大功率模拟集成电路测试仪器的研究与实现

摘要：为了满足大功率集成电路的测试需求，文中给出了具有大功率负栽驱动能力的电压电流源和高精度集成电路测试系统的设计方法。该测试系统采用四象限驱动和钳位技术、电流扩展技术、恒流源和恒压源设计技术，故能提供精确且宽范围的激励值，同时具有对大功率负载进行驱动的能力，并可以灵活地对被测器件施加电压或电流激励，以对被测器件进行测量。
关键词：集成电路测试；大功率测试仪；四相驱动；恒压恒流源

0 引言
集成电路集成度的提高使芯片功能和引脚数不断增加，同时也使集成电路的测试越来越难。当前，集成电路的测试已经完全依靠于自动测试设备(Automatic Test Equipment)。ATE的测试原理是根据被测器件(Device Under Test)的产品参数规范(Specification OrDatnsheet)要求，利用ATE的硬件和软件资源对DUT进行激励、施加和响应信号收集，并将收集的响应信号转化后与器件要求的参数值进行比较，从而判断被测DUT是否合格。在实际应用中，芯片测试主要为圆片测试(中测)和成品测试(成测)。由于芯片测试技术总是落后于集成芯片设计和制造的发展速度，而高性能测试设备的价格又让芯片生产商望而却步。为了解决这矛盾，本文提出了一种创新性的测试方案和测试技术。

1 集成电路测试设备的整体结构
集成电路测试设备主要包括ATE测试设备、测试接口、操作系统软件、测试程序集(Test Program Set，TPS)和相应的配套测试硬件(包括上位机、测试分选机、测试连接电缆等)。一台集成电路测试设备(ATE)的硬件基本结构如图1所示。

本文主要介绍的是大功率模拟集成电路直流参数测试仪器(PVC)部分的设计原理、具体功能的实现技术和测试结果。

2 PVC的工作原理与电路结构
集成电路在不同的生产阶段中都需要对芯片进行测试，PVC主要用于实现对DUT施加激励和测量，其中电压电流源(Volrage and CurrentSource)、测量电路(Mensure Circuit)和钳位电路(Lock Circuit)是PVC的主要组成部分。

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电压电流源主要用于对DUT的引脚施加电压或者电流，也可作为被测芯片的供电电源使用，本电路中选用高压运放组成负反馈环，并选用大功率MOS管组成扩流电路以实现扩流，从而输出稳定的高电压和大电流。测量电路用于检测流过芯片引脚的电流和电压，电路采用达尔文链接方式来程控选择二线或四线方式对DUT进行测量，以保证测量精度。钳位电路是防止因用户操作失误或者高容性负载等原因致使电路中电压或者电流值过大而损害器件。PVC具有分别施加电压或电流且测量电流或电压、不需施加单独测量电压或电流等工作模式，同时具有四象限钳位功能。图2所示为PVC的电路结构图，图中只标识出了电路中的线性元件，电路中选用FPGA进行信号的控制和处理，从而保障了数字电路部分的最大集成化。

3 PVC硬件电路的实现
3．1 电压电流源
系统中的电压电流源分别由高精度运放A1、高压运放A2与扩流电路来构成功率缓冲电路，电流取样电阻与电流检测运放A3构成恒流源，运放A1、功率缓冲电路、预设负载RL1与电压检测运放A4构成恒压源，设计时也可以通过控制开关K3来构成恒流源或者恒压源。
两种电路环路的工作原理和实现方式相似，下面主要介绍恒压源的实现方法。
将16位DAC转化后的施加值与环路反馈值相加后可作为A1的输入，A1的程控补偿电路具有两方面的作用：一方面，它含有的“积分器”既限制了环路的转换速率，又使环路具有较高的直流增益，从而使环路的误差电压几乎可以降底到0 V；另一方面，该电路还包含有几组可程控选择的反馈元件，因而允许整个仪器在容性负载较宽的范围内仍能稳定工作。功率缓冲器由A2与扩流电路构成，可用以实现高电压和大电流的输出，其功率缓冲器电路结构如图3所示。功率缓冲器的电压放电倍数为+6，它实际上是由A2(OPA454)和大功率三极管构成的一个同相放大反馈环路。

