分立器件時(shí)間測(cè)量單元的研制

胡愛民

（北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所,北京,100088）

分立器件時(shí)間測(cè)量單元的研制

胡愛民

（北京自動(dòng)測(cè)試技術(shù)研究所,北京,100088）

分立器件的時(shí)間參數(shù)測(cè)量是分立器件參數(shù)測(cè)量的重要組成部分，隨著分立器件設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高,如何高效準(zhǔn)確地測(cè)試分立器件的時(shí)間參數(shù)是分立器件交流參數(shù)測(cè)試研究的重點(diǎn)。本文介紹了時(shí)間參數(shù)測(cè)量電路,從頻率可調(diào)的方波產(chǎn)生電路，到時(shí)間測(cè)量電路做了一個(gè)系統(tǒng)的描述，此時(shí)間測(cè)量單元的測(cè)試結(jié)果在JC90分立器件測(cè)試儀器上得到了正確的驗(yàn)證。

分立器件;時(shí)間參數(shù)測(cè)量;方波產(chǎn)生器;方波驅(qū)動(dòng);Edge818;TDC-GP1

0 引言

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中有兩大分支：集成電路和分立器件。其中，分立器件被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)及外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信，汽車電子、LED顯示屏等領(lǐng)域。目前，中國(guó)的半導(dǎo)體分立器件產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在國(guó)際市場(chǎng)占有舉足輕重的地位并保持著持續(xù)、快速、穩(wěn)定的發(fā)展。半導(dǎo)體分立器件行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展雖然處于低迷時(shí)期，但前景依然美好。同時(shí)，軍工產(chǎn)品對(duì)分立器件的可靠性要求越來越高，提高檢測(cè)分立器件可靠性的技術(shù)手段，加強(qiáng)對(duì)分立器件質(zhì)量控制和管理，這樣對(duì)如何能夠方便快速對(duì)分立器件的時(shí)間參數(shù)測(cè)試提出了挑戰(zhàn)。

本文首先介紹了分立器件的時(shí)間參數(shù)測(cè)試電路，然后結(jié)合自主研制的JC90自動(dòng)測(cè)試設(shè)備測(cè)試實(shí)例，介紹了分立器件時(shí)間參數(shù)的測(cè)試過程。

1 測(cè)試電路

分立器件的時(shí)間參數(shù)測(cè)試電路，主要包含以下三個(gè)部分：分立器件測(cè)試激勵(lì)源、分立器件響應(yīng)輸出處理電路、時(shí)間測(cè)量電路。

1.1分立器件激勵(lì)源

在分立器件時(shí)間測(cè)試過程中，需要對(duì)分立器件施加一個(gè)激勵(lì)源，一般此激勵(lì)源是一個(gè)不超過10kHz的方波信號(hào)。

本文選用Altera公司的CYCLONE系列中EP1C6芯片，在此芯片的基礎(chǔ)上編程產(chǎn)生方波，主要是基于數(shù)字DDS原理：頻率控制字M和相位控制字P分別控制DDS輸出波形的頻率和相位。相位累加器是整個(gè)波形產(chǎn)生器的核心，它由一個(gè)累加器和一個(gè)N位相位寄存器組成。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位寄存器以步長(zhǎng)M增加，如下圖1所示。

圖1 波形產(chǎn)生器內(nèi)部原理圖

相位寄存器的輸出與相位控制字相加，其結(jié)果作為波形查找表的地址。波形查找表由ROM構(gòu)成，內(nèi)部存有一個(gè)完整周期的波形的數(shù)字信息。查找表輸入的地址信息映射成輸出波形幅度信號(hào)，同時(shí)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，相位寄存器每經(jīng)過2N／M個(gè)fc時(shí)鐘周期后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)地波形查表經(jīng)過一個(gè)循環(huán)回到初始位置，DDS輸出一個(gè)波形。輸出波形的頻率為:

同時(shí)FPGA還用于控制DA模塊THS5651A的輸出以及與其它模塊的通信，通過FPGA發(fā)出命令，可以控制THS5651A輸出特定幅值、寬度和頻率的脈沖，原理圖如圖2所示。THS5651A是電流輸出型DA，其輸出的模擬電流邊沿可達(dá)1nS，通過運(yùn)算放大器后，其輸出電壓幅度約為1V左右，因此運(yùn)算放大器的后端又增加了放大驅(qū)動(dòng)電路，此電壓通過處理后滿足分立器件激勵(lì)源的要求。

圖2 方波控制產(chǎn)生電路

1.2分立器件響應(yīng)輸出處理電路

分立器件種類繁多，其響應(yīng)輸出有的電壓比較高，有的輸出波形上升沿和下降沿非常快，有的甚至可以達(dá)到20nS左右。為了滿足絕大部分的分立器件的需求，需要對(duì)上面兩種分立器件出現(xiàn)的響應(yīng)做出相應(yīng)的處理電路。

