CN110940909A - 集成电路直流参数测试的测量单元电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路测试领域，为进行集成电路直流参数测试的精密测量单元电路测试，准确对被测器件施加电压/电流和测量相应的响应电压/电流值，具有工作速度快、精度高、成本低且系统可移植性强的优点。为此，本发明，集成电路直流参数测试的测量单元电路，由现场可编程门阵列FPGA、模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、运算放大器、功率放大器和继电器开关构成，FPGA根据输入的指令经DAC、运算放大器、功率放大器给被测器件施加激励值，被测器件对所述激励做出的响应经ADC发送给FPGA，由FPGA输出测试结果，继电器开关用来完成对电路测量模式切换和量程选择的控制。本发明主要应用于集成电路测试场合。

Description

集成电路直流参数测试的测量单元电路

技术领域

本发明属于集成电路测试领域，具体来说是一种基于现场可编辑门整列(FPGA)的测试集成电路直流参数的关键单元精密测量单元(PMU)的设计方法，本质上是搭建高精度测量电路和逻辑控制的问题。具体涉及集成电路直流参数测试的PMU电路。

背景技术

集成电路测试是集成电路生产周期中十分重要的一环，是验证集成电路质量和性能的重要手段，与集成电路设计、集成电路制造一起并称为集成电路的三大关键技术。直流参数测试是集成电路测试中的关键一环，是生产应用的重要保障。随着集成电路产业的发展，芯片的功能越来越复杂，这也给测试机的性能要求和制造成本带来了极大的挑战。集成电路直流参数的测试因为可以快速检测芯片性能，受到了测试行业的广泛关注。对于集成电路制造企业来说，直流参数测试一般是同通过购买国外大型测试机台来实现，这些测试机价格昂贵，软硬件的升级和维护也会产生巨大费用，极大的增加了企业生产研发成本，还会对国外供应商形成依赖，不利于我国半导体行业的发展。我国测试技术的研究起步较晚，国内相关人才严重缺失，先进测试技术由发达国家垄断，设备虽已有不少型号，但是在性能、通用性和工艺上与国外的测试设备相比有很大的不足，开展集成电路测试技术的研究对我国集成电路产业的发展具有重要意义。

精密测量单元是直流参数测试的核心单元，能够对被测器件(DUT)施加激励与测量响应。对于PMU电路的设计方法一般有两种，一种是采用专用PMU测量芯片如AD5522，AD5522是ADI公司新推出的一个四通道PMU芯片，最高可以实现不区分量程的-12V到+12V的电压输出与测量。但随着集成电路的不断发展，对测试范围和测量精度的要求越来越高，专用测量芯片很多时候无法满足测试需求，因此，集成电路直流参数测试在高精度低成本方向的发展受到高度关注，得到了进一步的研究。PMU电路的第二种设计方法就是采用模/数转换器(ADC)，数/模转换器(DAC)，运算放大器，功率放大器和继电器等分立器件搭建功能电路。

基于以上背景，深入研究采用分立器件搭建的直流参数测试PMU电路，结合行业发展需求，找到影响测量精度的关键因素，采用分立器件搭建的PMU电路有如下三个优点：

1.具有更高的测试精度，测试量程可调，能够满足更高的测试需求。

2.便于软硬件系统的升级和维护。

3.易于实现，具有较低的成本。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出用于集成电路直流参数测试的精密测量单元电路的设计方法，可准确对被测器件施加电压/电流和测量相应的响应电压/电流值，具有工作速度快、精度高、成本低且系统可移植性强的优点。为此，本发明采取的技术方案是，集成电路直流参数测试的测量单元电路，由现场可编程门阵列FPGA、模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、运算放大器、功率放大器和继电器开关构成，FPGA根据输入的指令经DAC、运算放大器、功率放大器给被测器件施加激励值，被测器件对所述激励做出的响应经ADC发送给FPGA，由FPGA输出测试结果，继电器开关用来完成对电路测量模式切换和量程选择的控制。

