李偉博， 高賀惟， 張志明， 李珈毅， 余有靈， 吳 堅(jiān)

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海200092）

0 引 言

集成電路是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，也是尖端制造產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。高校集成電路及相關(guān)的電子信息專業(yè)的人才培養(yǎng)模式滯后于行業(yè)發(fā)展，簡(jiǎn)單驗(yàn)證型的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)教學(xué)實(shí)踐已不適應(yīng)學(xué)生工程實(shí)踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新思維開(kāi)拓的新要求。需要根據(jù)學(xué)科發(fā)展和知識(shí)更新的要求，對(duì)原有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進(jìn)行改革［1-3］，提高理論和實(shí)踐能力兼?zhèn)涞膹?fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

作為電子電路中常用的基礎(chǔ)單元器件，集成運(yùn)放在小信號(hào)放大、信號(hào)運(yùn)算與處理、波形發(fā)生和轉(zhuǎn)換、功率電源等方面有十分廣泛的應(yīng)用，是課程教學(xué)內(nèi)容中的重點(diǎn)和難點(diǎn)［4］，在專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)中也是一種常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象［5-7］。在集成運(yùn)放綜合指標(biāo)參數(shù)的教學(xué)實(shí)踐中，基于與工業(yè)應(yīng)用相銜接的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，改進(jìn)和擴(kuò)展創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，理論分析和動(dòng)手實(shí)踐并重，學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試和測(cè)量等的實(shí)踐過(guò)程中獲得鍛煉和提高。

1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)簡(jiǎn)述

芯片測(cè)試工作已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)中的一項(xiàng)重要工作，上世紀(jì)80年代開(kāi)始我國(guó)多次頒布過(guò)半導(dǎo)體集成電路運(yùn)算（電壓）放大器測(cè)試方法的國(guó)標(biāo)，至2017年最新的國(guó)軍標(biāo)發(fā)布［8］，規(guī)定對(duì)運(yùn)算放大器的測(cè)試采用輔助放大器的方式進(jìn)行，這也是國(guó)際通用的測(cè)試方法。測(cè)試需要的技術(shù)要求較高，國(guó)內(nèi)外先后提出了多種不同的集成運(yùn)放自動(dòng)測(cè)試方案［9-13］，但其通用性和可擴(kuò)展性有限，同時(shí)限于性能和成本原因，不利于在教學(xué)中推廣。大部分集成運(yùn)放測(cè)試方案中，只涉及到直流參數(shù)的測(cè)試，交流指標(biāo)則較少涉及。

集成運(yùn)放的測(cè)試指標(biāo)包括30多個(gè)參數(shù)［8，13-15］。實(shí)驗(yàn)選取其中最常用的5個(gè)直流指標(biāo)和2個(gè)交流指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，如圖1（a）所示，分別為輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、共模抑制比和開(kāi)環(huán)電壓增益以及輸出電壓轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求按照相關(guān)測(cè)試規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用輔助運(yùn)放測(cè)試法，設(shè)計(jì)并應(yīng)用測(cè)試電路對(duì)集成運(yùn)放進(jìn)行綜合指標(biāo)參數(shù)測(cè)試，測(cè)試流程如圖1（b）所示。實(shí)驗(yàn)中使用Multisim軟件［16］設(shè)計(jì)測(cè)試電路并進(jìn)行仿真和分析；仿真通過(guò)后分別進(jìn)行實(shí)體電路設(shè)計(jì)和測(cè)試軟件設(shè)計(jì)，其中測(cè)試軟件基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言［17］編寫，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示及分析，電路板用Ultiboard軟件［16］進(jìn)行設(shè)計(jì)或直接搭建，預(yù)留和測(cè)試平臺(tái)相匹配的芯片插座及電氣接口；激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)試數(shù)據(jù)采集、數(shù)字量控制等實(shí)驗(yàn)功能則在NI

圖1 集成運(yùn)放交直流參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

ELVIS III教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行［18］，配合前述開(kāi)發(fā)的軟件和硬件，完成集成運(yùn)放的交直流參數(shù)一體化自動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象電路設(shè)計(jì)

2.1 直流參數(shù)測(cè)試

運(yùn)放的直流參數(shù)是指對(duì)運(yùn)放處理直流信號(hào)時(shí)對(duì)其性能有所影響的參數(shù)，直流參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量有助于在運(yùn)放實(shí)際工作時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。輔助運(yùn)放實(shí)驗(yàn)選型為OPA2335，輸入失調(diào)電壓低至30 μV，輸入偏置電流低至70 pA，輸入失調(diào)電流低至120 pA，開(kāi)環(huán)增益高達(dá)123 dB，滿足低失調(diào)電壓和低偏置電流的要求，同時(shí)開(kāi)環(huán)增益和動(dòng)態(tài)范圍足夠大。以O(shè)PA2335為核心，在Multisim軟件中設(shè)計(jì)直流參數(shù)綜合測(cè)試電路，如圖2所示。圖中開(kāi)關(guān)陣列S1～S8狀態(tài)用一個(gè)8 bit二進(jìn)制數(shù)表示，S1為最高位，S8是最低位，狀態(tài)為“1”時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，“0”則斷開(kāi)，通過(guò)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換變化為對(duì)應(yīng)特定參數(shù)的測(cè)量電路，見(jiàn)表1。20 pF電容C1用于超前補(bǔ)償以防止電路的振蕩，參數(shù)可根據(jù)實(shí)際電路調(diào)整。

