利用測時儀測量交流信號的直流偏移

在如今的半導(dǎo)體領(lǐng)域，要確定集成電路器件的功能性是否滿足要求，往往需要對其進(jìn)行多種電測試。其中一項就是測量器件的時序，這時必須用到測時儀(TMU)。

什么是測時儀？

測時儀是一種半導(dǎo)體自動測試設(shè)備(ATE)，負(fù)責(zé)測量兩次事件之間間隔的時間或計算事件的個數(shù)。由于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中測試的復(fù)雜度日益增大，而且IC設(shè)計師希望保證他們所設(shè)計的IC在速度和響應(yīng)上能夠滿足設(shè)計要求，因此大多數(shù)測時儀在出售時內(nèi)部都自帶一臺TMU。不論測試設(shè)備是用于測試模擬IC、數(shù)字IC還是混合信號IC，TMU都是必需的。

通常，TMU用于測量頻率/周期、傳輸延遲、建立和保持時間、上升/下降沿、占空比和信號斜率等交流參數(shù)。

TMU主要由兩部分組成(見圖1)：

1． 信號檢測器

此部分用于在輸入信號出現(xiàn)后檢測一次事件的發(fā)生。通過設(shè)置感興趣的參數(shù)閾值(通常是電壓參數(shù))和信號變化的斜率(正或者負(fù))，檢測器可以在輸入信號到達(dá)預(yù)先設(shè)置的閾值時觸發(fā)計數(shù)器模塊，使其開始計數(shù)或停止計數(shù)。開始計數(shù)和停止計數(shù)的觸發(fā)信號可以由一個檢測器產(chǎn)生，但如今大多數(shù)TMU制造商都會集成至少兩個檢測器，因為兩個檢測器能夠檢測到低于1mV的信號電壓變化，并且無延遲地將觸發(fā)信號送至計數(shù)器模塊。

2． 計數(shù)器

在TMU中，計算事件發(fā)生次數(shù)或時間間隔的核心是開始和停止觸發(fā)器。對此部分而言，為了得到更精確的結(jié)果，分辨率和精度是最重要的因素。如今，TMU制造商可以輕易造出分辨率達(dá)到皮秒(pico-second)或飛秒(femto-second)級的高速TMU，同時，計數(shù)器的最大可計算時間仍保持在幾秒。

TMU應(yīng)用舉例：

例1 中在TMU輸入端口送入一個幅度為1V的正弦波。

檢測器設(shè)置：

感興趣的閾值電壓= 0.5V

感興趣的信號變化斜率符號=正( positive，由低至高變化)

圖1 ：TMU模塊框圖

從圖2 中可以看出，A點將被檢測到兩次，而B點則會被忽略，因為B點的信號變化斜率為負(fù)(由高變低)。

圖2 ：將正弦波送入TMU

第一次和第二次檢測到A點的時間差就是輸入信號的周期。

例2中 數(shù)字IC的輸入和輸出管腳被送至TMU的輸入端口。

根據(jù)圖3，設(shè)電壓輸入和輸出的低電平(VIL和VOL)為0V，高電平((VIH和VOH)為5V，則表1給出了相應(yīng)的TMU設(shè)置和待測參數(shù)。

圖3 ：邏輯波形時序的例子

RF測試儀和RF器件

為了節(jié)約成本，半導(dǎo)體測試服務(wù)提供商在購買測試儀時很少會將可選配置全部配齊。通常他們只會根據(jù)測試需求考慮選擇哪些配置，然后將測試儀中的可用資源與待測產(chǎn)品配對。以RF測試儀為例，此類測試儀僅用于測試RF器件，因此只包含RF資源和一些外圍支持資源，例如DC源、精密測量單元(PMU)、TMU和很少幾個數(shù)字管腳通道。

