測(cè)試儀行業(yè)面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在不顯著增加測(cè)試儀時(shí)間、尺寸或成本的情況下，滿足對(duì)大量測(cè)試通道的需求。盡管半導(dǎo)體測(cè)試儀（也稱為自動(dòng)測(cè)試器件(ATE)）種類繁多，但在大多數(shù)測(cè)試儀都包含三種主要卡：電壓或電流測(cè)量卡（V/I 卡）、引腳電子卡（PE 卡）和器件電源卡（DPS 卡）。本篇重點(diǎn)介紹 ATE 系統(tǒng)中這三種卡的架構(gòu)和功能。

電壓或電流測(cè)量卡功能

圖 1. 電壓或電流 (V/I) 測(cè)量卡方框圖

電壓或電流 (V/I) 測(cè)量卡通常是測(cè)試儀上最精確的卡，用于評(píng)估被測(cè)器件 (DUT) 引腳的精確直流特性。

該卡上的所有或部分元件可以集成到單個(gè)芯片中，也可以分立實(shí)現(xiàn)。集成芯片稱為參數(shù)測(cè)量單元 (PMU) 芯片，如TSMU818A030，它是一款 8 通道、18 位、30V、100mA 輸出、高電容驅(qū)動(dòng)的 PMU。一塊 V/I 卡可以有多條通道來測(cè)試 DUT 上的引腳，而一臺(tái)測(cè)試儀可以有多塊 V/I 卡。V/I 卡能夠強(qiáng)制向 DUT 施加穩(wěn)定的電壓或電流源，選擇合適的放大器對(duì)于驗(yàn)證精度可靠性至關(guān)重要。該卡上的 ADC 以電流或電壓測(cè)量的形式傳感來自 DUT 的電氣響應(yīng)，以評(píng)估 DUT 并確定其特性。

PMU 通常有四個(gè)運(yùn)算象限，如下所示：

圖 2. PMU 四個(gè)運(yùn)算象限

PMU 支持以下模式：強(qiáng)制電壓 (FV)、強(qiáng)制電流 (FI)、測(cè)量電壓 (MV) 和測(cè)量電流 (MI)。強(qiáng)制電壓和電流電平由精密 DAC 和量程設(shè)定電阻器設(shè)置，通常使用數(shù)字接口進(jìn)行設(shè)置。DAC 與量程設(shè)定電阻器的組合使 V/I 卡能夠在強(qiáng)制施加電壓與電流時(shí)實(shí)現(xiàn)精確控制。

精密 ADC 將 PMU 的模擬測(cè)量輸出數(shù)字化，以確保 DUT 符合預(yù)期的器件直流規(guī)格。為了正確測(cè)量 PMU 的傳感輸出，ADC 必須具有足夠的輸入范圍和性能，例如與 PMU 相比具有相同或更好的分辨率或 INL。ADS9813 是一款18 位、8 通道、2MSPS/CH、同步采樣 ADC，總未調(diào)整誤差 (TUE) 為 0.001%，非常適合此應(yīng)用。

電壓或電流測(cè)量卡架構(gòu)

模擬控制環(huán)路可確保使用精密 DAC 和強(qiáng)制放大器的強(qiáng)制電壓或電流穩(wěn)定且精確。強(qiáng)制施加電流時(shí)，使用可編程電壓鉗位以防止電壓瞬變；強(qiáng)制施加電壓時(shí)，則使用可編程電流鉗位以防止電流瞬變。強(qiáng)制電壓或電流通過可變量程設(shè)定的分流電阻器進(jìn)行測(cè)量。然后，儀表放大器 (INA) 會(huì)放大分流電阻器上的壓降，此傳感輸出用于完成模擬控制環(huán)路。

如需進(jìn)一步監(jiān)測(cè)，精密 ADC 還可測(cè)量電壓或電流傳感輸出。電壓或電流傳感測(cè)量值可以多路復(fù)用到同一個(gè) ADC輸入通道，也可以將測(cè)量值路由到單獨(dú)的 ADC 輸入通道。如果使用多路復(fù)用器，則 ADC 需要足夠的帶寬，才能在多路復(fù)用器輸出切換時(shí)準(zhǔn)確捕獲 PMU 傳感信號(hào)的變化。

