北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 萬世松 張曉波 熊恩毅 馬清呈 柳吉輝

微電子綜合實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)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(guān)、大功率運(yùn)算放大器、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器等外圍器件，設(shè)計(jì)了微電子綜合實(shí)驗(yàn)儀。該儀器主要包括電流源、電壓源、電壓表、電流表、溫度測(cè)試單元等模塊，可以完成微電子專業(yè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如電阻率測(cè)試、熱探針法測(cè)半導(dǎo)體類型、PN結(jié)溫度特性、電子器件伏安特性測(cè)試、線性穩(wěn)壓器特性測(cè)試等。

伏安特性測(cè)試；參數(shù)測(cè)試單元；自動(dòng)測(cè)試設(shè)備

0 引言

微電子學(xué)作為當(dāng)代信息科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，微電子產(chǎn)業(yè)被謄為現(xiàn)代電子工業(yè)的心臟和高科技的原動(dòng)力，是當(dāng)今世界上最富有生命力、增長(zhǎng)最為迅速的產(chǎn)業(yè)之一。在學(xué)習(xí)微電子專業(yè)知識(shí)過程中，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)是必不可少的。

目前市場(chǎng)上的微電子專業(yè)相關(guān)儀器價(jià)格昂貴，功能單一，無法大批量采購用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。本項(xiàng)目結(jié)合微電子專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，將多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行整合，開發(fā)綜合實(shí)驗(yàn)儀器。通過該儀器增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)各專業(yè)課程的理解，了解和掌握半導(dǎo)體、微電子的原理及應(yīng)用技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察、測(cè)量，數(shù)據(jù)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(yīng)的外圍模擬數(shù)字電路模塊，完成各種信號(hào)的產(chǎn)生及相應(yīng)信號(hào)的采集，配合相應(yīng)的測(cè)試夾具可以完成多個(gè)微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

圖1 微電子綜合實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 微電子綜合實(shí)驗(yàn)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微電子綜合實(shí)驗(yàn)儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由以下幾個(gè)部分組成：微處理器、參數(shù)測(cè)試單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)模塊、溫度測(cè)量與控制模塊、按鍵控制及顯示模塊。

微處理器完成整個(gè)系統(tǒng)的控制，根據(jù)按鍵功能的不同完成不同的動(dòng)作，將AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算在液晶顯示屏上顯示出來。

參數(shù)測(cè)試單元（Parametric Measurement Unit,PMU）是整個(gè)系統(tǒng)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(wěn)定的測(cè)試電壓電流，并進(jìn)行電壓電流的檢測(cè)。

AD模塊將采集的電壓電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入微處理器進(jìn)行運(yùn)算處理顯示。

溫度測(cè)量和控制模塊利用溫度傳感器檢測(cè)溫度，并通過加熱裝置進(jìn)行恒溫加熱控制。

其中微處理器及按鍵和顯示部分較為簡(jiǎn)單，可以參考相關(guān)書籍或論文進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此不再贅述。而如何產(chǎn)生信號(hào)及信號(hào)采集處理尤為關(guān)鍵，是本項(xiàng)目研究的重點(diǎn)，下面對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。

2 參數(shù)測(cè)試單元的基本工作原理

在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(Automatic Test Equipment ，ATE)中，參數(shù)測(cè)試單元PMU是核心模塊，其完成的主要功能可分為下述幾項(xiàng)[1]：

FVMI：加載電壓/測(cè)量電流

FIMV：加載電流/測(cè)量電壓

FVMV：加載電壓/測(cè)量電壓

FIMI：加載電流/測(cè)量電流

上述幾種模式可以用同樣的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，通過開關(guān)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(cè)元器件負(fù)載，U2、U3、U4組成差分放大器檢測(cè)采樣電阻Rsense上的電壓，即檢測(cè)電流。而U5組成的緩沖器檢測(cè)電壓。開關(guān)SW1決定是控制輸出電流還是輸出電壓。當(dāng)開關(guān)SW1切換到FI側(cè)時(shí)，U1將檢測(cè)到的電流與設(shè)置電流(有VIN決定)比較，從而控制輸出電流的大小。當(dāng)開關(guān)SW1切換到FV側(cè)時(shí)，U1將檢測(cè)到的電壓與設(shè)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(cè)試信號(hào)，由開關(guān)決定是測(cè)電壓還是測(cè)電流。如果開關(guān)SW2切換到MI側(cè)，則測(cè)試電流，SW2切換到MV測(cè)，則測(cè)試電壓。這樣，通過SW1和SW2的不同組合，就可實(shí)現(xiàn)上述的四種功能。