如下圖3是對(duì)電壓比較高的輸出采用了分壓處理，在此分壓電路中，采用了AD811作為電壓跟隨電路，其主要功能是將輸入電壓信號(hào)完全無損跟隨，同時(shí)滿足其驅(qū)動(dòng)要求，因?yàn)橐话銣y(cè)試設(shè)備需要測(cè)試的分立器件離測(cè)試單元比較遠(yuǎn)，需要通過BNC的同軸線相連，這樣必須增加驅(qū)動(dòng)跟隨電路，否則波形畸變，無法應(yīng)用于測(cè)試。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，其波形在上升沿和下降沿的實(shí)際失真在2nS左右，完全滿足波形處理要求。

另外一個(gè)比較重要的電路是，高速波形處理電路，其主要目的是分解邊沿波形，將其波形分解為10%和90%的方波信號(hào)，具體的電路圖如圖4所示。

圖4 波形電壓比較電路

1.3時(shí)間測(cè)量電路

為了精確測(cè)量處理過后的波形的時(shí)間參數(shù)，本文采用兩種方法相結(jié)合的方法來完成，一是采用數(shù)字計(jì)數(shù)器，主要的原理是，例如測(cè)量方波高電平持續(xù)時(shí)間，在高電平來臨時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，在高電平結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，在此期間計(jì)數(shù)N次，記一次數(shù)持續(xù)時(shí)間是一個(gè)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘Tclk，那么高電平持續(xù)時(shí)間就是t=Tclk*N，通過這種方式來測(cè)量時(shí)間，這種方法一般測(cè)量低頻電路；二是采用專門的時(shí)間間隔測(cè)量芯片，本文采用的是德國(guó)ACAM公司研發(fā)的時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP1，此芯片可提供兩通道250ps或單通道125ps分辨率的時(shí)間間隔測(cè)量，測(cè)量原理如圖5所示。START信號(hào)和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔由非門的個(gè)數(shù)來決定。TDC-GP1還提供了與微處理器的多種接口方式，用戶可以很方便地用它構(gòu)成自己的系統(tǒng)或儀器，通對(duì)數(shù)據(jù)總線的操作就可以讀出時(shí)間測(cè)量單元的測(cè)量時(shí)間，此芯片專門用來測(cè)量高頻電路時(shí)間參數(shù)。

圖5 TDC-GP1測(cè)量單元

圖3 波形處理分壓電路

2 測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)主要是在JC90測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試，該系統(tǒng)是基于PCI總線的分立器件測(cè)試系統(tǒng)，主要提供測(cè)試各類分立器件所需要的最基本的硬件資源。

測(cè)試的主要流程是：用戶通過測(cè)試程序庫調(diào)出被測(cè)器件的測(cè)試程序，運(yùn)行測(cè)試程序就可以測(cè)量時(shí)間參數(shù)，這個(gè)過程全部由計(jì)算機(jī)軟件來操作，具體的操作過程如下：測(cè)試程序調(diào)用各模塊的函數(shù)庫，通過PCI總線發(fā)出測(cè)試開始指令，調(diào)用各個(gè)模塊產(chǎn)生測(cè)試所需要的資源，測(cè)試分立器件所需的器件電壓電流源，驅(qū)動(dòng)方波，然后通過同軸電纜和電路板施加到被測(cè)試的分立器件上，得到想要的輸出波形，然后將輸入的驅(qū)動(dòng)方波和輸出的方波通過同軸電纜連接到時(shí)間測(cè)量單元上，通過此單元進(jìn)行時(shí)間參數(shù)的測(cè)量，其測(cè)試精度達(dá)到nS級(jí)別。

3 結(jié)論

本文對(duì)分立器件的時(shí)間參數(shù)測(cè)量的電路進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并且最后與JC90分立測(cè)試儀器相結(jié)合，通過此儀器搭建的平臺(tái)可以快速準(zhǔn)確的測(cè)量分立器件的時(shí)間參數(shù)。

[1] Semtech Devices.EDGE818.pdf[S/OL].www.semtech.com

[2] Germany Acam Devices.TDC-GP1.pdf[S/OL].www.acam.de

[3] Altera Fpga Devices.EP1C6.pdf[S/OL].www.altera.com. cn.

[4] 童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2001,476-484.

[5] 鈴木雅臣.北京:晶體管電路設(shè)計(jì)(上)[M].周南生，譯.北京：科學(xué)出版社,2004,45-109.

胡愛民，1980出生，助理研究員，碩士研究生，畢業(yè)后一直工作于北京自動(dòng)測(cè)試研究所，從事集成電路測(cè)試儀器研究。

Research of time measurement unit of discrete device

Hu Aimin
(Beijing Institute of Auto-Testing Technology,Beijing,100088,China)

The time parameter measurement of discrete device is the important component of discrete device parameters measurement,With the continuous improvement of discrete device design technology,How to efficiently and accurately test discrete devices’s time parameter measurement is the focus of the AC parameter research.This paper introduces the circuit of the time parameter measurement,From the Square wave generator circuit of Adjustable frequency,to the end of time measurement circuit made a system description, this time measuring unit testing results in JC90 testing equipment of discrete device has been correct verified.

discrete device;time parameter measure;Square wave generator;Square wave drive;Edge818;TDC-GP1

16 TN79

A 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼：510.3010