分立器件時間測量單元的研制

胡愛民

（北京自動測試技術(shù)研究所,北京,100088）

分立器件時間測量單元的研制

胡愛民

（北京自動測試技術(shù)研究所,北京,100088）

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

分立器件;時間參數(shù)測量;方波產(chǎn)生器;方波驅(qū)動;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)用于消費電子、計算機及外設(shè)、網(wǎng)絡(luò)通信，汽車電子、LED顯示屏等領(lǐng)域。目前，中國的半導(dǎo)體分立器件產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在國際市場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)市場發(fā)展雖然處于低迷時期，但前景依然美好。同時，軍工產(chǎn)品對分立器件的可靠性要求越來越高，提高檢測分立器件可靠性的技術(shù)手段，加強對分立器件質(zhì)量控制和管理，這樣對如何能夠方便快速對分立器件的時間參數(shù)測試提出了挑戰(zhàn)。

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

1 測試電路

分立器件的時間參數(shù)測試電路，主要包含以下三個部分：分立器件測試激勵源、分立器件響應(yīng)輸出處理電路、時間測量電路。

1.1分立器件激勵源

在分立器件時間測試過程中，需要對分立器件施加一個激勵源，一般此激勵源是一個不超過10kHz的方波信號。

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。相位累加器是整個波形產(chǎn)生器的核心，它由一個累加器和一個N位相位寄存器組成。每來一個時鐘脈沖，相位寄存器以步長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，同時輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，相位寄存器每經(jīng)過2N／M個fc時鐘周期后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)地波形查表經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置，DDS輸出一個波形。輸出波形的頻率為:

同時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1nS，通過運算放大器后，其輸出電壓幅度約為1V左右，因此運算放大器的后端又增加了放大驅(qū)動電路，此電壓通過處理后滿足分立器件激勵源的要求。

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，有的甚至可以達到20nS左右。為了滿足絕大部分的分立器件的需求，需要對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完全無損跟隨，同時滿足其驅(qū)動要求，因為一般測試設(shè)備需要測試的分立器件離測試單元比較遠，需要通過BNC的同軸線相連，這樣必須增加驅(qū)動跟隨電路，否則波形畸變，無法應(yīng)用于測試。

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

另外一個比較重要的電路是，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，具體的電路圖如圖4所示。

圖4 波形電壓比較電路

1.3時間測量電路

為了精確測量處理過后的波形的時間參數(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)字計數(shù)器，主要的原理是，例如測量方波高電平持續(xù)時間，在高電平來臨時計數(shù)器開始計數(shù)，在高電平結(jié)束時計數(shù)器停止計數(shù)，在此期間計數(shù)N次，記一次數(shù)持續(xù)時間是一個計數(shù)器時鐘Tclk，那么高電平持續(xù)時間就是t=Tclk*N，通過這種方式來測量時間，這種方法一般測量低頻電路；二是采用專門的時間間隔測量芯片，本文采用的是德國ACAM公司研發(fā)的時間測量芯片TDC-GP1，此芯片可提供兩通道250ps或單通道125ps分辨率的時間間隔測量，測量原理如圖5所示。START信號和STOP信號之間的時間間隔由非門的個數(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，通對數(shù)據(jù)總線的操作就可以讀出時間測量單元的測量時間，此芯片專門用來測量高頻電路時間參數(shù)。

圖5 TDC-GP1測量單元

圖3 波形處理分壓電路

2 測試系統(tǒng)驗證

實驗主要是在JC90測試系統(tǒng)上進行測試，該系統(tǒng)是基于PCI總線的分立器件測試系統(tǒng)，主要提供測試各類分立器件所需要的最基本的硬件資源。

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

3 結(jié)論

本文對分立器件的時間參數(shù)測量的電路進行了詳細的說明，并且最后與JC90分立測試儀器相結(jié)合，通過此儀器搭建的平臺可以快速準(zhǔn)確的測量分立器件的時間參數(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(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測試研究所，從事集成電路測試儀器研究。

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 國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科分類代碼：510.3010