在電流驅(qū)動(dòng)模式，VIN為控制電壓，假設(shè)U4組成的放大器增益為10，則輸出驅(qū)動(dòng)電流

使用IOS引腳配置芯片，以支持單極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC (這時(shí)可以設(shè)置VIOS為ADC輸入范圍的中值)或雙極性ADC (這時(shí)可以設(shè)置VIOS為0V)。由此，可以針對(duì)其應(yīng)用需求在較寬范圍選擇ADC。

在電壓驅(qū)動(dòng)模式，DUT上的電壓經(jīng)U5緩沖，由U1作用使其強(qiáng)制等于IN引腳電壓，因此：

RSENSE由多個(gè)電阻組成不同的電流檔位，用模擬開關(guān)和繼電器進(jìn)行檔位選擇。

U6是大功率的運(yùn)算放大器，組成單位增益緩沖器，用于輸出較大的驅(qū)動(dòng)電流。

3 電路的具體實(shí)現(xiàn)

3.1 運(yùn)算放大器的選擇

為了測(cè)試精度和穩(wěn)定性，對(duì)于電路中的運(yùn)算放大器，要求有較小的輸入失調(diào)電壓和輸入偏置電流。為了得到雙向電壓電流，要求運(yùn)放正負(fù)雙電源供電。經(jīng)過對(duì)各公司運(yùn)放的對(duì)比，最終選擇了Analog Device公司的OP497運(yùn)放，該運(yùn)放是精密運(yùn)放，皮安級(jí)輸入電流，四通道運(yùn)算放大器，有如下優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)：

● 低失調(diào)電壓：75 μV（最大值）

● 低失調(diào)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(huán)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(gè)運(yùn)放和電阻集成到單個(gè)芯片中，有更好的匹配性，更小的失調(diào)，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴。

常規(guī)運(yùn)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(yùn)放組成單位增益電路作為驅(qū)動(dòng)。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，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(yùn)算放大器，具有優(yōu)良小信號(hào)放大性能，用其驅(qū)動(dòng)多種負(fù)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(xù)輸出3A大電流，內(nèi)部具有過溫和電流過載保護(hù)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行精密的限流設(shè)計(jì)[2]。

3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的選擇

逐次逼近型ADC具有較高的有效位數(shù)，采樣速率也比較高，是測(cè)試系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器比較理想的選擇。近年來Delta-Sigma ADC發(fā)展迅速，這種結(jié)構(gòu)的ADC具有極高的有效位數(shù)，缺點(diǎn)是采樣速率較慢。但隨著集成電路工藝的進(jìn)步，其采樣速率也逐漸提高，價(jià)格也越來越低，在測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。

本文的設(shè)計(jì)對(duì)ADC的有效位數(shù)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(yīng)該較寬，如本設(shè)計(jì)中要求有-10V～+10V的信號(hào)輸入范圍，但此類ADC價(jià)格較貴?？紤]到易用性，可擴(kuò)展性以及成本，本設(shè)計(jì)中選用了TI公司的AD1148作為信號(hào)采集ADC。

ADS1148具有16位的有效位數(shù)，采樣速率最高可達(dá)2kSPS,集成了八選一選擇器，可組成4組差分或7個(gè)單端信號(hào)采集系統(tǒng)，集成的可編程增益放大器(PGA)可設(shè)置從1V/V到128V/V，兩個(gè)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(shí)鐘振蕩器和低溫漂的內(nèi)部參考基準(zhǔn)，SPI串行接口，單電源或雙電源供電[3]。

高的集成度使其應(yīng)用電路非常簡(jiǎn)潔靈活，特別是內(nèi)部的可編程電流源，在溫度檢測(cè)中對(duì)提高精度有極大的作用。

在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，利用ADC1148的部分通道組成溫度測(cè)控系統(tǒng)，其他的的輸入作為參數(shù)測(cè)量單元的輸出信號(hào)采集。

圖3 三線制測(cè)溫系統(tǒng)基本原理

采用PT100作為測(cè)溫元件，與ADC1148組成的測(cè)溫系統(tǒng)原理如圖3所示。采用三線制測(cè)試方法，減小了測(cè)溫元件導(dǎo)線電阻的影響。IDAC1和IDAC2是AD1148內(nèi)部精確匹配的電流源。由圖3可得到轉(zhuǎn)換完的數(shù)字碼Code如公式3所示。

由式4可知，兩個(gè)電流源可以抵消掉導(dǎo)線電阻RLEAD1和RLEAD2的影響。內(nèi)部電流源的匹配精度±0.2%，如果想進(jìn)一步提高溫度測(cè)試精度，在ADS1148內(nèi)部有轉(zhuǎn)換開關(guān)可以對(duì)兩個(gè)電流源進(jìn)行交換，取平均值即可極大提高測(cè)試精度。當(dāng)然，也可以采用四線制測(cè)試，這樣測(cè)試精度只跟參考電阻RREF的精度有關(guān)。RREF采用低溫漂的精密電阻。還可以對(duì)增益和偏移進(jìn)行精確校準(zhǔn)，得到優(yōu)于±0.1℃的測(cè)試精度。

