CN112834826A

CN112834826A - 一种利用数字测试通道测量电容量的方法

Info

Publication number: CN112834826A
Application number: CN202110026570.8A
Authority: CN
Inventors: 魏津; 张经祥; 胡雪原
Original assignee: Sundec Semiconductor Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Sundec Semiconductor Technology Shanghai Co Ltd
Priority date: 2021-01-08
Filing date: 2021-01-08
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2041-01-08
Also published as: TWI777706B; TW202227843A; CN112834826B

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，具体地说是一种利用数字测试通道测量电容量的方法。其特征在于包括如下步骤：S1，数字测试通道通电，根据被测芯片的预估电容范围选择可调采样电阻档位；S2，设置参数测量DAC的电压为0V；S3，设置电压钳位DAC、高阈值电压、低阈值电压参数；S4，设置PPMU单元的工作模式为强制恒流输出；S5，建立PPMU单元输出连接，切断逻辑电路连接；S6，复位TMU单元计数器，开始TMU单元测量；S7，设置参数测量DAC的电压为正电压范围的50%；S8，TMU单元测量完成，读取TMU单元测量结果；S9，读取测试时间；S10，设置参数测量DAC的电压为0V；S11，计算电容值并输出。同现有技术相比，利用数字测试通道直接测量芯片引脚附加的电容，方便快捷。

Description

一种利用数字测试通道测量电容量的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地说是一种利用数字测试通道测量电容量的方法。

背景技术

通常数字芯片IC的功能引脚（非电源引脚）是避免附加电容的，因为电容会降低信号的速率，相当于降低了芯片处理速度。因此目前的测试机台的数字测试通道也不会具备电容测量功能。

但是有些特殊引脚需要附加电容，例如芯片AT89S51外接时钟晶体的引脚，如图6所示，又例如芯片MAX232x有引脚用作充电泵，如图7所示。而目前测试机台的数字测试通道不具备电容测量的功能。

发明内容

本发明为克服现有技术的不足，提供一种利用数字测试通道测量电容量的方法，在数字测试通道内增加PPMU单元、TMU单元、高比较器、低比较器，利用数字测试通道直接测量芯片引脚附加的电容，方便快捷。

为实现上述目的，设计一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，数字测试通道通电，根据被测芯片的预估电容范围选择可调采样电阻档位；

S2，设置参数测量DAC的电压为0V；

S3，设置电压钳位DAC、高阈值电压、低阈值电压参数；

S4，设置PPMU单元的工作模式为强制恒流输出；

S5，建立PPMU单元输出连接，切断逻辑电路连接；

S6，复位TMU单元计数器，开始TMU单元测量；

S7，设置参数测量DAC的电压为正电压范围的50%；

S8，TMU单元测量完成，读取TMU单元测量结果；

S9，读取测试时间，若测试时间小于100μs，则降低可调采样电阻档位或降低参数测量DAC的设定值，若测试时间大于10ms，则提高可调采样电阻档位或提高参数测量DAC的设定值，重复步骤S6-S8，直至测试时间大于100μs，并且小于10ms，进行步骤S10；

S10，设置参数测量DAC的电压为0V；

S11，计算电容值并输出。

所述的数字测试通道具体包括被测芯片、PPMU单元、数字逻辑控制单元、TMU单元，所述被测芯片引脚分别连接PPMU单元、电阻一的一端、高比较器的二号端口、低比较器的一号端口，电阻一的另一端分别连接数字逻辑控制单元的逻辑驱动端口及逻辑采集端口，高比较器的一号端口连接高阈值电压，高比较器的三号端口连接TMU单元的一端，TMU单元的另一端连接低比较器的三号端口，TMU单元的二号端口连接低阈值电压。

所述的PPMU单元内设有测量电路一，测量电路一包括可调采样电阻、参数测量DAC、电压钳位DAC、强制放大器、电流放大器、电压放大器、测量端口，所述被测芯片引脚分别连接可调采样电阻的一端，电流放大器的二号端口、电压放大器的一端，可调采样电阻的另一端分别连接开关一的一端、电流放大器的一号端口，开关一的另一端连接强制放大器的四号端口，强制放大器的三号端口连接电压钳位DAC，强制放大器的一号端口连接参数测量DAC，强制放大器的二号端口连接测量端口一端、强制模式选择开关的一号端口、强制模式选择开关的二号端口及电流放大器的三号端口，强制模式选择开关的三号端口分别连接电压放大器的另一端，测量端口的另一端。

