基于PMU的小型集成电路测试系统实现及性能分析

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(1.绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000；2.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541000)

0 引言

随着集成电路集成度的不断提高，集成电路的测试难度不断增大。目前，主要依赖于集成电路自动测试仪(Automatic Test Equipment)完成集成电路测试。ATE的测试原理是通过对被测器件(Device Under Test)施加激励和收集响应信号，与DUT的技术手册参数进行比对，从而判断DUT是否合格[1]。集成电路测试仪主要应用在晶圆测试(中测)和成品测试(成测)，文章中的集成电路测试系统针对成测中的直流参数测试进行设计。从半导体技术的发展情况来看，芯片测试技术落后于芯片的制造速率，高性能的测试仪器价格昂贵，大大提高了电路测试的成本[2]。为降低集成电路测试成本，本文提出一种新型的电路测试系统设计方案，满足小微集成电路测试用户对测试精度和测试速度的要求。

1 模拟集成电路测试仪的总体架构

模拟集成电路测试仪主要由嵌入式控制器、总线接口电路、PAB板、MAB板和DUT适配板构成，系统的机构如图1所示。

图1 模拟集成电路测试仪总体架构

本文主要介绍集成电路测试仪直流参数测试板(PAB)的设计原理、性能分析及功率扩展与实现。

2 PAB电路的工作原理和结构组成

进行模拟集成电路直流参数测试时，需要对DUT提供恒流源和恒压源激励，并精确测量DUT的响应值，PMU单元可以完成对DUT激励施加和响应测量[3]。电压源/电流源、钳位电路和测量电路是PAB板的主要部分，考虑到测试系统精度和成本的要求，选用ADI公司的集成PMU外搭功率扩展电路的方式进行设计。PMU内部包括电压源(Voltage Source)、电流源(Current Source)、比较电路(Compare Circuit)、钳位电路(Clamp Circuit)、测量电路(Measure Circuit)和补偿电路(Compensate Circuit)[4]等4个部分，小量程测试精度高，但功率有限，需要增加功率扩展电路才能满足多种电路测试的要求。

电压/电流源对DUT施加恒流源/恒压源激励，同时可为DUT提供电源，为了满足集成电路测试对大功率的需求，由大功率运算放大器和跟随器组成负反馈电路，输出稳定的大电流/大电压。比较电路主要完成激励响应值与参数手册中设计值之间的比较，输出pass/fail。钳位电路包括电路钳位和电压钳位，主要防止因操作失误和引入容性负载带来的大电流、大电压损坏测试仪和破坏DUT。测量电路完成DUT响应信号检测，采用四线开尔文的连接方式连接DUT可提高测量精度[5]。补偿电路主要是防止电路产生自激和震荡。采用四象限技术设计PAB板的工作模式，每个PMU均具有施加电压测量电流(FVMI)、施加电流测量电压(FIMV)、施加电流测量电流(FIMI)、施加电压测量电压(FVMV)、施加电压(FV)、施加电流(FI)、测量电压(MV)、测量电流(MI)八种工作模式[4]。图2所示为PAB板的电路结构，使用嵌入式控制器完成PMU的控制和量程切换，以提高电路测试的灵活性。

图2 PAB的电路结构

3 PAB板硬件电路的设计与实现

3.1 电压源与电流源

为了满足集成电路大功率测试的需求，同时兼顾小量程的测试精度，将电流量程大于2mA的进行单独设计，小于2mA电流范围使用PMU内部量程，这样既降低了PMU的发热功率，也提高了测试系统的精度。根据PAB板的原理图，小功率电压/电流源由高精度运放A1提供，采样电阻与电流检测运放A3和A4构成电流源反馈回来，运放A1与电压检测运放A5和A6构成恒压源反馈回路；大功率电压源/电流源由高精度运放A1、A2和大功率运放A9共同完成，采样电阻、大功率电流仪表放大器、电流检测运放A3和A4构成大功率恒流源反馈电路，运放A1、A2、A9、大功率电压仪表放大器与电压检测运放A5和A6构成大功率恒压源反馈电路，通过模拟开关完成电流源与电压源的切换。

恒压源与恒流源实现原理基本相同，下面以大功率恒压源的设计与实现为例进行介绍。

施加DAC的转换值与负反馈值相加，作为高精度施加运放A1的正向输入，与运放A2和大功率运放A9共同完成高电压和大电流的稳定输出。其中，补偿电路的设计将在后面介绍。功率缓冲电路如图3所示。大功率运放A9(OPA541)做同样比例放大反馈，放大倍数为+7倍。

图3 功率缓冲电路

根据运放虚短虚断原理，运放的放大倍数为+7倍时，R1、R2满足[6]：

(1)

采样电阻与高精度运放(LF411)组成电压跟随仪表放大器，输出电压经分压电阻后反馈到输入端，以实现电压稳定输出[11]，电压检测仪表放大电路如图4所示。

图4 电压检测仪表放大电路

为了满足电压输出量程与电压检测量程相匹配，设计R3=R7，R2=R6，R1=R5，R4=R8。则电路的放大系数K满足下面的关系[4-6]：

(2)

由公式(2)可知，放大倍数K通过电阻阻值进行设定。PMU的输出电压范围限制在±10 V之间。为提高电压测量精度，并与PMU的输出相匹配，将输出电压分成4 V、8 V、20 V和40 V四档，对应的电压放大系数分别是：2.5、1.25、0.5和0.25。