输入电压Vin经过A2放大后，可作为三极管基极输入电压。当A2输出电压与Vout的电位差小于三极管的开启电压(一般在1～3 V之间)时，负载的电压和电流由A2提供；当两点的电位差值大于等于三极管的开启电压时，负载所需的电流由功率三极管放大后提供。在本测试仪中，功率三极管分别选用TIP142与TIP147，该选择可以满足为负载提供1A电流的需求，只是在工作状态时应注意对高压运放A2和功率三极管的散热。[p]
为了实现稳定的电压输出，需要将输出电压值作为反馈量进行反馈，PVC输出端两点的电压差值最大为32 V，而集成的仪表放大器不能满足这么大的输入范围，故在设计中选用高电压高精度运放(OPA445)来构成仪表放大器，其具体的电压检测放大电路结构如图4所示。

为了实现电路中阻值的匹配，图4中取R7=R9，R10=R12，R11=R13，电路的输入输出关系为：

由上述表达式可见，通过选择不同的阻值，可调整电压检测放大器的放大倍数。PVC中选用的DAC的电压输出范围为±10 V。为了提高电压的测量精度且与DAC的输出范围相匹配，本系统设置的四个电压档位为：4V、8V、16V、32V，所以，通过程控四个电压档位的电压放大系数可分别对应2．5、1．25、0．625、0．3125。
恒流源的实现原理与恒压源的实现原理一样，只是在电流检测时，应将施加的电流值采样后转化为电压值，然后再经过电压检测放大器A3构成反馈环。为了与DAC输出电压范围相同，电流检测的取样电压Vs的范围设定为±1 V，电流检测放大器的放大倍数固定为+10，这样，通过选取不同的采样电阻，就可以实现不同电流档位的选择。如，选择采样电阻Rs=1Ω，由I=Vs／Rs可得，其选取的电流量程为1 A，其他电流范围的选取原理与之相同。
3．2 电压电流钳位环
电压电流钳位电路主要是为了防止意外情况导致环路中电压或电流值的突然增加。通过选用高精度的双运放可将用户设定的上限值和下限值与反馈信号进行比较，若反馈量在限定值内，则钳位电路不工作，反之，钳位电路中其中一个通道的二极管导通，此时A2输入端电压为钳位运放的输出端电压，而A1输出端与A2输入端之间的电压，则被电阻R1所消耗，故施加环路被抑制，钳位环路工作。
3．3 其它细节设计
为了实现电路不施加而能直接测量DUT引脚的电压或者电流值，应通过控制环路中某些电路的通断来实现。测电压时，先断开施加引线，再将电压测量电路与负载并联连接，即可测出负载电压；测电流时，先断开K1，让运放A1与功率缓冲器构成一个输出为0V的反馈环，再将电流检测电路串联接入负载电路，这样即可测量流过负载的电流值。
在对DUT进行施加和测量时，采用达尔文接线方式进行连接，如PVC结构图中的FORCE线就是对DUT施加，而SENSE线为测试线。施加和测量引线的分开接线可提高系统的测试精度。
选择继电器时，由于系统长工作于大功率状态下，因此除了考虑继电器的动作时间，还要考虑继电器的触点负荷，选用机械继电器时，还要考虑继电器的开关次数等细节。
电路环路中不同电流档位切换时，如果负载断开，则环路中相当于接入了无穷大阻值的负载，这会造成电路再次接入负载后的环路稳定建立时间过长，通过在环路断开负载时接入一个预设负载，可用再次接入负载时断开预设负载的方法来减少环路稳定的建立时间。

4 测试结果分析
在电路测试中，可选用精度为0．1％的低温漂电阻作为电流取样电阻进行测试，以完成所有电流档位测试。通过实测电流源的电流输出值与理论值计算值可得到其施加精度在0．05％左右，而通过对电流取样并经过DAC的转化值与理论值的对比(由于本系统具有多个档位、数据庞大，在此就不完全列出做分析)，其得出的绝对误差值分布具有很好的线性关系，利用软件并通过最小二乘法校正后的电流测试精度小于0．5％，用同样的校正方法也可得出电压的测试精度(小于0．3％)，可以满足厂方提出的要求。
通过大量的实验和测试可知，本文所介绍的系统测试精度主要受闭环系统的不稳定、工频干扰与高频干扰、环路中元件性能不良等因素影响。在本电路中，若出现环路不稳定等情况，可通过控制程控补偿电路和在取样电路上并联补偿电容来调整。

5 结束语
实际的电路测试结果表明，该系统具有大功率负载驱动能力，能够提供精确且宽范围的激励值，可以灵活地对被测件施加电压源激励或者电流源激励，而且系统运行稳定可靠，测试精度高，可以满足工厂对于测试速度和精度的要求。因此，此电路方案可以极大地降低此类测试仪的开发成本。