所述的TMU单元内设有测量电路二，测量电路二包括高比较器、低比较器、时钟信号，所述高比较器一端连接时间采样模块一的一号端口，时间采样模块一的二号端口连接时间差模块一端，时间差模块另一端连接时间采样模块二的二号端口，时间采样模块二的一号端口连接低比较器一端，时钟信号分别连接时间采样模块一、时间采样模块的三号端口。

所述的步骤S1至步骤S11的测量原理电路包括被测芯片、可调采样电阻、参数测量DAC、电压钳位DAC、强制放大器、电流放大器、高比较器、低比较器，所述被测芯片引脚分别连接电容的一端、可调采样电阻的一端、电流放大器的二号端口、高比较器的二号端口、低比较器的一号端口，电容的另一端连接系统公共地，可调采样电阻的另一端分别连接强制放大器的四号端口，电流放大器的一号端口，强制放大器的三号端口连接电压钳位DAC，强制放大器的一号端口连接参数测量DAC，强制放大器的二号端口连接电流放大器的三号端口，高比较器的一号端口连接高阈值电压、高比较器的三号端口连接TMU单元的一端，TMU单元的另一端连接低比较器的三号端口，低比较器的二号端口连接低阈值电压。

所述的步骤S3中设置电压钳位DAC为被测芯片被测引脚的高电平电压规格，设置高阈值电压为电压钳位DAC数值的90%，设置低阈值电压为电压钳位DAC数值的10%。

所述的步骤S11中计算电容值的公式为C= (I*ΔT)/ΔV；其中I是PPMU单元的强制恒流，ΔT是TMU单元测试到的高比较器与低比较器的信号时间间隔，ΔV是高比较器与低比较器的阈值电压之差。

本发明同现有技术相比，在数字测试通道内增加PPMU单元、TMU单元、高比较器、低比较器，利用数字测试通道直接测量芯片引脚附加的电容，方便快捷。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明数字测试通道的结构图。

图3为本发明PPMU单元的电路图。

图4为本发明TMU单元的电路图。

图5为本发明测试原理的电路图。

图6为本发明测试原理的电压曲线图。

图7芯片AT89S51外接时钟晶体的引脚示意图。

图8为芯片MAX232x用作充电泵的引脚示意图。

具体实施方式

下面根据附图对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例预估被测芯片引脚的附带电容的范围是500pF~5nF之间。

选用的电流放大器的增益Gm为5，为固定值。

本实施例利用数字测试通道测量电容量的方法，具体包括如下步骤：

S1，数字测试通道PE通电，根据被测芯片U的预估电容范围选择可调采样电阻Rs档位为Range D，电阻值为50KΩ；

S2，设置参数测量DAC的电压为0V；

S3，根据被测芯片U的被测引脚的高电平电压规格设置电压钳位DAC，被测芯片U的被测引脚高电平是3.3V的，则电压钳位DAC设置为3.3V；设置高阈值电压VOH为电压钳位DAC的90%，即 3.0V；设置低阈值电压VOL为电压钳位DAC的10%，即 0.3V；