3.3 微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微處理器主要根據(jù)按鍵選擇不同功能，并驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)或繼電器進(jìn)行功能切換，從ADC采集數(shù)據(jù)，并送LCD進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。另外根據(jù)測(cè)試溫度和設(shè)置溫度控制外部繼電器，使加熱裝置通斷電，保持恒溫狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算速度的要求不高，一般的微處理器系統(tǒng)都能滿足要求。為了系統(tǒng)的擴(kuò)展性，選擇了意法半導(dǎo)體公司的STM32F103RCT6，32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN，在存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度方面滿足要求。利用其USB接口可以編程實(shí)現(xiàn)虛擬串口，與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上編程對(duì)儀器進(jìn)行智能控制。

4 綜合實(shí)驗(yàn)儀的應(yīng)用

利用本儀器所提供的各種資源，進(jìn)行有機(jī)組合，可以完成很多的微電子基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

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

熱探針法測(cè)半導(dǎo)體導(dǎo)電類型實(shí)驗(yàn)，將一根探針與PT100熱敏電阻用導(dǎo)線繞多圈捆綁在一起，用加電流測(cè)電壓模式在導(dǎo)線中通過恒定的電流，這樣探針就會(huì)被加熱，通過PT100測(cè)試并由微處理器控制加熱溫度，一般60℃即可。與另一根未經(jīng)加熱的探針組成冷熱探針系統(tǒng)。將冷熱探針分別與半導(dǎo)體材料接觸，盡量靠近，這樣在冷熱探針間就會(huì)產(chǎn)生電壓差，該電壓差很小，提高電壓測(cè)試電路的增益，將冷熱探針的電壓差進(jìn)行放大，根據(jù)探針測(cè)得的電壓正負(fù)即可判斷半導(dǎo)體摻雜類型。

圖4 四探針法測(cè)電阻率示意圖

電流電壓特性曲線測(cè)試是研究半導(dǎo)體器件特性的關(guān)鍵手段。例如將半導(dǎo)體二極管作為參數(shù)測(cè)量單元的負(fù)載，加恒定的電流，測(cè)試兩端電壓，得到多個(gè)不同電流值下的電壓，即為二極管的伏安特性曲線?？梢岳眠@種方式對(duì)比不同種類的二極管，如整流二極管、肖特基管、發(fā)光二極管等，從而加深理論理解。

另外，結(jié)合溫度測(cè)控系統(tǒng)，可以完成不同溫度下伏安特性的測(cè)試，從而了解半導(dǎo)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(hào)檢測(cè)亮度和顏色值，可以測(cè)得LED的光電特性。

利用多臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀組合，或一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀中設(shè)計(jì)兩個(gè)參數(shù)測(cè)量單元，還可以完成更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如在晶體三極管特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀給晶體管加恒定的基極電流，另一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀給集電極加電壓同時(shí)測(cè)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(wěn)壓器芯片測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀作為輸入，加電壓測(cè)電流，另一臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀加在輸出端做負(fù)載，加電流測(cè)電壓，即可測(cè)得輸出電壓、負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率、靜態(tài)電流、靜態(tài)電流調(diào)整率等多項(xiàng)參數(shù)。結(jié)合溫度測(cè)控系統(tǒng)還可測(cè)得輸出電壓溫度系數(shù)。

5 結(jié)論

參考集成電路自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)微電子學(xué)科教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了綜合實(shí)驗(yàn)儀。對(duì)實(shí)驗(yàn)儀中的參數(shù)測(cè)量單元、信號(hào)采集和溫度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了認(rèn)真對(duì)比設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，組合能力強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)證可以完成多個(gè)微電子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求。在此基礎(chǔ)上還可以擴(kuò)展，用FPGA完成正弦波、方波等各種信號(hào)源及數(shù)字邏輯控制，再配合射頻檢波探頭，即可完成交流信號(hào)有關(guān)的多個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，如晶體管頻率特性測(cè)量，放大器特性測(cè)量，半導(dǎo)體開關(guān)特性測(cè)量等。

[1]閻偉,高劍．IC測(cè)試系統(tǒng)中多通道參數(shù)測(cè)試單元的研發(fā)[J]．電子測(cè)試,2014．13:1-2,16．

[2]伊力哈木江·哈力木拉提,牛曉良,孫濤等．簡(jiǎn)易LED光電特性測(cè)試裝置設(shè)計(jì)[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(shù)字PID溫度控制系統(tǒng)[J]．傳感器與微系統(tǒng),2015,34(11):103–105．

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

注：本文受北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目資助，特此致謝。