恒流源的设计原理与恒压源类似，取样电阻对电流进行取样，与电压检测运放组成负反馈电路。考虑到检测精，现将电流检测回路中反馈电压量程设为±2 V，则电流检测放大器的放大倍数应为+5，电流量程的切换可通过继电器切换取样电阻实现。例如，取样电阻的阻值RS=2 Ω，根据欧姆定律，电流量程应选择1 A。

3.2 补偿电路

所设计的集成电路测试系统，采用施加运放(内部补偿)和负载器件(外部补偿)分别补偿，通过程控方式切换不同的电容。补偿电路在集成电路测试中主要有两个方面的作用：系统在测试范围较大的容性负载时维持电路的稳定；内部“积分器”能够限制环路的转换速度，增加环路的直流增益，最大限度降低环路的误差电压值[7]。

补偿电路仅对电压模式起作用，补偿电容越大，电路越容易稳定，但会加长整个环路的建立时间。采用导通电阻小于50 Ω的模拟开关和多路复用器切换不同的电容值完成补偿。当切换到电流模式时，外部补偿自动断开。根据实验数据，补偿电容选择的参考值如表1所示[8]。

表1 补偿电容选择参考

注：CDUT被测负载电容值；C内内部补偿电容值；C外外部补偿电容值。

3.3 钳位电路

钳位电路主要是防止环路中电压或电流值突然升高，保护DUT和测试仪[9]。系统设计了两种钳位方式，一种是通过高压运放钳位，如图3所示，通过调整Rlim的大小改变钳位范围；另一种是通过PMU环路进行钳位，图5所示为钳位电路原理，钳位电路通过两个高精度运放实现高低钳位的设定，比较反馈量是否在所设定的高低钳位范围之内，若在范围之内，钳位电路不工作，若反馈值超出钳位范围，钳位二极管导通，运放A2的输入电压变成钳位电压设定值，钳位范围之外的电压被电阻R2消耗，施加运放A1输出抑制，钳位电路开始作用。

图5 钳位电路实现原理

3.4 其他

使用16位模数转换器AD7686作为ADC转换电路，将4个PMU的测量输出端并联在一起接入ADC上，通过模拟开关切换测量输出环路的开闭，既简化了电路设计，又能满足系统中数据转换的需求，同时降低该系统的硬件设计成本[10]。

为了降低继电器内阻对取样电阻的影响，在电流/电压取样电路中采用四线制开尔文的连接方式。同样，从提高测试精度方面考虑，对DUT的施加线(FORCE)和测量线(SENSE)采用开尔文的连接方式分开接线。

在试验中发现，在负载断开的情况下切换电流档位，此时相当于负载无穷大，接入负载后需要较长的时间才能达到环路的稳定。选择预设负载并联在DUT两端，当负载断开时，切换继电器将预设负载接入电路，能有效减少环路再次稳定的时间。

4 测试性能分析

为了测试电流档位的精度，选用精度0.1%的金属薄膜电阻进行采样。由于测试工作量比较大，下面对电压源的精度进行详细测试。工作模式为FV(施加电压)时，通过精密万用表检测电压源的施加精度；工作模式为FVMI(施加电压测量电流)时的电流测量精度；工作模式为FVMV(施加电压测量电压)时的电压测量精度。

当系统工作在施加电压模式时，以系统设定施加电压值为+5 V为例，通过精密万用表等间距采集100个点，数据显示，系统输出的电压值最大为5.006 791 V，最小为5.004 120 V，平均值为5.005291 V，施加精度在0.09%左右，图6所示为电压源施加+5 V时系统的输出情况。

图6 电压源输出+5 V时的波动情况

系统工作模式为施加电压测量电流(FVMI)模式时，选用阻值为10 kΩ的金属薄膜电阻作为DUT，电压源输出-5 V～+5 V的直流电压，步长为10 mV，图7为系统测得的电流值经过ADC转换后的结果。通过图7可以得出，系统对电流的测量精度小于0.3%。

图7 FVMI模式下电流的测量精度

系统工作模式为施加电压测量电压(FVMV)模式时，电压源输出-10～+10 V的直流电压，步长为10 mV，图8为经过ADC转换后的结果。通过图8可以看出，系统输出呈线性状态，电压测量精度小于0.5%。

图8 FVMV模式下电压的测量精度

用同样方式可以测得系统工作在施加电流(FI)模式时，系统输出1 μA的电流，经过ADC转换后的结果如图9所示，根据测量结果，在软件矫正之前，电流源的施加与测量精度小于0.3%。

图9 FIMI模式下电流的测量精度

经过实际测试，与理论计算值相比，电流源的施加精度能够控制在0.05%，通过取样电阻取样并经过ADC转换后的值与理论值相比，绝对误差值呈线性分布，软件矫正前的电流精度小于0.4%，同样方法得到电压的精度小于0.3%，满足集成电路测试的要求。

大量实验和测试可知，通过优化补偿电路可有效提高系统的稳定性，解决了工频干扰、高频信号以及不良元件带来的问题。另外，在容性负载两端并联补偿电容的方式也能起到维持电路稳定的作用。

5 结语

电路测试结果表明，该系统工作在小量程时，精度高，速度快。另外，该系统具备功率扩展单元，可测试电路范围更宽，可以灵活地对被测件施加电压源激励或者电流源激励，从优化电路结构和改善补偿电路两个方面提高系统的测试精度，而且系统运行更加稳定可靠，达到工业级测试需求。该设计方案相比现有的产品可降低2/3的硬件设计成本，可满足小微电路测试企业的要求。

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