微電子綜合實驗儀的設計

北方工業大學電子信息工程學院 萬世松 張曉波 熊恩毅 馬清呈 柳吉輝

微電子綜合實驗儀的設計

北方工業大學電子信息工程學院 萬世松 張曉波 熊恩毅 馬清呈 柳吉輝

本文以微處理器為核心，搭配儀表放大器、模擬開關、大功率運算放大器、高精度模數轉換器等外圍器件，設計了微電子綜合實驗儀。該儀器主要包括電流源、電壓源、電壓表、電流表、溫度測試單元等模塊，可以完成微電子專業相應的實驗內容，如電阻率測試、熱探針法測半導體類型、PN結溫度特性、電子器件伏安特性測試、線性穩壓器特性測試等。

伏安特性測試；參數測試單元；自動測試設備

0 引言

微電子學作為當代信息科學技術的關鍵基礎，微電子產業被謄為現代電子工業的心臟和高科技的原動力，是當今世界上最富有生命力、增長最為迅速的產業之一。在學習微電子專業知識過程中，實驗環節是必不可少的。

目前市場上的微電子專業相關儀器價格昂貴，功能單一，無法大批量采購用于學生實驗。本項目結合微電子專業的專業基礎課，將多個實驗項目進行整合，開發綜合實驗儀器。通過該儀器增強學生對相關各專業課程的理解，了解和掌握半導體、微電子的原理及應用技術，培養學生實驗觀察、測量，數據歸納、分析和處理等方面的能力。

本文研究以微處理器為核心，搭配相應的外圍模擬數字電路模塊，完成各種信號的產生及相應信號的采集，配合相應的測試夾具可以完成多個微電子基礎實驗。

圖1 微電子綜合實驗儀系統結構圖

1 微電子綜合實驗儀系統設計

微電子綜合實驗儀的系統結構如圖1所示，主要由以下幾個部分組成：微處理器、參數測試單元、模數轉換器(ADC)模塊、溫度測量與控制模塊、按鍵控制及顯示模塊。

微處理器完成整個系統的控制，根據按鍵功能的不同完成不同的動作，將AD采集的數據經運算在液晶顯示屏上顯示出來。

參數測試單元（Parametric Measurement Unit,PMU）是整個系統最重要的核心部分，由高精度的電流源、電壓源、電流表和電壓表組成。通過選擇不同的檔位生成穩定的測試電壓電流，并進行電壓電流的檢測。

AD模塊將采集的電壓電流模擬信號轉換為數字信號，送入微處理器進行運算處理顯示。

溫度測量和控制模塊利用溫度傳感器檢測溫度，并通過加熱裝置進行恒溫加熱控制。

其中微處理器及按鍵和顯示部分較為簡單，可以參考相關書籍或論文進行設計，在此不再贅述。而如何產生信號及信號采集處理尤為關鍵，是本項目研究的重點，下面對其進行詳細描述。

2 參數測試單元的基本工作原理

在自動測試設備(Automatic Test Equipment ，ATE)中，參數測試單元PMU是核心模塊，其完成的主要功能可分為下述幾項[1]：

FVMI：加載電壓/測量電流

FIMV：加載電流/測量電壓

FVMV：加載電壓/測量電壓

FIMI：加載電流/測量電流

上述幾種模式可以用同樣的電路結構來實現，通過開關切換不同的工作模式。圖2是PMU的等效框圖。

圖2 PMU等效框圖

DUT為待測元器件負載，U2、U3、U4組成差分放大器檢測采樣電阻Rsense上的電壓，即檢測電流。而U5組成的緩沖器檢測電壓。開關SW1決定是控制輸出電流還是輸出電壓。當開關SW1切換到FI側時，U1將檢測到的電流與設置電流(有VIN決定)比較，從而控制輸出電流的大小。當開關SW1切換到FV側時，U1將檢測到的電壓與設置電壓(有VIN決定)比較，從而控制輸出電壓的大小。MSR為輸出測試信號，由開關決定是測電壓還是測電流。如果開關SW2切換到MI側，則測試電流，SW2切換到MV測，則測試電壓。這樣，通過SW1和SW2的不同組合，就可實現上述的四種功能。

在電流驅動模式，VIN為控制電壓，假設U4組成的放大器增益為10，則輸出驅動電流

使用IOS引腳配置芯片，以支持單極性模數轉換器ADC (這時可以設置VIOS為ADC輸入范圍的中值)或雙極性ADC (這時可以設置VIOS為0V)。由此，可以針對其應用需求在較寬范圍選擇ADC。

