引言

集成電路集成度的提高使芯片功能和引腳數(shù)不斷增加，同時也使集成電路的測試越來越難。當前，集成電路的測試已經(jīng)完全依靠于自動測試設備（AutomatIC Test EQUIPment）。ATE的測試原理是根據(jù)被測器件（Device Under Test）的產(chǎn)品參數(shù)規(guī)范（Specification OrDatnsheet）要求，利用ATE的硬件和軟件資源對DUT進行激勵、施加和響應信號收集，并將收集的響應信號轉(zhuǎn)化后與器件要求的參數(shù)值進行比較，從而判斷被測DUT是否合格。在實際應用中，芯片測試主要為圓片測試（中測）和成品測試（成測）。由于芯片測試技術總是落后于集成芯片設計和制造的發(fā)展速度，而高性能測試設備的價格又讓芯片生產(chǎn)商望而卻步。為了解決這矛盾，本文提出了一種創(chuàng)新性的測試方案和測試技術。

1 集成電路測試設備的整體結構

集成電路測試設備主要包括ATE測試設備、測試接口、操作系統(tǒng)軟件、測試程序集（Test Program Set，TPS）和相應的配套測試硬件（包括上位機、測試分選機、測試連接電纜等）。一臺集成電路測試設備（ATE）的硬件基本結構如圖1所示。

本文主要介紹的是大功率模擬集成電路直流參數(shù)測試儀器（PVC）部分的設計原理、具體功能的實現(xiàn)技術和測試結果。

2 PVC的工作原理與電路結構

集成電路在不同的生產(chǎn)階段中都需要對芯片進行測試，PVC主要用于實現(xiàn)對DUT施加激勵和測量，其中電壓電流源（Volrage and CurrentSource）、測量電路（Mensure Circuit）和鉗位電路（LOCk Circuit）是PVC的主要組成部分。

電壓電流源主要用于對DUT的引腳施加電壓或者電流，也可作為被測芯片的供電電源使用，本電路中選用高壓運放組成負反饋環(huán)，并選用大功率MOS管組成擴流電路以實現(xiàn)擴流，從而輸出穩(wěn)定的高電壓和大電流。測量電路用于檢測流過芯片引腳的電流和電壓，電路采用達爾文鏈接方式來程控選擇二線或四線方式對DUT進行測量，以保證測量精度。鉗位電路是防止因用戶操作失誤或者高容性負載等原因致使電路中電壓或者電流值過大而損害器件。PVC具有分別施加電壓或電流且測量電流或電壓、不需施加單獨測量電壓或電流等工作模式，同時具有四象限鉗位功能。圖2所示為PVC的電路結構圖，圖中只標識出了電路中的線性元件，電路中選用FPGA進行信號的控制和處理，從而保障了數(shù)字電路部分的最大集成化。

3 PVC硬件電路的實現(xiàn)

3．1 電壓電流源

系統(tǒng)中的電壓電流源分別由高精度運放A1、高壓運放A2與擴流電路來構成功率緩沖電路，電流取樣電阻與電流檢測運放A3構成恒流源，運放A1、功率緩沖電路、預設負載RL1與電壓檢測運放A4構成恒壓源，設計時也可以通過控制開關K3來構成恒流源或者恒壓源。

兩種電路環(huán)路的工作原理和實現(xiàn)方式相似，下面主要介紹恒壓源的實現(xiàn)方法。

將16位DAC轉(zhuǎn)化后的施加值與環(huán)路反饋值相加后可作為A1的輸入，A1的程控補償電路具有兩方面的作用：一方面，它含有的“積分器”既限制了環(huán)路的轉(zhuǎn)換速率，又使環(huán)路具有較高的直流增益，從而使環(huán)路的誤差電壓幾乎可以降底到0 V；另一方面，該電路還包含有幾組可程控選擇的反饋元件，因而允許整個儀器在容性負載較寬的范圍內(nèi)仍能穩(wěn)定工作。功率緩沖器由A2與擴流電路構成，可用以實現(xiàn)高電壓和大電流的輸出，其功率緩沖器電路結構如圖3所示。功率緩沖器的電壓放電倍數(shù)為+6，它實際上是由A2（OPA454）和大功率三極管構成的一個同相放大反饋環(huán)路。

輸入電壓Vin經(jīng)過A2放大后，可作為三極管基極輸入電壓。當A2輸出電壓與Vout的電位差小于三極管的開啟電壓（一般在1～3 V之間）時，負載的電壓和電流由A2提供；當兩點的電位差值大于等于三極管的開啟電壓時，負載所需的電流由功率三極管放大后提供。在本測試儀中，功率三極管分別選用TIP142與TIP147，該選擇可以滿足為負載提供1A電流的需求，只是在工作狀態(tài)時應注意對高壓運放A2和功率三極管的散熱。

為了實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓輸出，需要將輸出電壓值作為反饋量進行反饋，PVC輸出端兩點的電壓差值最大為32 V，而集成的儀表放大器不能滿足這么大的輸入范圍，故在設計中選用高電壓高精度運放（OPA445）來構成儀表放大器，其具體的電壓檢測放大電路結構如圖4所示。