S4，使强制模式选择开关S2的一号端口与二号端口相连，设置PPMU单元PPMU的工作模式为强制恒流输出；

S5，建立PPMU单元PPMU输出连接，切断逻辑电路连接；

S6，复位TMU单元TMU计数器，开始TMU单元TMU测量；

S7，设置参数测量DAC的电压为2.5V；

S8，TMU单元TMU测量完成，读取TMU单元TMU测量结果；

S9，读取测试时间，测试时间大于100μs，并且小于10ms，进行步骤S10；

S10，设置参数测量DAC的电压为0V；

S11，计算电容值并输出。

输出电流为 I=V_dac/Rs/Gm=2.5V/50KΩ/5=10μA，V_dac为步骤S7中参数测量DAC的电压值。

当t0=30μs时，电容电压升至0.3V。

当t1=300μs时，电容电压升至3.0V。

测得电容C= (I*ΔT)/ΔV=（10μA*270μs）/2.7V=1nF。

本发明的可调采样电阻Rs有5档档位，分别对应于5档电流。根据被测芯片U的预估电容范围选择可调采样电阻Rs档位的关系如下表：

被测芯片U的预估电容范围	可调采样电阻Rs档位	可调采样电阻Rs阻值	参数测量DAC电压范围	电流范围
					<500pF	Range E	250kΩ	±5V	±4μA
500pF ~ 5nF	Range D	50kΩ	±5V	±20μA
					5nF ~ 50nF	Range C	5kΩ	±5V	±200μA
50nF ~ 500nF	Range B	500Ω	±5V	±2mA
					>500nF	Range A	12.5Ω	±5V	±80mA

本发明的数字测试通道PE的结构如图1所示。数字测试通道PE具体包括被测芯片U、PPMU单元PPMU、数字逻辑控制单元CU、TMU单元TMU，所述被测芯片U引脚分别连接PPMU单元PPMU、电阻一R1的一端、高比较器CMPH的二号端口、低比较器CMPL的一号端口，电阻一R1的另一端分别连接数字逻辑控制单元CU的逻辑驱动端口LD及逻辑采集端口LA，高比较器CMPH的一号端口连接高阈值电压VOH，高比较器CMPH的三号端口连接TMU单元TMU的一端，TMU单元TMU的另一端连接低比较器CMPL的三号端口，TMU单元TMU的二号端口连接低阈值电压VOL。

该电路除了逻辑控制的相关电路之外，还配置了低比较器CMPL、高比较器CMPH、参数测量单元即PPMU单元、时间测量单元即TMU单元。

如图2所示，PPMU单元是设置在数字测试通道PE内的电压/电流参数测量功能。PPMU单元PPMU内设有测量电路一，测量电路一包括可调采样电阻Rs、参数测量DAC、电压钳位DAC、强制放大器FA、电流放大器IA、电压放大器VA、测量端口TP，所述被测芯片U引脚分别连接可调采样电阻Rs的一端，电流放大器IA的二号端口、电压放大器UA的一端，可调采样电阻Rs的另一端分别连接开关一S1的一端、电流放大器IA的一号端口，开关一S1的另一端连接强制放大器FA的四号端口，强制放大器FA的三号端口连接电压钳位DAC，强制放大器FA的一号端口连接参数测量DAC，强制放大器FA的二号端口连接测量端口TP一端、强制模式选择开关S2的一号端口、强制模式选择开关S2的二号端口及电流放大器IA的三号端口，强制模式选择开关S2的三号端口分别连接电压放大器UA的另一端，测量端口TP的另一端。该电路除了测量功能外，还有强制恒流输出的功能。

如图3所示，TMU单元是设置在数字测试通道PE内的时间测量功能。TMU单元TMU内设有测量电路二，测量电路二包括高比较器CMPH、低比较器CMPL、时钟信号CL，所述高比较器CMPH一端连接时间采样模块一T1的一号端口，时间采样模块一T1的二号端口连接时间差模块TD一端，时间差模块TD另一端连接时间采样模块二T2的二号端口，时间采样模块二T2的一号端口连接低比较器CMPL一端，时钟信号CL分别连接时间采样模块一T1、时间采样模块T2的三号端口。

本发明测试原理的电路图如图4所示。测量原理电路包括被测芯片U、可调采样电阻Rs、参数测量DAC、电压钳位DAC、强制放大器FA、电流放大器IA、高比较器CMPH、低比较器CMPL，所述被测芯片U引脚分别连接电容C的一端、可调采样电阻Rs的一端、电流放大器IA的二号端口、高比较器CPMH的二号端口、低比较器CPML的一号端口，电容C的另一端连接系统公共地GND，可调采样电阻Rs的另一端分别连接强制放大器FA的四号端口，电流放大器IA的一号端口，强制放大器FA的三号端口连接电压钳位DAC，强制放大器FA的一号端口连接参数测量DAC，强制放大器FA的二号端口连接电流放大器IA的三号端口，高比较器CMPH的一号端口连接高阈值电压VOH、高比较器CPMH的三号端口连接TMU单元TMU的一端，TMU单元TMU的另一端连接低比较器CPML的三号端口，低比较器CPML的二号端口连接低阈值电压VOL。