所述测量单元电路有四种工作模式：加电压测电流FVMI、加电压测电压FVMV、加电流测电压FIMV和加电流测电流FIMI；

a)当电路工作在FVMI模式下，关闭继电器开关KS17、KS2、KS18、KS10或KS19、KS11形成测试回路：由DAC提供激励电压，继电器开关KS18、KS19连接通往DUT管脚的不同阻值的采样电阻，通过开断继电器开关KS18、KS19选择不同的电流量程，将电压施加在DUT的管脚上；再选择关闭对应量程的继电器开关KS10、KS11，其中，KS18对应KS10，KS19对应KS11，把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，V-I转换将电压值转换为对应电流值后，关闭继电器开关KS17,由ADC采样转换后传回FPGA；

b)当电路工作在FVMV模式下，关闭继电器开关KS2、KS17、KS18/KS19、KS12/KS13/KS14形成测试回路，DAC的电压输出管脚提供所需的测试电压，因为ADC的输入电压范围为0～5V，根据施加的电压大小，选择关闭继电器开关KS12、KS13或者KS14，用来选择将不同的衰减电路连接到ADC的输入端来保护ADC，ADC采样到电路中的电流值并转换后传回FPGA判断结果，衰减电路的作用是将电路中的电压按比例缩小到ADC的电压输入范围内；

c)当电路工作在FIMI模式下，继电器开关KS3、KS4导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，和FVMI模式下一样，通过闭合继电器开关KS18或KS19选择不同的电流量程，将电压施加在DUT的管脚上，再选择关闭对应量程的继电器开关KS10、KS11其中KS18对应KS10，KS19对应KS11，把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，V-I转换将电压值转换为对应电流值后，关闭开关KS17,由ADC采样转换后传回FPGA；

d)当电路工作下FIMV模式下，继电器开关KS3、KS4导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，根据施加的电压大小，选择关闭继电器开关KS12、KS13或者KS14，用来选择将不同的衰减电路连接到ADC的输入端来保护ADC，ADC采样到电路中的电流值并转换后传回FPGA判断结果。衰减电路的作用是将电路中的电压按比例缩小到ADC的电压输入范围内；

FPGA状态机转换状态如下：

状态IDLE：状态机的初始状态，时钟SCK<＝0，CNV<＝0；

状态CONV：令CNV<＝1启动模数转换。

状态SCKH：在此状态下SCK<＝1，CNV<＝0，16位转换数据通过SDO管脚从高位开始回传。

状态SCKL：在此状态下SCK<＝0，CNV<＝0，状态SCKH和状态SCKL重复执行，直到16位数据全部送出。

状态END：结束状态，等待ADC完成一次转换后状态机跳回IDLE状态。

本发明的特点及有益效果是：

本发明采用分立器件搭建出直流参数测试PMU电路，因而能够以较低的成本完成集成电路直流参数精密单元的设计与实现，能够高精度完成直流参数测试施加电压电流和测量相应电压电流功能模式，结合被测器件的标准规范书，对比测试结果，给出测量结果。

附图说明：

图1系统测试流程图。

图2 PMU测量电路示意图。

图3直流参数测试系统框图。

图4 AD7685 3线模式串行接口时序。

图5 AD7685串行接口状态转换图。

具体实施方式

本发明提供了用于集成电路直流参数测试的精密测量单元电路的设计方法，可准确对被测器件施加电压/电流和测量相应的响应电压/电流值，具有工作速度快、精度高、成本低且系统可移植性强的优点。主要技术方案如下：

1)根据测试需求，设置PMU的设计指标，结合直流参数测试原理，确定直流参数测试功能板的整体设计思路。进行测试时，测试系统需要对被测器件提供合适的电压源和电流源，以保证测试系统处于工作状态，同时，不同的测试项目需要不同的电压或电流作为激励，测量的响应信号也可能不同，PMU必须具有不同的工作模式实现不同的测试功能，并且各个模式之间切换简单，易于操作。

2)确定电路设计方案后进行器件选型，PMU电路主要由ADC、DAC、运算放大器、功率放大器和继电器开关组成，DAC用于提供测试所需激励电压或电流，DAC输出经过运算放大器或功率放大器后将电压/电流等比放大或缩小后施加到DUT测试管脚上。待电路稳定后，由ADC采样电路的响应电压或电流并转换成数字值后传回FPGA判断。继电器开关用来完成对电路测量模式切换和量程选择的控制。DAC采用DAC8760作为转换芯片，DAC8760是十六位低功耗，可提供同步电压与电流输出的器件，用于提供测试激励值。然后通过控住继电器开关的通断将输出连接带对应的运算放大器或功率放大器，将DAC输出放大相应的倍数后提供给DUT的测试管脚。待电路稳定后，由ADC采样电路响应，并将采样到的模拟值转换为数字值后传回给FPGA进行判断。采样ADC选用ADI公司的AD7685型号的ADC，该ADC是一款16位、电荷再分配、逐次逼近型模数转换器，采用2.3V至5.5V单电源供电，包括有不丢失码的低功耗高速16位取样ADC，内部转换时钟，以及多功能串口，还集成了一个低噪声、宽带宽、短孔径延迟的采样保持电路。

