譚婕娟

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710089）

CMOS集成電路電流參數(shù)測試分析

譚婕娟

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710089）

基于在工作過程中遇到部分CMOS集成電路性能不穩(wěn)定等原因，通過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CMOS集成電路的輸入電流（Ii）、電源電流（Icc）對電路的整體性能影響較大，本文對輸入電流和電源電流的定義、測試原理、測試必要性、影響測試結(jié)果準(zhǔn)確性因素等幾個方面進(jìn)行了理論方面的敘述。最后采用54HC14集成電路進(jìn)行了實(shí)際測試試驗(yàn)，得出本文里所使用的電流測試方式是準(zhǔn)確可行的。

輸入電流；電源電流；CMOS集成電路；54HC14

在我們使用的大部分CMOS數(shù)字集成電路中，在開始使用時效果還可以，但隨著時間的發(fā)展系統(tǒng)或者整機(jī)的性能都會變差，不穩(wěn)定，而引起后續(xù)工作無法繼續(xù)進(jìn)行，結(jié)合工作多年的經(jīng)驗(yàn)，這些問題主要出自CMOS集成電路電流參數(shù)較差引起的。本文可以給科技人員進(jìn)行電路設(shè)計(jì)提供一定的幫助。

1 CMOS數(shù)字集成電路電流介紹

一般用輸入電流（Ii）、電源電流（Icc）表征CMOS集成電路的電流特性。

輸入電流 （Input Current）：也稱最大輸入電流（Maximin Input Current），是指輸入端在施加規(guī)定的高電平電壓Vih（或低電平電壓Vil）時，流入（或流出）器件的電流，常用參數(shù)符號Iih（Iil）表示。

電源電流（Supply Current）：也稱最大靜態(tài)電流（Maximin Quiescent Supply Current）和靜態(tài)器件電流（Quiescent Device Current），是指在輸入端施加規(guī)定的電平下，經(jīng)電源端流入器件的電流，常用參數(shù)符號Icc表示。

1.1 電流參數(shù)測試的必要性

CMOS電路質(zhì)量和工藝水平的最主要的靜態(tài)直流參數(shù)是輸入電流或電源電流，在生產(chǎn)過程中CMOS電路的各種缺陷也集中在這兩個參數(shù)上。熟悉掌握這兩個參數(shù)，有助于科研人員對電路的質(zhì)量、工藝水平進(jìn)行把握，做出適當(dāng)?shù)呐袛嗪驮O(shè)計(jì)。

使電路輸入電流增大的原因主要有：電路中MOS管（主要是輸入對管）的氧化層質(zhì)量，氧化層缺陷，氧化層中的重離子污染等。

使電源電流變大的原因是：內(nèi)部各MOS管的源漏極漏電，及器件內(nèi)的其他缺陷。不過器件內(nèi)的保護(hù)二極管的反向漏電流以及器件受到外部非正常應(yīng)力的沖擊也會同時影響輸入電流和電源電流。

隨著數(shù)字集成電路的用量不斷加大，市場上充斥著一些劣質(zhì)產(chǎn)品，在這些不好的器件中，CMOS電路的典型失效就是輸入電流和電源電流參數(shù)比較差。這些不合格的CMOS電路在大部分情況下并不能立即影響使用，但因?yàn)槠鋬?nèi)部存在的不足，會在以后的使用中或一些較嚴(yán)苛的環(huán)境下發(fā)生電路性能退化，甚至完全失控，對整機(jī)和系統(tǒng)的可靠性造成重大危害。所以，對于CMOS電路的輸入電流和電源電流嚴(yán)格、準(zhǔn)確的測試是十分必要的［1-2］。

1.2 電流參數(shù)測試原理

輸入電流測試原理如圖1、圖2所示。

圖1 輸入高電平Iih測試原理圖Fig.1 Input high level Iih test schematic diagram

圖2 輸入低電平Iil測試原理圖Fig.2 Input low level Iil test schematic diagram

電源電壓Vcc施加數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最大電壓值Vccmax，器件被測輸入端高電平電壓Vih（低電平電壓Vil）施加數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的高（低）電壓值，其余輸入端施加正常電壓，在被測輸入端測得高電平電流Iih（Iil）。