测试原理的电压曲线图如图5所示。当PPMU单元开始工作处于强制输出恒流模式，输出恒定电流给电容充电，则电容的电压开始升高。当电压升高到低比较器CMPL的阈值，则低比较器CMPL反转信号送给TMU单元，当电压升高到高比较器CMPH的阈值，则高比较器CMPH反转信号送给TMU单元，TMU单元得到两个反转信号之间的时间差ΔT。

计算电容量的公式为：C= (I*ΔT)/ΔV。

其中I是PPMU单元的强制恒流，ΔT是TMU单元TMU测试到的高比较器CMPH与低比较器CMPL的信号时间间隔，ΔV是高比较器CMPH与低比较器CMPL的阈值电压之差。

由于TMU的分辨率很高，所以可以满足测量精度的要求。

本发明的强制放大器FA为ADATE318BCPZ芯片内置FA，电流放大器IA为ADATE318BCPZ芯片内置IA，电压放大器VA为ADATE318BCPZ芯片内置VA，高比较器CMPH为ADATE318BCPZ芯片内置CMPH，低比较器CMPL为ADATE318BCPZ芯片内置CMPL，参数测量DAC为ADATE318BCPZ芯片内置PPMU_VIN，电压钳位DAC为ADATE318BCPZ芯片内置VCH，可调采样电阻Rs为ADATE318BCPZ芯片内置RPPMU，PPMU单元为ADATE318BCPZ芯片内置PPMU，TMU单元为数字通道卡ST20-55003集成的TMU。

需测量电容量时，要切断数字逻辑电路的连接，建立PPMU单元的连接，PPMU设置为强制输出恒流模式，此时的等效电路如图4所示。

电压钳位DAC给强制放大器的电源端供电，所以电压钳位DAC的输出电压就是强制放大器的最高输出电压，即Vlimit。

可调采样电阻Rs有5个阻值可选，对应于5个电流挡位：4uA，20uA，200uA，2mA，80mA。

电流I经过采样电阻Rs，采样电阻两端的压降是I*Rs，经过电流放大器的增益Gm后作为负反馈送到强制放大器。

当参数测量DAC输出一个电压V，在PPMU电流采样电路的闭环控制下，强制放大器的输出恒定电流I，和V的关系为：V=I*Rs*Gm或者I=V/Rs/Gm。

在强制放大器的输出电压未达到Vlimit之前，强制输出的电流主要流入被测芯片引脚附带的电容。其他方向的电流可忽略不计。恒定的电流使电容器的电压匀速升高，电压变化曲线如图5所示。

在电压爬升过程中，在t0时刻跨过VOL，在t1时刻跨过VOH。在到达Vlimit之前已完成测量。

当电压爬升至Vlimit后，无法再升高，会维持在Vlimit。此时电流会降至接近0，不再给电容器充电。

Claims

1.一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于包括如下步骤：

S1，数字测试通道（PE）通电，根据被测芯片（U）的预估电容范围选择可调采样电阻（Rs）档位；

S2，设置参数测量DAC的电压为0V；

S3，设置电压钳位DAC、高阈值电压（VOH）、低阈值电压（VOL）参数；

S4，设置PPMU单元（PPMU）的工作模式为强制恒流输出；

S5，建立PPMU单元（PPMU）输出连接，切断逻辑电路连接；

S6，复位TMU单元（TMU）计数器，开始TMU单元（TMU）测量；

S7，设置参数测量DAC的电压为正电压范围的50%；

S8，TMU单元（TMU）测量完成，读取TMU单元（TMU）测量结果；

S9，读取测试时间，若测试时间小于100μs，则降低可调采样电阻（Rs）档位或降低参数测量DAC的设定值，若测试时间大于10ms，则提高可调采样电阻（Rs）档位或提高参数测量DAC的设定值，重复步骤S6-S8，直至测试时间大于100μs，并且小于10ms，进行步骤S10；