在電壓驅動模式，DUT上的電壓經U5緩沖，由U1作用使其強制等于IN引腳電壓，因此：

RSENSE由多個電阻組成不同的電流檔位，用模擬開關和繼電器進行檔位選擇。

U6是大功率的運算放大器，組成單位增益緩沖器，用于輸出較大的驅動電流。

3 電路的具體實現

3.1 運算放大器的選擇

為了測試精度和穩定性，對于電路中的運算放大器，要求有較小的輸入失調電壓和輸入偏置電流。為了得到雙向電壓電流，要求運放正負雙電源供電。經過對各公司運放的對比，最終選擇了Analog Device公司的OP497運放，該運放是精密運放，皮安級輸入電流，四通道運算放大器，有如下優勢和特點：

● 低失調電壓：75 μV（最大值）

● 低失調電壓漂移：1.0 μV/°C（最大值）

● 極低偏置電流: 25°C: 150 pA（最大值）

● 極高開環增益：2000 V/mV（最小值）

● 電源電壓：±2 V至±20 V

● 高共模抑制：114 dB（最小值）

U2、U3、U4組成的差分電路也可以選用儀表放大器，如INA118、AD8422等，幾個運放和電阻集成到單個芯片中，有更好的匹配性，更小的失調，缺點是價格較貴。

常規運放輸出電流都偏小，為得到大的輸出電流，在大電流檔位，選擇大功率運放組成單位增益電路作為驅動。綜合考慮各項指標，選用了TI公司的OPA548。OPA548是高電壓、高電流、寬輸出電壓擺幅功率運算放大器，具有優良小信號放大性能，用其驅動多種負載非常理想。電源電壓(+VS～-VS)60V，可單電源或雙電源工作。輸入阻抗高，偏置電流小?？蛇B續輸出3A大電流，內部具有過溫和電流過載保護，用戶可以根據需要進行精密的限流設計[2]。

3.2 模數轉換器ADC的選擇

逐次逼近型ADC具有較高的有效位數，采樣速率也比較高，是測試系統模數轉換器比較理想的選擇。近年來Delta-Sigma ADC發展迅速，這種結構的ADC具有極高的有效位數，缺點是采樣速率較慢。但隨著集成電路工藝的進步，其采樣速率也逐漸提高，價格也越來越低，在測控系統中應用越來越廣泛。

本文的設計對ADC的有效位數要求較高，而不需要太高的采樣速率。所以可以選用Delta-Sigma ADC。

作為采樣ADC,要求其輸入電壓范圍應該較寬，如本設計中要求有-10V～+10V的信號輸入范圍，但此類ADC價格較貴?？紤]到易用性，可擴展性以及成本，本設計中選用了TI公司的AD1148作為信號采集ADC。

ADS1148具有16位的有效位數，采樣速率最高可達2kSPS,集成了八選一選擇器，可組成4組差分或7個單端信號采集系統，集成的可編程增益放大器(PGA)可設置從1V/V到128V/V，兩個精確匹配的可編程電流源（電流值從50μA到1500μA共7檔），集成了時鐘振蕩器和低溫漂的內部參考基準，SPI串行接口，單電源或雙電源供電[3]。

高的集成度使其應用電路非常簡潔靈活，特別是內部的可編程電流源，在溫度檢測中對提高精度有極大的作用。

在本文所設計的系統中，利用ADC1148的部分通道組成溫度測控系統，其他的的輸入作為參數測量單元的輸出信號采集。

圖3 三線制測溫系統基本原理

采用PT100作為測溫元件，與ADC1148組成的測溫系統原理如圖3所示。采用三線制測試方法，減小了測溫元件導線電阻的影響。IDAC1和IDAC2是AD1148內部精確匹配的電流源。由圖3可得到轉換完的數字碼Code如公式3所示。

由式4可知，兩個電流源可以抵消掉導線電阻RLEAD1和RLEAD2的影響。內部電流源的匹配精度±0.2%，如果想進一步提高溫度測試精度，在ADS1148內部有轉換開關可以對兩個電流源進行交換，取平均值即可極大提高測試精度。當然，也可以采用四線制測試，這樣測試精度只跟參考電阻RREF的精度有關。RREF采用低溫漂的精密電阻。還可以對增益和偏移進行精確校準，得到優于±0.1℃的測試精度。

