集成運放綜合指標參數自動化測試實驗

李偉博， 高賀惟， 張志明， 李珈毅， 余有靈， 吳 堅

（同濟大學電子與信息工程學院，上海200092）

0 引 言

集成電路是信息技術產業的核心，也是尖端制造產業的制高點，在國民經濟領域中起著關鍵作用。高校集成電路及相關的電子信息專業的人才培養模式滯后于行業發展，簡單驗證型的實驗環節教學實踐已不適應學生工程實踐能力培養和創新思維開拓的新要求。需要根據學科發展和知識更新的要求，對原有教學內容和教學方式進行改革［1-3］，提高理論和實踐能力兼備的復合型專業人才培養質量。

作為電子電路中常用的基礎單元器件，集成運放在小信號放大、信號運算與處理、波形發生和轉換、功率電源等方面有十分廣泛的應用，是課程教學內容中的重點和難點［4］，在專業課程實驗中也是一種常見的實驗對象［5-7］。在集成運放綜合指標參數的教學實踐中，基于與工業應用相銜接的軟硬件開發平臺，改進和擴展創新綜合實驗內容，理論分析和動手實踐并重，學生在自主實驗設計、仿真、調試和測量等的實踐過程中獲得鍛煉和提高。

1 實驗任務簡述

芯片測試工作已經成為半導體行業中的一項重要工作，上世紀80年代開始我國多次頒布過半導體集成電路運算（電壓）放大器測試方法的國標，至2017年最新的國軍標發布［8］，規定對運算放大器的測試采用輔助放大器的方式進行，這也是國際通用的測試方法。測試需要的技術要求較高，國內外先后提出了多種不同的集成運放自動測試方案［9-13］，但其通用性和可擴展性有限，同時限于性能和成本原因，不利于在教學中推廣。大部分集成運放測試方案中，只涉及到直流參數的測試，交流指標則較少涉及。

集成運放的測試指標包括30多個參數［8，13-15］。實驗選取其中最常用的5個直流指標和2個交流指標進行測試，如圖1（a）所示，分別為輸入失調電壓、輸入偏置電流、輸入失調電流、共模抑制比和開環電壓增益以及輸出電壓轉換速率、增益帶寬積。

實驗任務要求按照相關測試規范標準，應用輔助運放測試法，設計并應用測試電路對集成運放進行綜合指標參數測試，測試流程如圖1（b）所示。實驗中使用Multisim軟件［16］設計測試電路并進行仿真和分析；仿真通過后分別進行實體電路設計和測試軟件設計，其中測試軟件基于LabVIEW圖形化編程語言［17］編寫，完成對采集數據的計算和實驗結果顯示及分析，電路板用Ultiboard軟件［16］進行設計或直接搭建，預留和測試平臺相匹配的芯片插座及電氣接口；激勵信號產生、測試數據采集、數字量控制等實驗功能則在NI

圖1 集成運放交直流參數測試實驗

ELVIS III教學實驗平臺中進行［18］，配合前述開發的軟件和硬件，完成集成運放的交直流參數一體化自動測試實驗。

2 實驗對象電路設計

2.1 直流參數測試

運放的直流參數是指對運放處理直流信號時對其性能有所影響的參數，直流參數的準確測量有助于在運放實際工作時進行補償。輔助運放實驗選型為OPA2335，輸入失調電壓低至30 μV，輸入偏置電流低至70 pA，輸入失調電流低至120 pA，開環增益高達123 dB，滿足低失調電壓和低偏置電流的要求，同時開環增益和動態范圍足夠大。以OPA2335為核心，在Multisim軟件中設計直流參數綜合測試電路，如圖2所示。圖中開關陣列S1～S8狀態用一個8 bit二進制數表示，S1為最高位，S8是最低位，狀態為“1”時開關閉合，“0”則斷開，通過開關狀態的切換變化為對應特定參數的測量電路，見表1。20 pF電容C1用于超前補償以防止電路的振蕩，參數可根據實際電路調整。