S10，设置参数测量DAC的电压为0V；

S11，计算电容值并输出。

2.根据权利要求1所述的一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于：所述的数字测试通道（PE）具体包括被测芯片（U）、PPMU单元（PPMU）、数字逻辑控制单元（CU）、TMU单元（TMU），所述被测芯片（U）引脚分别连接PPMU单元（PPMU）、电阻一（R1）的一端、高比较器（CMPH）的二号端口、低比较器（CMPL）的一号端口，电阻一（R1）的另一端分别连接数字逻辑控制单元（CU）的逻辑驱动端口（LD）及逻辑采集端口（LA），高比较器（CMPH）的一号端口连接高阈值电压（VOH），高比较器（CMPH）的三号端口连接TMU单元（TMU）的一端，TMU单元（TMU）的另一端连接低比较器（CMPL）的三号端口，TMU单元（TMU）的二号端口连接低阈值电压（VOL）。

3.根据权利要求2所述的一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于：所述的PPMU单元（PPMU）内设有测量电路一，测量电路一包括可调采样电阻（Rs）、参数测量DAC、电压钳位DAC、强制放大器（FA）、电流放大器（IA）、电压放大器（VA）、测量端口（TP），所述被测芯片（U）引脚分别连接可调采样电阻（Rs）的一端，电流放大器（IA）的二号端口、电压放大器（UA）的一端，可调采样电阻（Rs）的另一端分别连接开关一（S1）的一端、电流放大器（IA）的一号端口，开关一（S1）的另一端连接强制放大器（FA）的四号端口，强制放大器（FA）的三号端口连接电压钳位DAC，强制放大器（FA）的一号端口连接参数测量DAC，强制放大器（FA）的二号端口连接测量端口（TP）一端、强制模式选择开关（S2）的一号端口、强制模式选择开关（S2）的二号端口及电流放大器（IA）的三号端口，强制模式选择开关（S2）的三号端口分别连接电压放大器（UA）的另一端，测量端口（TP）的另一端。

4.根据权利要求2所述的一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于：所述的TMU单元（TMU）内设有测量电路二，测量电路二包括高比较器（CMPH）、低比较器（CMPL）、时钟信号（CL），所述高比较器（CMPH）一端连接时间采样模块一（T1）的一号端口，时间采样模块一（T1）的二号端口连接时间差模块（TD）一端，时间差模块（TD）另一端连接时间采样模块二（T2）的二号端口，时间采样模块二（T2）的一号端口连接低比较器（CMPL）一端，时钟信号（CL）分别连接时间采样模块一（T1）、时间采样模块（T2）的三号端口。

5.根据权利要求1所述的一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于：所述的步骤S1至步骤S11的测量原理电路包括被测芯片（U）、可调采样电阻（Rs）、参数测量DAC、电压钳位DAC、强制放大器（FA）、电流放大器（IA）、高比较器（CMPH）、低比较器（CMPL），所述被测芯片（U）引脚分别连接电容（C）的一端、可调采样电阻（Rs）的一端、电流放大器（IA）的二号端口、高比较器（CPMH）的二号端口、低比较器（CPML）的一号端口，电容（C）的另一端连接系统公共地（GND），可调采样电阻（Rs）的另一端分别连接强制放大器（FA）的四号端口，电流放大器（IA）的一号端口，强制放大器（FA）的三号端口连接电压钳位DAC，强制放大器（FA）的一号端口连接参数测量DAC，强制放大器（FA）的二号端口连接电流放大器（IA）的三号端口，高比较器（CMPH）的一号端口连接高阈值电压（VOH）、高比较器（CPMH）的三号端口连接TMU单元（TMU）的一端，TMU单元（TMU）的另一端连接低比较器（CPML）的三号端口，低比较器（CPML）的二号端口连接低阈值电压（VOL）。

6.根据权利要求1所述的一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于：所述的步骤S3中设置电压钳位DAC为被测芯片（U）被测引脚的高电平电压规格，设置高阈值电压（VOH）为电压钳位DAC数值的90%，设置低阈值电压（VOL）为电压钳位DAC数值的10%。

7.根据权利要求1所述的一种利用数字测试通道测量电容量的方法，其特征在于：所述的步骤S11中计算电容值的公式为C= (I*ΔT)/ΔV；其中I是PPMU单元（PPMU）的强制恒流，ΔT是TMU单元（TMU）测试到的高比较器（CMPH）与低比较器（CMPL）的信号时间间隔，ΔV是高比较器（CMPH）与低比较器（CMPL）的阈值电压之差。