3)为了降低继电器内阻对电路的影响，在电流/电压采样电路中采用四线开尔文的连接方式。同样，为提高测试精度，对DUT的施加激励和测量响应采用开尔文的连接方式分开接线。为防止发生如短路等意外情况，保护测试系统和被测器件，电路中设置了保护二极管来完成电压/电流钳位保护功能。

4)PMU控制选用Altera公司的Cyclone IV系列EP4CE6E22C7芯片作为FPGA逻辑器件，由外部晶振提供50MHz系统时钟，硬件语言用Verilog HDL编程。通过上板调试验证PMU的功能，并实际测试PMU不同工作模式下的测量精度。

本发明，主要完成了PMU电路硬件设计和FPGA逻辑控制的整体架构，特别是ADC和DAC的控制时序。本发明以较低的成本完成了集成电路直流参数精密单元的设计与实现，能够高精度完成直流参数测试施加电压电流和测量相应电压电流功能模式，结合被测器件的标准规范书，对比测试结果，给出测量结果。

整个测试结构流程如图1所示，精密测量单元示意图如图2所示，下面结合图1、图2描述测试流程

(1)测试系统连接如图3所示，测试人员在进行参数测试时，首先需要通过预设的软硬件校准方法对电路进行校准，再通过上位机选择测量模式与设置预定激励值。上位机通过系统总线与FPGA相连，完成上位机与测试平台的数据交换，PMU电路根据指令通过DAC给被测器件施加激励值。

(2)FPGA接收到上位机发送的测试程序后，对接收到的地址和数据进行译码，控制继电器切换到相应的工作状态；配置DAC的写控制时序，使其输出预设的激励值；判断ADC的工作状态，若处于转化状态，显示为忙，进入等待状态；若空闲状态，根据ADC的读控制时序，读回电路响应值。最后FPGA根据测试指令将测量数据传给上位机。

(3)PMU工作模式分为四种，分别为：加电压测电流(FVMI)、加电压测电压(ForceFVMV)、加电流测电压(FIMV)和加电流测电流(FIMI)。系统通过控制光耦继电器的开合实现不同模式的切换，继电器开关KS5、KS6配合基准5V电压做电压校准，继电器开关KS8、KS9配合基准电阻作为硬件校准，以提高测试准确性。

a)当电路工作在FVMI模式下，关闭继电器开关KS17，KS2，KS18，KS10或KS19，KS11形成测试回路：由DAC提供激励电压，继电器开关KS18、KS19连接通往DUT管脚的不同阻值的采样电阻，通过开断继电器开关KS18、KS19选择不同的电流量程，将电压施加在DUT的管脚上；再选择关闭对应量程的继电器开关KS10、KS11，KS18对应KS10，KS19对应KS11，把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，V-I转换将电压值转换为对应电流值后，关闭继电器开关KS17,由ADC采样转换后传回FPGA。

b)当电路工作在FVMV模式下，关闭继电器开关KS2，KS17，KS18/KS19，KS12/KS13/KS14形成测试回路。DAC的电压输出管脚提供所需的测试电压，因为ADC的输入电压范围为0～5V，根据施加的电压大小，选择关闭继电器开关KS12、KS13或者KS14，用来选择将不同的衰减电路连接到ADC的输入端来保护ADC，ADC采样到电路中的电流值并转换后传回FPGA判断结果。衰减电路的作用是将电路中的电压按比例缩小到ADC的电压输入范围内。

c)当电路工作在FIMI模式下，继电器开关KS3、KS4导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，和FVMI模式下一样，通过闭合继电器开关KS18或KS19选择不同的电流量程，将电压施加在DUT的管脚上，再选择关闭对应量程的继电器开关KS10、KS11(KS18对应KS10，KS19对应KS11)把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，V-I转换将电压值转换为对应电流值后，关闭开关KS17,由ADC采样转换后传回FPGA。

d)当电路工作下FIMV模式下，继电器开关KS3、KS4导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，根据施加的电压大小，选择关闭继电器开关KS12、KS13或者KS14，用来选择将不同的衰减电路连接到ADC的输入端来保护ADC，ADC采样到电路中的电流值并转换后传回FPGA判断结果。衰减电路的作用是将电路中的电压按比例缩小到ADC的电压输入范围内。

