集成电路延迟时间测量结果的不确定度评定∗

李晓红 邓永芳 张丽巍 陈 敏 李 真

（中国电子科技集团公司第二十四研究所 重庆 400060）

1 引言

随着航天航空、武器装备、国民经济各行各业的飞速发展，集成电路的使用量大幅度增加，应用也越来越广泛，涉及军事、航天、远程及数据通讯、办公自动化设备、工业仪器仪表等领域。标准GB/T17574-1998《半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路》中规定了集成电路的测试参数和测试方法，而其中的延迟时间是衡量集成电路动态特性质量优劣的重要参数之一，也是集成电路的重要测试参数之一。在测试过程和测试结果中，测试系统所引起的误差即测量结果不确定度往往被忽略不计，实际上，在测试结果处于产品规范要求范围的临界值时，测量结果不确定度对测试结论的影响是非常大的。

本文采用集成电路测试系统对集成电路的延迟时间进行测试，并对测试结果进行不确定度评定。

2 主要参数测试

2.1 主要参数测试

分别对某运算放大器、开关驱动器和标准模块的延迟时间进行测试。

2.2 检测仪器

V93000型数模混合信号测试系统。

3 测量不确定度的数学模型［6～10］

由于集成电路延迟时间测试的特殊性，测试结果由仪器直接测出，被测运算放大器、开关驱动器和标准模块的延迟时间测量不确定度的数学模型为

公式中tDLH为被测集成电路的延迟时间，tDLH1为V93000型数模混合信号测试系统的读数，δ1为测试系统管脚驱动器的时钟定时边沿分辨力引入的不确定度分量，δ2为测试系统时间测量的扫描最小步进值引入的不确定度分量，δ3为测试系统时间的定时精度（即通道差）引入的不确定度分量。

4 测量不确定度来源分析

从被测运算放大器、开关驱动器和标准模块的延迟时间测量不确定度的数学模型可以得知，不确定度来源和分量如下：

1）重复性测量引入的不确定度；

2）测试系统管脚驱动器的时钟定时边沿分辨力引入的不确定度；

3）测试系统时间测量的扫描最小步进值引入的不确定度；

4）测试系统时间的定时精度（即通道差）引入的不确定度；

5）环境条件、电压等因素引入的不确定度。

5 不确定度的评定［11］

5.1 A类标准不确定度［12～13］

取被测运算放大器、开关驱动器和标准模块的样品各1只，在同一条件下，重复测量10次，测量数据（tDLH1）见表1。

表1 被测运算放大器、开关驱动器和标准模块的测量数据（tDLH1）（单位：ns）

1）平均值

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

2）用贝塞尔公式计算实验标准偏差

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

3）不确定度

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

其相对不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

如果在测试过程中利用单次测试值或m次测试结果的平均值作为测量结果时，则u=，其A中m可以为1、2、3…。

5.2 B类标准不确定度［14］

1）V93000型数模混合信号测试系统管脚驱动器的时钟定时边沿分辨力引入的不确定度

根据测试系统的技术说明书，该系统管脚驱动器的时钟定时边沿分辨力为0.001ns，则a=0.001ns/2=0.0005ns，按照均匀分布，k=，则：

其相对不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

2）V93000型数模混合信号测试系统时间测量的扫描最小步进值引入的不确定度

根据测试系统的技术说明书，该系统时间测量的扫描最小步进值为0.001ns，则a=0.001ns/2=0.0005ns，按照均匀分布，k=，则：

其相对不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

3）V93000型数模混合信号测试系统时间的定时精度（即通道差）引入的不确定度

根据测试系统的技术说明书，该测试系统的定时精度（即通道差）为±0.2ns，则区间半宽度a=0.2ns，按照均匀分布，k=，则：

其相对不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

4）环境条件、电压等因素引入的不确定度

在本次测量中，采用V93000型数模混合信号测试系统，并将仪器在恒定温度下预热4个小时后进行测量，故此项不确定度分量可以忽略不计。

5.3 标准不确定度汇总表

标准不确定度汇总见表2。

表2 各标准不确定度汇总

5.4 合成不确定度

由于以上各不确定度分量独立且不相关，可以根据公式计算得出合成不确定度。运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

其相对合成不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

5.5 扩展不确定度

根据合成不确定度，扩展不确定度U=k⋅uc，取k=2，即置信概率近似为95%，则扩展不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

其相对扩展张不确定度：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

通过以上分析，用V93000型测试系统测量被测运算放大器、开关驱动器和标准模块的延迟时间测量结果的扩展不确定度和相对扩展不确定度见表3。

表3 各测量结果的扩展不确定度和相对扩展不确定度汇总

5.6 不确定度报告与表示

已知被测运算放大器、开关驱动器和标准模块的延迟时间重复测试xˉ，扩展不确定度U，则延迟时间的测量结果：

运算放大器：

开关驱动器：

标准模块：

式中，±号后的值为扩展不确定度U=0.23ns，其由合成标准不确定度uc=0.116ns和包含因子k=2而得到。

6 结语［15］

本文采用V93000型数模混合信号测试系统分别对被测运算放大器、开关驱动器、标准模块的延迟时间进行了测试，并对测试结果进行了不确定度评价，在置信概率近似为95%的情况下，其测量结果扩展不确定度均为0.23ns（相对扩展不确定度分别为10%、0.58%、0.23%）。评价结果表明，当被测运算放大器、开关驱动器、标准模块的延迟时间的测试结果与产品规范要求范围的临界值的差值大于0.23ns（或分别大于10%、0.58%、0.23%）时，在测试结果中忽略测量不确定度不会影响测试结论。