3.3 微處理器系統設計

微處理器主要根據按鍵選擇不同功能，并驅動模擬開關或繼電器進行功能切換，從ADC采集數據，并送LCD進行數據顯示。另外根據測試溫度和設置溫度控制外部繼電器，使加熱裝置通斷電，保持恒溫狀態。整個系統對數據處理和運算速度的要求不高，一般的微處理器系統都能滿足要求。為了系統的擴展性，選擇了意法半導體公司的STM32F103RCT6，32位ARM Cortex-M3內核，包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN，在存儲容量和運算速度方面滿足要求。利用其USB接口可以編程實現虛擬串口，與計算機相連，在計算機上編程對儀器進行智能控制。

4 綜合實驗儀的應用

利用本儀器所提供的各種資源，進行有機組合，可以完成很多的微電子基礎實驗。

如圖4所示為四探針法測電阻率原理圖，將儀器設置為加電流測電壓模式(FIMV)，電流加在探針1、4之間，測試探針2、3間電壓，即可經計算得到半導體樣品的方塊電阻。

熱探針法測半導體導電類型實驗，將一根探針與PT100熱敏電阻用導線繞多圈捆綁在一起，用加電流測電壓模式在導線中通過恒定的電流，這樣探針就會被加熱，通過PT100測試并由微處理器控制加熱溫度，一般60℃即可。與另一根未經加熱的探針組成冷熱探針系統。將冷熱探針分別與半導體材料接觸，盡量靠近，這樣在冷熱探針間就會產生電壓差，該電壓差很小，提高電壓測試電路的增益，將冷熱探針的電壓差進行放大，根據探針測得的電壓正負即可判斷半導體摻雜類型。

圖4 四探針法測電阻率示意圖

電流電壓特性曲線測試是研究半導體器件特性的關鍵手段。例如將半導體二極管作為參數測量單元的負載，加恒定的電流，測試兩端電壓，得到多個不同電流值下的電壓，即為二極管的伏安特性曲線。可以利用這種方式對比不同種類的二極管，如整流二極管、肖特基管、發光二極管等，從而加深理論理解。

另外，結合溫度測控系統，可以完成不同溫度下伏安特性的測試，從而了解半導體溫度特性。

利用恒流源給LED供電，利用亮度傳感器或TCS3200顏色傳感器作為ADC輸入信號檢測亮度和顏色值，可以測得LED的光電特性。

利用多臺實驗儀組合，或一臺實驗儀中設計兩個參數測量單元，還可以完成更多的實驗項目。如在晶體三極管特性測試實驗中，一臺實驗儀給晶體管加恒定的基極電流，另一臺實驗儀給集電極加電壓同時測集電極電流，改變基極電流和集電極電壓，就可得到晶體管的輸出特性曲線[4]。在三端穩壓器芯片測試實驗中，一臺實驗儀作為輸入，加電壓測電流，另一臺實驗儀加在輸出端做負載，加電流測電壓，即可測得輸出電壓、負載調整率、電壓調整率、靜態電流、靜態電流調整率等多項參數。結合溫度測控系統還可測得輸出電壓溫度系數。

5 結論

參考集成電路自動測試設備(ATE)的基本結構，根據微電子學科教學實驗需求，本項目設計了綜合實驗儀。對實驗儀中的參數測量單元、信號采集和溫度測量系統進行了認真對比設計，整個系統結構清晰，組合能力強，經驗證可以完成多個微電子實驗項目的需求。在此基礎上還可以擴展，用FPGA完成正弦波、方波等各種信號源及數字邏輯控制，再配合射頻檢波探頭，即可完成交流信號有關的多個實驗項目，如晶體管頻率特性測量，放大器特性測量，半導體開關特性測量等。

[1]閻偉,高劍．IC測試系統中多通道參數測試單元的研發[J]．電子測試,2014．13:1-2,16．

[2]伊力哈木江·哈力木拉提,牛曉良,孫濤等．簡易LED光電特性測試裝置設計[J]．電子世界,2013,5:31-33．

[3]賈誠安,葉林,葛俊鋒,等．一種基于STM32和ADS1248的數字PID溫度控制系統[J]．傳感器與微系統,2015,34(11):103–105．

[4]顧漢玉,黎富華,劉慧琳．一種快速測量晶體管共射極直流放大倍數(HFE)的方法[J]．電子測試,2016．09:49-53．

注：本文受北京市大學生科學研究與創業行動計劃項目資助，特此致謝。