圖2 直流參數(shù)測(cè)試電路原理圖

表1 參數(shù)測(cè)試電路所對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)陣列S1～S8狀態(tài)列表

2.2 交流參數(shù)測(cè)試

運(yùn)放的交流參數(shù)是指當(dāng)運(yùn)放輸入端為交流信號(hào)時(shí)，會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生較大影響的參數(shù)，主要包括電壓轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積，單位增益帶寬等。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)可不使用輔助運(yùn)放，只需要形成反饋回路即可工作，在Multisim軟件中設(shè)計(jì)的交流測(cè)試電路原理如圖3所示。

圖3 交流參數(shù)測(cè)試電路原理圖

2.3 集成運(yùn)放測(cè)試接口電路板

為使測(cè)試過(guò)程具有更高的穩(wěn)定性和靈活性，將經(jīng)過(guò)電路仿真軟件Multisim虛擬仿真驗(yàn)證后的測(cè)試電路安裝到同一塊PCB板上，讓整個(gè)測(cè)試方案的硬件部分更加整潔美觀、易于操作，再與工程教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)ELVIS III整合連接。從Multisim電路設(shè)計(jì)原理圖可無(wú)縫轉(zhuǎn)換到PCB設(shè)計(jì)軟件Ultiboard中完成制板布局設(shè)計(jì)工作，功能電路板上放置芯片座，便于測(cè)試不同型號(hào)運(yùn)放時(shí)更換芯片。實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同型號(hào)運(yùn)放的所需要的反饋電阻阻值也不一樣，為增強(qiáng)參數(shù)測(cè)試的通用性，最終選擇精密變阻器作為反饋電阻。此外考慮到芯片封裝形式和管腳排列定義的不同，加入對(duì)應(yīng)不同類型運(yùn)放的（信號(hào)繼電器）測(cè)試開(kāi)關(guān)，程控切換到對(duì)應(yīng)的測(cè)試電路。

3 基于虛擬儀器技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)試

3.1 虛擬儀器技術(shù)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式需要配置多臺(tái)專業(yè)測(cè)試儀器，通常情況下需要實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)操作人工讀數(shù)，使用煩瑣且容易失誤，另外儀器的多樣性和專用性也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行和維護(hù)成本大幅增加。虛擬儀器［17］以個(gè)人計(jì)算機(jī)PC技術(shù)為基礎(chǔ)，在模塊化硬件的基礎(chǔ)上，使用靈活高效的軟件創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，以軟件定義硬件功能，復(fù)用集成的軟硬件平臺(tái)，性能和擴(kuò)展性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)效率高。軟硬件結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)可進(jìn)一步培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

3.2 ELVIS III實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)中使用工程實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器套件ELVIS III，其專為項(xiàng)目式學(xué)習(xí)而開(kāi)發(fā)，為實(shí)驗(yàn)室、工作室和翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)造一個(gè)主動(dòng)的工程學(xué)習(xí)環(huán)境［18］。套件采用多合一儀器集成方式，包括波特圖儀、函數(shù)發(fā)生器、示波器、數(shù)字萬(wàn)用表等工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的儀器功能模塊，可提供集成運(yùn)放指標(biāo)測(cè)量實(shí)驗(yàn)所需的雙路正負(fù)程控直流電源，電壓／電流測(cè)量，數(shù)字量開(kāi)關(guān)控制等功能。ELVIS III的工業(yè)級(jí)性能技術(shù)指標(biāo)為實(shí)驗(yàn)提供高準(zhǔn)確度測(cè)量能力。學(xué)生可以通過(guò)上位機(jī)LabVIEW編程實(shí)時(shí)精確控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、嵌入自定義數(shù)據(jù)處理算法并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行在線分析。

3.3 LabVIEW自動(dòng)化測(cè)試編程

LabVIEW使用圖形化語(yǔ)言編寫自動(dòng)測(cè)試程序，其前面板對(duì)應(yīng)GUI用戶操作界面端，后面板對(duì)應(yīng)程序后臺(tái)源代碼。根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)生使用LabVIEW通過(guò)調(diào)用內(nèi)嵌的功能模塊軟件，編程控制ELVIS III平臺(tái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)放測(cè)試功能電路板，實(shí)時(shí)采集測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行各種分析與處理，快速實(shí)現(xiàn)常規(guī)測(cè)試功能和輔助功能。