ADS9813 是 ADC 的理想選擇，其寬帶寬輸入高達(dá)400kHz。ADS9813 的高通道密度支持更多 PMU 單元并行運(yùn)行，從而減少測(cè)試時(shí)間和成本。ADS9813 能夠同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，這在測(cè)量對(duì)順序采樣引起的輸入通道間相位延遲敏感時(shí)非常有用。ADS9813 器件的完整集成模擬前端具有過壓輸入鉗位、1MΩ 輸入阻抗、獨(dú)立的可編程增益放大器 (PGA)、可編程低通濾波器 (LPF) 和ADC 輸入驅(qū)動(dòng)器。該 ADC 還具有低漂移精密基準(zhǔn)，以及用作外部基準(zhǔn)的集成式輸入緩沖器。這些特性減小了 V/I卡等半導(dǎo)體測(cè)試儀卡上的信號(hào)鏈尺寸，而缺少額外的外部元件降低了 PMU 輸出和 ADC 輸入之間的誤差貢獻(xiàn)。

為提高精度，該卡的 PMU 和 ADC 部分需要共享一個(gè)通用基準(zhǔn)電壓。共享基準(zhǔn)電壓意味著 PMU 基準(zhǔn)路徑中的噪聲會(huì)反映在 ADC 基準(zhǔn)路徑中，從而抵消噪聲。該卡上各種元件（如 DAC 和 ADC）的輸入、輸出和 IO 電平通常使用 FPGA 或 ASIC 進(jìn)行配置和評(píng)估。因此，這些元件的接口必須與 FPGA 或 ASIC 兼容。

器件電源卡功能

圖 3. 器件電源 (DPS) 卡方框圖

器件電源 (DPS) 卡與 V/I 卡類似，但 DPS 卡能夠?yàn)樨?fù)載電容較大（例如 10μF 或更高）的 DUT 驅(qū)動(dòng)更高的電流。DPS 卡是一種專用電源，可為 DUT 電源引腳提供必要的電壓。

DPS 卡有兩條連接到 DUT 的線路：一條強(qiáng)制線路，用于供電；一條傳感線路，用于監(jiān)測(cè)供電。DPS 卡可以在兩種不同的模式下運(yùn)行：強(qiáng)制電壓 (FV) 和強(qiáng)制電流 (FI)。在 FI 中，DPS 充當(dāng) DUT 的電流源，饋送電流直至達(dá)到所需的電壓電平。通常，具有內(nèi)置的可編程安全限值，能夠在電壓超過設(shè)定值時(shí)鉗制電壓。這樣可在達(dá)不到所需電壓水平時(shí)防止損壞 DUT。在 FV 中，DPS 用作 DUT 的電壓源。與 FI 類似，DPS 卡通常內(nèi)置可編程的安全限值，確保電流不超過特定的限值并可能損壞DUT。

器件電源卡架構(gòu)

目前使用的大多數(shù) DPS 卡都使用模擬控制環(huán)路來控制電壓和電流。但是，由于模擬控制環(huán)路需要針對(duì)各種復(fù)雜負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，因此模擬控制環(huán)路通常存在較長(zhǎng)趨穩(wěn)時(shí)間或信號(hào)振鈴的問題。數(shù)字控制環(huán)路可用于緩解這些問題。 

DPS 卡中的典型模擬控制環(huán)路包括以下元件，如器件電源 (DPS) 卡方框圖中所示：精密 DAC 可驅(qū)動(dòng)控制環(huán)路，強(qiáng)制實(shí)施電流和電壓的直流電平。DAC 需要具有低噪聲、低漂移和快速趨穩(wěn)時(shí)間，以便保持精確、快速的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間。德州儀器 (TI) 的 DAC11001B 通常用于此應(yīng)用。環(huán)路內(nèi)有一個(gè)開關(guān)，可以從 FV 更改為 FI。系統(tǒng)中存在一個(gè)放大器，用于強(qiáng)制實(shí)施電流和電壓，然后通過 ADC 讀取。系統(tǒng)中存在的 ADC 不在環(huán)路中，僅用于對(duì)傳感路徑進(jìn)行精密測(cè)量。ADC 測(cè)量環(huán)路外部的電壓和電流，以向處理器報(bào)告狀態(tài)。ADC 需要具有高分辨率、高直流精度和低漂移的特性，如 ADS8598H（18 位、8 通道、500kSPS/CH、同步采樣 ADC，典型 INL 為 ±2.0 LSB）和下一代 ADS9813。