圖2 直流參數測試電路原理圖

表1 參數測試電路所對應的開關陣列S1～S8狀態列表

2.2 交流參數測試

運放的交流參數是指當運放輸入端為交流信號時，會對輸出產生較大影響的參數，主要包括電壓轉換速率、增益帶寬積，單位增益帶寬等。實驗測試時可不使用輔助運放，只需要形成反饋回路即可工作，在Multisim軟件中設計的交流測試電路原理如圖3所示。

圖3 交流參數測試電路原理圖

2.3 集成運放測試接口電路板

為使測試過程具有更高的穩定性和靈活性，將經過電路仿真軟件Multisim虛擬仿真驗證后的測試電路安裝到同一塊PCB板上，讓整個測試方案的硬件部分更加整潔美觀、易于操作，再與工程教學實驗平臺ELVIS III整合連接。從Multisim電路設計原理圖可無縫轉換到PCB設計軟件Ultiboard中完成制板布局設計工作，功能電路板上放置芯片座，便于測試不同型號運放時更換芯片。實驗測試時發現，不同型號運放的所需要的反饋電阻阻值也不一樣，為增強參數測試的通用性，最終選擇精密變阻器作為反饋電阻。此外考慮到芯片封裝形式和管腳排列定義的不同，加入對應不同類型運放的（信號繼電器）測試開關，程控切換到對應的測試電路。

3 基于虛擬儀器技術的自動化測試

3.1 虛擬儀器技術

傳統實驗方式需要配置多臺專業測試儀器，通常情況下需要實驗人員手動操作人工讀數，使用煩瑣且容易失誤，另外儀器的多樣性和專用性也會導致運行和維護成本大幅增加。虛擬儀器［17］以個人計算機PC技術為基礎，在模塊化硬件的基礎上，使用靈活高效的軟件創建完全自定義的用戶界面，以軟件定義硬件功能，復用集成的軟硬件平臺，性能和擴展性強、開發效率高。軟硬件結合的綜合設計和開發可進一步培養和鍛煉學生的工程實踐能力。

3.2 ELVIS III實驗平臺

實驗中使用工程實驗室虛擬儀器套件ELVIS III，其專為項目式學習而開發，為實驗室、工作室和翻轉課堂創造一個主動的工程學習環境［18］。套件采用多合一儀器集成方式，包括波特圖儀、函數發生器、示波器、數字萬用表等工業級標準的儀器功能模塊，可提供集成運放指標測量實驗所需的雙路正負程控直流電源，電壓／電流測量，數字量開關控制等功能。ELVIS III的工業級性能技術指標為實驗提供高準確度測量能力。學生可以通過上位機LabVIEW編程實時精確控制實驗進程、嵌入自定義數據處理算法并對實驗結果進行在線分析。

3.3 LabVIEW自動化測試編程

LabVIEW使用圖形化語言編寫自動測試程序，其前面板對應GUI用戶操作界面端，后面板對應程序后臺源代碼。根據實驗流程，學生使用LabVIEW通過調用內嵌的功能模塊軟件，編程控制ELVIS III平臺驅動運放測試功能電路板，實時采集測試數據并進行各種分析與處理，快速實現常規測試功能和輔助功能。