為了實現(xiàn)電路中阻值的匹配，圖4中取R7=R9，R10=R12，R11=R13，電路的輸入輸出關系為：

由上述表達式可見，通過選擇不同的阻值，可調(diào)整電壓檢測放大器的放大倍數(shù)。PVC中選用的DAC的電壓輸出范圍為±10 V。為了提高電壓的測量精度且與DAC的輸出范圍相匹配，本系統(tǒng)設置的四個電壓檔位為：4V、8V、16V、32V，所以，通過程控四個電壓檔位的電壓放大系數(shù)可分別對應2．5、1．25、0．625、0．3125。

恒流源的實現(xiàn)原理與恒壓源的實現(xiàn)原理一樣，只是在電流檢測時，應將施加的電流值采樣后轉(zhuǎn)化為電壓值，然后再經(jīng)過電壓檢測放大器A3構成反饋環(huán)。為了與DAC輸出電壓范圍相同，電流檢測的取樣電壓Vs的范圍設定為±1 V，電流檢測放大器的放大倍數(shù)固定為+10，這樣，通過選取不同的采樣電阻，就可以實現(xiàn)不同電流檔位的選擇。如，選擇采樣電阻Rs=1Ω，由I=Vs／Rs可得，其選取的電流量程為1 A，其他電流范圍的選取原理與之相同。

3．2 電壓電流鉗位環(huán)

電壓電流鉗位電路主要是為了防止意外情況導致環(huán)路中電壓或電流值的突然增加。通過選用高精度的雙運放可將用戶設定的上限值和下限值與反饋信號進行比較，若反饋量在限定值內(nèi)，則鉗位電路不工作，反之，鉗位電路中其中一個通道的二極管導通，此時A2輸入端電壓為鉗位運放的輸出端電壓，而A1輸出端與A2輸入端之間的電壓，則被電阻R1所消耗，故施加環(huán)路被抑制，鉗位環(huán)路工作。

3．3 其它細節(jié)設計

為了實現(xiàn)電路不施加而能直接測量DUT引腳的電壓或者電流值，應通過控制環(huán)路中某些電路的通斷來實現(xiàn)。測電壓時，先斷開施加引線，再將電壓測量電路與負載并聯(lián)連接，即可測出負載電壓；測電流時，先斷開K1，讓運放A1與功率緩沖器構成一個輸出為0V的反饋環(huán)，再將電流檢測電路串聯(lián)接入負載電路，這樣即可測量流過負載的電流值。

在對DUT進行施加和測量時，采用達爾文接線方式進行連接，如PVC結構圖中的FORCE線就是對DUT施加，而SENSE線為測試線。施加和測量引線的分開接線可提高系統(tǒng)的測試精度。

選擇繼電器時，由于系統(tǒng)長工作于大功率狀態(tài)下，因此除了考慮繼電器的動作時間，還要考慮繼電器的觸點負荷，選用機械繼電器時，還要考慮繼電器的開關次數(shù)等細節(jié)。

電路環(huán)路中不同電流檔位切換時，如果負載斷開，則環(huán)路中相當于接入了無窮大阻值的負載，這會造成電路再次接入負載后的環(huán)路穩(wěn)定建立時間過長，通過在環(huán)路斷開負載時接入一個預設負載，可用再次接入負載時斷開預設負載的方法來減少環(huán)路穩(wěn)定的建立時間。

4 測試結果分析

在電路測試中，可選用精度為0．1％的低溫漂電阻作為電流取樣電阻進行測試，以完成所有電流檔位測試。通過實測電流源的電流輸出值與理論值計算值可得到其施加精度在0．05％左右，而通過對電流取樣并經(jīng)過DAC的轉(zhuǎn)化值與理論值的對比（由于本系統(tǒng)具有多個檔位、數(shù)據(jù)龐大，在此就不完全列出做分析），其得出的絕對誤差值分布具有很好的線性關系，利用軟件并通過最小二乘法校正后的電流測試精度小于0．5％，用同樣的校正方法也可得出電壓的測試精度（小于0．3％），可以滿足廠方提出的要求。

通過大量的實驗和測試可知，本文所介紹的系統(tǒng)測試精度主要受閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定、工頻干擾與高頻干擾、環(huán)路中元件性能不良等因素影響。在本電路中，若出現(xiàn)環(huán)路不穩(wěn)定等情況，可通過控制程控補償電路和在取樣電路上并聯(lián)補償電容來調(diào)整。

5 結束語

實際的電路測試結果表明，該系統(tǒng)具有大功率負載驅(qū)動能力，能夠提供精確且寬范圍的激勵值，可以靈活地對被測件施加電壓源激勵或者電流源激勵，而且系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，測試精度高，可以滿足工廠對于測試速度和精度的要求。因此，此電路方案可以極大地降低此類測試儀的開發(fā)成本。