(4)ADC会通过采样电阻采样电路响应值，ADC控制时序如图4所示，鉴于状态机的稳定性，采用状态机的方法控制DAC的转换，状态转换如图5所示。

状态IDLE：状态机的初始状态，SCK<＝0，CNV<＝0。

状态CONV：令CNV<＝1启动模数转换。

状态SCKH：在此状态下SCK<＝1，CNV<＝0，16位转换数据通过SDO管脚从高位开始回传。

状态SCKL：在此状态下SCK<＝0，CNV<＝0。状态SCKH和状态SCKL重复执行，直到16位数据全部送出。

状态END：结束状态，等待ADC完成一次转换后状态机跳回IDLE状态。

(5)上位机接收到传回的数据，根据所选择的测试模式和测量量程，对应不同的电路放大倍数，通过计算将接收到的数字值还原成电路实际值，再与预先输入的被测器件规范书上的相同参数进行比较，如果响应值在设定的判断范围内，则测试正确；反之，测试结果失败。

Claims (3)

1.一种集成电路直流参数测试的测量单元电路，其特征是，由现场可编程门阵列FPGA、模/数转换器ADC、数/模转换器DAC、运算放大器、功率放大器和继电器开关构成，FPGA根据输入的指令经DAC、运算放大器、功率放大器给被测器件施加激励值，被测器件对所述激励做出的响应经ADC发送给FPGA，由FPGA输出测试结果，继电器开关用来完成对电路测量模式切换和量程选择的控制。

2.如权利要求1所述的集成电路直流参数测试的测量单元电路，其特征是，所述测量单元电路有四种工作模式：加电压测电流FVMI、加电压测电压FVMV、加电流测电压FIMV和加电流测电流FIMI；

a)当电路工作在FVMI模式下，关闭继电器开关KS17、KS2、KS18、KS10或KS19、KS11形成测试回路：由DAC提供激励电压，继电器开关KS18、KS19连接通往DUT管脚的不同阻值的采样电阻，通过开断继电器开关KS18、KS19选择不同的电流量程，将电压施加在DUT的管脚上；再选择关闭对应量程的继电器开关KS10、KS11，其中，KS18对应KS10，KS19对应KS11，把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，V-I转换将电压值转换为对应电流值后，关闭继电器开关KS17,由ADC采样转换后传回FPGA；

b)当电路工作在FVMV模式下，关闭继电器开关KS2、KS17、KS18/KS19、KS12/KS13/KS14形成测试回路，DAC的电压输出管脚提供所需的测试电压，因为ADC的输入电压范围为0～5V，根据施加的电压大小，选择关闭继电器开关KS12、KS13或者KS14，用来选择将不同的衰减电路连接到ADC的输入端来保护ADC，ADC采样到电路中的电流值并转换后传回FPGA判断结果，衰减电路的作用是将电路中的电压按比例缩小到ADC的电压输入范围内；

c)当电路工作在FIMI模式下，继电器开关KS3、KS4导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，和FVMI模式下一样，通过闭合继电器开关KS18或KS19选择不同的电流量程，将电压施加在DUT的管脚上，再选择关闭对应量程的继电器开关KS10、KS11其中KS18对应KS10，KS19对应KS11，把采样电阻两端电压送入V-I转换电路，V-I转换将电压值转换为对应电流值后，关闭开关KS17,由ADC采样转换后传回FPGA；

d)当电路工作下FIMV模式下，继电器开关KS3、KS4导通，通过V-I转换电路将电压转换为对应的电流值，根据施加的电压大小，选择关闭继电器开关KS12、KS13或者KS14，用来选择将不同的衰减电路连接到ADC的输入端来保护ADC，ADC采样到电路中的电流值并转换后传回FPGA判断结果。衰减电路的作用是将电路中的电压按比例缩小到ADC的电压输入范围内。

3.如权利要求1所述的集成电路直流参数测试的测量单元电路，其特征是，FPGA状态机转换状态如下：

状态IDLE：状态机的初始状态，时钟SCK<＝0，CNV<＝0；

状态CONV：令CNV<＝1启动模数转换；

状态SCKH：在此状态下SCK<＝1，CNV<＝0，16位转换数据通过SDO管脚从高位开始回传；

状态SCKL：在此状态下SCK<＝0，CNV<＝0，状态SCKH和状态SCKL重复执行，直到16位数据全部送出；

状态END：结束状态，等待ADC完成一次转换后状态机跳回IDLE状态。

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