輸入電流測試原理如圖3所示。

圖3 電源電流Icc測試原理圖Fig.3 Power supply current Icc test schematic diagram

電源電壓Vcc施加數(shù)據(jù)手冊規(guī)定的最大電壓值Vccmax，輸入端施加正常電壓，在電源端測量電源電流Icc。

2 影響電流參數(shù)測試準(zhǔn)確性的原因

影響電流參數(shù)測試準(zhǔn)確性的原因主要有以下3點(diǎn)：

1）系統(tǒng)漏電

CMOS電路的輸入電流一般在nA量級，通常由精密測量單元（PMU）完成，電源電流一般在μA量級，通常由程控電源完成。

系統(tǒng)漏電，首先是指PMU和程控電源自身的漏電。其次，從電壓源到被測器件管腳之間通常還要經(jīng)過連接電纜、繼電器矩陣、測試適配器插座、適配器印刷板、測試插座等路徑。這些路徑所選用的器件和材料都會對漏電有影響，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，PMU和程控電源自身、電壓源與被測器件管腳路徑中所發(fā)生的漏電必須在nA量級以下。

檢查系統(tǒng)漏電的方法是在整個測試系統(tǒng)上，不插入被測器件，進(jìn)行空測。即可從Iih、Iil數(shù)值上看出測試輸入電流時系統(tǒng)漏電的大小，從Icc數(shù)值上讀出測試電源電流時系統(tǒng)漏電的大小。如果多次重復(fù)測試，還可以評價出系統(tǒng)漏電的穩(wěn)定性。

有時溫度和濕度也影響著系統(tǒng)的漏電，在高溫高濕等環(huán)境條件下，系統(tǒng)漏電會增加明顯，測試系統(tǒng)應(yīng)該保證在規(guī)定的環(huán)境條件下進(jìn)行測試。

2）各類干擾

在測試系統(tǒng)中，電流測量的部件（如PMU和程控電源）一般都有很高的直流輸出阻抗，因此各種干擾（如電子元器件自身產(chǎn)生的噪音）極易影響微弱電流的測量。

50 Hz市電的工頻干擾一方面可通過電源系統(tǒng)影響漏電的測量，另一方面可直接進(jìn)入處于高抗的電纜和連線，從而引起電流參數(shù)不穩(wěn)定對測試準(zhǔn)確性也有影響。

3）輸出管腳關(guān)斷特性

測試系統(tǒng)輸出管腳關(guān)斷特性對電源電流Icc有很大影響。測試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：。因?yàn)楸粶y器件的輸出管腳不能開路或完全開路，就會在被測器件的輸出管腳引起輸出端電流，所以在測試電源電流參數(shù)時，器件的輸出管腳應(yīng)開路，特別是當(dāng)被測器件的輸出端為高電平時，這一輸出端電流會導(dǎo)致電源電流偏大。

檢查輸出管腳關(guān)斷特性對電源電流影響的方法比較簡單：在整個測試系統(tǒng)上，插入被測器件，將被測器件的輸出管腳從測試適配板上拔出，其余管腳保持正常，進(jìn)行測試。即可從Icc數(shù)值上看出輸出管腳關(guān)斷特性對電源電流Icc的影響。如進(jìn)行多次重復(fù)測試，可以評測這種干擾的穩(wěn)定性［3-5］。

3 實(shí)驗(yàn)測試

測試采用STS6100數(shù)字集成電路測試系統(tǒng)，STS6100測試精度較高，而且在測試電源電流參數(shù)時，能夠在硬件上保證輸出管腳開路，降低輸出管腳關(guān)斷特性對電源電流的影響，提高測試結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.1 54HC14簡介

54HC14是采用CMOS工藝生產(chǎn)的六施密特觸發(fā)反相器電路，具有標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路靜態(tài)功耗低、噪聲容限高的特點(diǎn)。且其全部輸入均有內(nèi)部保護(hù)二極管，以免靜電損傷。

54HC14電路由6個完全相同的施密特觸發(fā)反相器組成，A為輸入端，Y為輸出，Vcc接電源，GND接地。

3.2 測試程序開發(fā)

一般數(shù)字電路測試程序的開發(fā)流程如圖6所示［6］。

在編寫電流參數(shù)的測試程序時，應(yīng)注意一下幾點(diǎn):