而另一方面，為了滿足現(xiàn)代RF應(yīng)用的需求，RF器件的性能在不斷提高。如今的RF器件已經(jīng)不只工作在RF頻段，還可以產(chǎn)生和/或捕獲中/低頻信號。因此，測試工程師在決定升級測試儀之前一定要仔細(xì)消化和理解器件的測試要求。例如，我們現(xiàn)在有一只待測的RF器件，需要測量其DC偏移，測量參數(shù)如下：頻率10 MHz、幅度300-600mV、輸出阻抗~300?、最大DC偏移1.5V ± 10%(見圖4)。

圖4 ：帶DC偏移的AC信號及其測量參數(shù)限制

表1 ：圖4所示的TMU設(shè)置和待測參數(shù)

當(dāng)然，對此例，最理想的測量方案是將測試儀升級為具備數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理(DSP)能力，但這樣會使測試成本變得非常高。于是我們會想到，如果RF測試儀本身就具備有限的一些資源能夠滿足以上要求呢？對此，我們做如下說明：

PMU是用于精確DC測量的儀器，但它不能用于測量DC偏移。而且，用一個模擬濾波器濾除信號中的AC成分也會影響DC偏移。這些都會使測試板的設(shè)計和測試程序的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。

RF測試儀中的RF數(shù)字轉(zhuǎn)換器也不能用，因為其輸入阻抗(50Ω或75Ω)太低，而被測件(DUT)為高阻輸出，這會導(dǎo)致信號電平被拉跨，從而使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。此時我們可以考慮在RF數(shù)字轉(zhuǎn)換器之前增加一級緩沖放大器，但前提是必須仔細(xì)評估該放大器的固有偏移，因為這也會使測試板設(shè)計與測試程序結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。

在有其他選擇時，利用TMU測量DC偏移可能并非最佳方案，但卻絕對是最簡單也最便宜的方案。我們將在下文中詳細(xì)介紹該方法。

利用TMU測量直流偏移

通常，TMU所帶的都是高阻輸入端口，這一點對圖4中所舉例子而言確實非常必要，因此，在輸入阻抗方面不存在問題。采用這種方法時，只需在測試板上留出一條通道用以連接DUT的輸出管腳與TMU的輸入端口，無需其他外部元件與電路。某些測試儀甚至具備一條內(nèi)部總線，可用于連接TMU與其他資源。此時，連專門為DUT與TMU留通道都沒必要了。

該方法的基本思路是利用TMU中信號檢測器的功能。一旦檢測器檢測到達(dá)到感興趣的參數(shù)閾值和信號變化斜率的情況，就會向CPU發(fā)送一個觸發(fā)信號。該功能允許程序員利用折半查找法搜尋離信號峰值和谷值非常近的點，設(shè)搜尋結(jié)果為VMax和VMin點，那么DC偏移的幅度就可表示為：

圖5所示為簡化的VMax和VMin的搜索過程：

圖5 ：簡化的VMax和VMin搜索過程

當(dāng)然，該方法也可能存在一些局限性，例如：

1． TMU不能象數(shù)字轉(zhuǎn)換器一樣測量所有AC信號參數(shù)，例如噪聲電平、THD、SNR等；

2． 輸入信號的幅度必須非常穩(wěn)定，否則搜索結(jié)果永遠(yuǎn)不會收斂；

3．該方法不能用于任意信號，對正弦波信號采用該方法效果最好；

4．由于需要進(jìn)行折半查找，所以該方法耗時較長，信號頻率越低，查找周期越長；

但我們可以想辦法減少查找的周期數(shù)，或者至少將查找周期數(shù)限制為一個固定值。

本文小結(jié)

測試工程師們只要仔細(xì)理解測試要求，并充分利用TMU解決法，就可能避免進(jìn)行昂貴的測試儀升級。開發(fā)TMU的功能，將其用于測量DC偏移就是一個很好的例子，它同樣可以保證測試質(zhì)量。而且，采用該方法后，測試板的設(shè)計和測試程序都得到了極大簡化，因為此時無需向測試板上添加任何電路，也無需向測試程序中添加任何校準(zhǔn)程序。實際應(yīng)用也證明該方法可以在可接受的測試時間內(nèi)得到滿足要求的測試結(jié)果。