引腳電子卡功能

圖 4. 引腳電子 (PE) 卡方框圖

引腳電子 (PE) 卡可對(duì) DUT 的引腳執(zhí)行各種基本功能測(cè)試。在所有三種卡中，PE 卡通常是測(cè)試儀中數(shù)量最多的卡。PE 卡執(zhí)行開路和短路測(cè)試，以確認(rèn) DUT 引腳上的電壓和電流鉗位正常工作。例如，還需要測(cè)試電源引腳上的 ESD 二極管。PE 卡還會(huì)執(zhí)行交流參數(shù)測(cè)試和直流參數(shù)測(cè)試，不過這些直流測(cè)試的精度低于 V/I 卡執(zhí)行的測(cè)試。交流參數(shù)測(cè)試包括測(cè)量 DUT 時(shí)序特性，例如設(shè)置或保持時(shí)間以及讀取和寫入時(shí)間。直流參數(shù)測(cè)試包括測(cè)量I/O 引腳 VOH、VOL、VIL、VIH 以及電源引腳電流和電壓電平。所有這些測(cè)試可確保對(duì)電子器件進(jìn)行全面評(píng)估和特性鑒定。

引腳電子卡架構(gòu)

PE 卡包含許多元件，包括驅(qū)動(dòng)器、比較器、負(fù)載、每引腳 PMU、DAC 和 ADC。每一個(gè)元件都會(huì)在不同的功能測(cè)試中發(fā)揮作用。驅(qū)動(dòng)器向 DUT 提供精確的電壓和電流信號(hào)，從而支持在各種條件下進(jìn)行功能測(cè)試。比較器將DUT 的輸出與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，通過檢測(cè)差異來評(píng)估性能。

比較器可為差分比較器或窗口比較器，而輸出是邏輯值，可傳送至 FPGA 或 ASIC 進(jìn)行評(píng)估。負(fù)載（有源或無源）可通過向 DUT 施加受控負(fù)載來模擬真實(shí)世界的工作條件，從而有助于進(jìn)行準(zhǔn)確的性能評(píng)估。

無源負(fù)載通常有一個(gè)開關(guān)，支持選擇到 DUT 的不同電阻端接。有源負(fù)載是一種可編程負(fù)載，可使用卡上的 DAC 設(shè)置灌電流和拉電流。PE 卡還包含與 PMU 類似的每引腳參數(shù)測(cè)量單元(PPMU)，但測(cè)量電壓和電流等電氣參數(shù)的精度和分辨率較低。DAC 通過數(shù)字輸入生成精確的模擬電壓，這些電壓對(duì)于設(shè)置基準(zhǔn)電平和控制 PE 卡內(nèi)的其他元件至關(guān)重要。ADC 將來自 DUT 的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)以進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) DUT 模擬輸出的精確監(jiān)控和評(píng)估。

通常，PE 卡上有許多 PPMU，而這些 PPMU 對(duì)電壓和電流測(cè)量的精度要求不像 V/I 卡上的 PMU 那么高，因?yàn)镻E 卡僅執(zhí)行基本測(cè)試。因此，可以使用具有足夠帶寬的單個(gè)多通道 ADC 對(duì) PE 卡上的多個(gè) PPMU 進(jìn)行多路復(fù)用和監(jiān)測(cè)，以在兩次測(cè)量之間穩(wěn)定下來，ADS9813 就是這樣一款 ADC，其具有高達(dá) 400kHz 的寬帶寬輸入。

結(jié)語(yǔ)

隨著半導(dǎo)體需求的持續(xù)增長(zhǎng)，可靠而精確的測(cè)試設(shè)備變得越來越重要。V/I 卡、DPS 卡和 PE 卡在測(cè)試設(shè)備中發(fā)揮著重要作用，可對(duì) DUT 引腳進(jìn)行精確、可控的測(cè)試。但制造商面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是，如何在不增加測(cè)試儀時(shí)間、尺寸或成本的情況下增加每種卡的測(cè)試儀通道數(shù)。幸運(yùn)的是，德州儀器 (TI) 提供了卓越的設(shè)計(jì)來應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，使制造商能夠設(shè)計(jì)和開發(fā)更高效、更有效的測(cè)試解決方案。

表 1 用于半導(dǎo)體測(cè)試儀的器件匯總