等测试稳定的测试系统。

图12 三角波转换为方波示意图

4 结束语

当今社会科技越来越发达，这一切都离不开集成电路硬件的支撑，而硬件测试也越来越受到重视。为提高测试精度，不断改善测试方法和测试工具，本文简述了利用运放电路进行辅助测试的方法，先分别介绍运算放大器、电压跟随器和电压比较器的工作原理，再根据其各自的特点和作用分别介绍了运算放大器、电压跟随器和电压比较器在测试系统中的应用。在测试过程中对这些辅助器件进行灵活应用，不仅可以提高测试参数的精度，也可以提高测试的稳定性，对于一些较难测得的参数也可以很好地进行测试，如由跟随器构成的峰值检测器的应用。在实际测试过程中运放电路的应用还有很多，且常用作测试辅助工具的也不仅仅是运放电路，还有很多其他电路器件对提高测试的稳定性及精度有很大作用，有待在今后的工作中继续发掘与探索。

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京：高等教育出版社，2006：325-328.

[2]高成,张栋,王香芬.最新集成电路测试技术[M].北京：国防工业出版社，2009：86-87.

[3]Sergio Franco.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits[M].McGraw-Hill Education,Inc.2001.

Application of Operational Amplifier Circuit in Test System

WANG Jinping,WU Xiwen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

With the developing of technology,the functionality,reliability and stability of hardware chips are critical,so that the hardware testingis getting more and more attention.In the test process,testing engineers will make use of the auxiliary circuit based on the external circuit according to the testing difficulty to improve the accuracyandstability.OpAmpcircuitisthe commonlytestingauxiliarycircuit.Accordingto the characteristics and functions of different Op Amp circuits,this paper describes the application of operational amplifiers,voltage followers and voltage comparators in test system when the test difficulties are encountered,so that can improve the testaccuracyeffectively.

hardware testing;operationalamplifier;voltage follower;voltage comparators

TN407

A

1681-1070（2017）12-0018-05

2017-07-02

王金萍(1989—)，女，河北沧州人，工程师，2016年毕业于江南大学控制工程专业，现在中国电子科技集团公司第五十八研究所从事集成电路测试方面的工作，主要研究方向为模拟电路的测试技术。