1）正確定義管腳類型，輸入、輸出、輸入/輸出；

2）真值表編寫準(zhǔn)確，測量Iih時，電路應(yīng)工作在輸入全為低的狀態(tài)，測量Iil時，電路應(yīng)該工作在輸入全為高的狀態(tài)；

圖4 54HC14電路邏輯圖Fig.4 54HC14 circuit logic diagram

圖5 54HC14電路封裝圖Fig.5 54HC14 circuit package diagram

圖6 測試程序開發(fā)流程簡圖Fig.6 Test program development process diagram

3）時鐘頻率不能超過器件極限頻率，時序邏輯設(shè)置清晰明確，驅(qū)動波形選擇合理；

4）電流參數(shù)測量時，測量延時應(yīng)該加大，以消除繼電器切換時的電流尖峰，避免誤測，但測量延時加大會引起測試時間的極大增加，嚴(yán)重影響測試效率，一般折中考慮測量延時設(shè)置為100～200 ms；

5）電源電流參數(shù)測量時，為避免輸出管腳關(guān)斷特性的影響，理想狀態(tài)是將輸出管腳從連接適配器后撥出，但這種理想狀態(tài)無法在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)，實(shí)際測量時將器件輸出管腳停留在全低狀態(tài)，以最大可能減小輸出管腳關(guān)斷特性影響。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

空測為不插器件進(jìn)行測量，測試結(jié)果為系統(tǒng)漏電，實(shí)測為插上器件進(jìn)行測量，測試結(jié)果包含系統(tǒng)漏電和輸入電流（電源電流）兩部分，實(shí)際計(jì)算為實(shí)測數(shù)據(jù)減去空測數(shù)據(jù)，表示輸入電流（電源電流）。從測試數(shù)據(jù)中可以看出:

1）空測時，測量得到的 lil、lih、lcc只有幾 nA，表明STS6100測試以及測試程序運(yùn)行較好，系統(tǒng)漏電很小；

表1 Iil、Iih測試結(jié)果Tab.1 Iil、Iih test results

表2 Icc測試結(jié)果Tab.2 Icc test results

2）實(shí)際計(jì)算得出的lil、lih在1 nA左右，符合54HC14數(shù)據(jù)手冊典型值；

3）實(shí)際計(jì)算得出的Icc在10 nA左右，整個電路功耗很小，這是由于在編程時將測量延時設(shè)置較大，此時測量結(jié)果為穩(wěn)態(tài)電流，符合CMOS電路靜態(tài)功耗低的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

本文介紹了數(shù)字電路電流參數(shù)的定義，測試原理以及電流參數(shù)所能反映的質(zhì)量工藝水平，并分析了準(zhǔn)確測試電流參數(shù)需要克服的幾個干擾因素。在理論分析基礎(chǔ)上，利用STS6100測試系統(tǒng)對54HC14電路進(jìn)行了實(shí)際測試，并給出了編寫測試程序的步驟和注意事項(xiàng)，已達(dá)到準(zhǔn)確測試。本文理論分析嚴(yán)密有序，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確可靠，并與理論分析相符合。

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［5］Moore，s.Cheap chips for next wireless frontier［J］.IEEE Spectrum，2006:22-24

［6］谷健，田延軍，史文，等.集成電路測試技術(shù)與應(yīng)用［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2002（1）:61-65.

CMOS integrated circuit current parameter analysis

TAN Jie-juan
（Electronic Engineering School，Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an 710089，China）

The part of CMOS integrated circuit performance is not stable in the working process.So it found the CMOS integrated circuit of input current（Ii），the power supply current（Icc）impact on the performance of the overall circuit through many experiments.In this paper，it has carried on the theoretical aspects of the narrative that the input current and electric current，testing principle，testing the necessity，the definition of factors influencing the accuracy of test results and so on.54HC14 is used for the actual test experiment.It is concluded that the method of the current test in this article use is accurate and feasible.

input current；power current；CMOS integrated circuits；54HC14

TN430.7

A

1674－6236（2016）04-0064-03

2015-03-18 稿件編號：201503230

譚婕娟（1977—），女，山西吉縣人，碩士，副教授。研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。