以輸入失調電壓的測量程序的編寫和調試為例，編程時首先適配ELVIS硬件平臺和IC測試電路板，設置好相應的子VI驅動接口參數和工作模式。測試流程中主要用到Analog Input和Digital Output兩類Express VI，前者用來采集測試電路中輔助運放的輸出電壓信號，后者輸出開關量控制開關陣列自動切換到對應指標的測試工作狀態，并在測試完成后進行數據計算。測試分為全參數自動測量和單參數自動測量這兩種模式，圖4（a）為所編寫的實驗測試GUI人機操作界面，連接好硬件后，其測試操作步驟為：首先設置工作模式，在指標選擇輸入框中輸入／選擇待測指標如“ALL”（全參數自動測試模式），即可按照預設實驗流程自動切換進行測試，并在左側部分顯示測試結果參數；選擇其他指標即可即時自動切換到對應指標的測試流程并顯示最后的測試結果，無需煩瑣的關斷操作來選擇模式。圖4（b）以圖形化編程方式清晰描述了單參數測試模式下輸入失調電壓的測量程序核心源代碼，其程序整體架構主要使用while-loop循環結構和Case條件結構。

圖4 典型實驗環節的LabVIEW編程

4 仿真效果和實測分析

25℃室溫環境下進行實驗，選擇3種常用的通用運放芯片（LM324、LM358、LM741）逐一進行仿真和實測（見表2）。查詢芯片手冊，獲取其典型直流和交流參數的指標值。

4.1 Multisim電路仿真

在Multisim中搭建直流參數測試電路（見圖2）和交流參數測試電路（見圖3），待測芯片分別設置為LM324、LM358、LM741 3種不同型號的通用運放，電路仿真結果見表2。

4.2 硬件電路實測

實驗中按照電路原理圖畫出PCB版圖后，制作出實際的運放測試電路板。為測試實驗方案的有效性，實驗中分別使用傳統儀器（人工判讀計算）和ELVIS III＋計算機（自動讀取計算）的方式進行實際測試，并和手冊指標及仿真結果做對比驗證。

使用常規儀器的實驗環境如圖5所示，所使用儀器包括OWON P3033多路可調直流電源（1路供電電源＋1路參考電壓源）、FeelElec FY6800雙通道信號發生器、OWON EDS102CV雙通道數字示波器、OWON NDM3051 5位半臺式數字萬用表。

圖5 使用常規儀器實測運放參數

使用ELVIS III平臺進行測試實驗則簡單的多，如圖6所示，無需外部測量儀器，運放測試電路板置于ELVIS測試平臺面包板上，連接好簡單的接口線路后，計算機即可啟動實驗測試程序，通過USB電纜或者WiFi無線通信控制ELVIS III按照實驗流程自動測試，并在后臺自動計算獲取得到最后的實測結果，測試結果見表2。

表2 集成運放參數測試實驗結果

圖6 基于ELVIS III的運放參數自動化測試實驗

4.3 結果分析

從軟件仿真和硬件電路實際測試的效果對比來看，集成運放的直流指標和交流指標都在官方芯片手冊給出的數據范圍之內。在常規條件下，考慮到外部溫度變化和測試電路元件等級等固有誤差的影響，其測試結果是有效并且比較準確的，說明本實驗方案在集成運放指標的測試上具有可行性和可靠性，整個測試過程涵蓋直流參數和交流參數。仿真結果和實際測試結果的差別主要是由于仿真環境下的電源和元件簡化為理想模型，參數和實際電路有一定的差異。硬件實測考慮了更多的工作條件，實測結果更具有說服力。和傳統實驗方式相比，基于ELVIS平臺的集成運放測試自動化測試在測試結果上處于同一準確度等級，在保證數據可靠的條件下縮小測試系統體積，大幅減少線路連接，省去煩瑣操作，可提高測試效率。

5 結 語

從教學實踐實際情況來看，結合一體化ELVIS III軟硬件平臺，培訓學生使用虛擬儀器技術進行課程實驗實踐，由學生自主設計完成集成運放的直流和交流指標的測試實驗，可讓學生有更多精力加深對實驗原理的理解和實驗方法的實踐，有效提高學習效果。實驗架構的高度靈活性和軟硬件的強大性能使得實驗擴展功能的開發更加容易，學生在本科求學階段以此方案初稿為基礎參加全國大學生集成電路創新創業大賽，先后獲得華東賽區二等獎和全國總決賽優秀獎。