以輸入失調(diào)電壓的測(cè)量程序的編寫和調(diào)試為例，編程時(shí)首先適配ELVIS硬件平臺(tái)和IC測(cè)試電路板，設(shè)置好相應(yīng)的子VI驅(qū)動(dòng)接口參數(shù)和工作模式。測(cè)試流程中主要用到Analog Input和Digital Output兩類Express VI，前者用來(lái)采集測(cè)試電路中輔助運(yùn)放的輸出電壓信號(hào)，后者輸出開(kāi)關(guān)量控制開(kāi)關(guān)陣列自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)指標(biāo)的測(cè)試工作狀態(tài)，并在測(cè)試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算。測(cè)試分為全參數(shù)自動(dòng)測(cè)量和單參數(shù)自動(dòng)測(cè)量這兩種模式，圖4（a）為所編寫的實(shí)驗(yàn)測(cè)試GUI人機(jī)操作界面，連接好硬件后，其測(cè)試操作步驟為：首先設(shè)置工作模式，在指標(biāo)選擇輸入框中輸入／選擇待測(cè)指標(biāo)如“ALL”（全參數(shù)自動(dòng)測(cè)試模式），即可按照預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)流程自動(dòng)切換進(jìn)行測(cè)試，并在左側(cè)部分顯示測(cè)試結(jié)果參數(shù)；選擇其他指標(biāo)即可即時(shí)自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)指標(biāo)的測(cè)試流程并顯示最后的測(cè)試結(jié)果，無(wú)需煩瑣的關(guān)斷操作來(lái)選擇模式。圖4（b）以圖形化編程方式清晰描述了單參數(shù)測(cè)試模式下輸入失調(diào)電壓的測(cè)量程序核心源代碼，其程序整體架構(gòu)主要使用while-loop循環(huán)結(jié)構(gòu)和Case條件結(jié)構(gòu)。

圖4 典型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的LabVIEW編程

4 仿真效果和實(shí)測(cè)分析

25℃室溫環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選擇3種常用的通用運(yùn)放芯片（LM324、LM358、LM741）逐一進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)（見(jiàn)表2）。查詢芯片手冊(cè)，獲取其典型直流和交流參數(shù)的指標(biāo)值。

4.1 Multisim電路仿真

在Multisim中搭建直流參數(shù)測(cè)試電路（見(jiàn)圖2）和交流參數(shù)測(cè)試電路（見(jiàn)圖3），待測(cè)芯片分別設(shè)置為L(zhǎng)M324、LM358、LM741 3種不同型號(hào)的通用運(yùn)放，電路仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

4.2 硬件電路實(shí)測(cè)

實(shí)驗(yàn)中按照電路原理圖畫出PCB版圖后，制作出實(shí)際的運(yùn)放測(cè)試電路板。為測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案的有效性，實(shí)驗(yàn)中分別使用傳統(tǒng)儀器（人工判讀計(jì)算）和ELVIS III＋計(jì)算機(jī)（自動(dòng)讀取計(jì)算）的方式進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，并和手冊(cè)指標(biāo)及仿真結(jié)果做對(duì)比驗(yàn)證。

使用常規(guī)儀器的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5所示，所使用儀器包括OWON P3033多路可調(diào)直流電源（1路供電電源＋1路參考電壓源）、FeelElec FY6800雙通道信號(hào)發(fā)生器、OWON EDS102CV雙通道數(shù)字示波器、OWON NDM3051 5位半臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表。

圖5 使用常規(guī)儀器實(shí)測(cè)運(yùn)放參數(shù)

使用ELVIS III平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)則簡(jiǎn)單的多，如圖6所示，無(wú)需外部測(cè)量?jī)x器，運(yùn)放測(cè)試電路板置于ELVIS測(cè)試平臺(tái)面包板上，連接好簡(jiǎn)單的接口線路后，計(jì)算機(jī)即可啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試程序，通過(guò)USB電纜或者WiFi無(wú)線通信控制ELVIS III按照實(shí)驗(yàn)流程自動(dòng)測(cè)試，并在后臺(tái)自動(dòng)計(jì)算獲取得到最后的實(shí)測(cè)結(jié)果，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 基于ELVIS III的運(yùn)放參數(shù)自動(dòng)化測(cè)試實(shí)驗(yàn)

4.3 結(jié)果分析

從軟件仿真和硬件電路實(shí)際測(cè)試的效果對(duì)比來(lái)看，集成運(yùn)放的直流指標(biāo)和交流指標(biāo)都在官方芯片手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)。在常規(guī)條件下，考慮到外部溫度變化和測(cè)試電路元件等級(jí)等固有誤差的影響，其測(cè)試結(jié)果是有效并且比較準(zhǔn)確的，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)方案在集成運(yùn)放指標(biāo)的測(cè)試上具有可行性和可靠性，整個(gè)測(cè)試過(guò)程涵蓋直流參數(shù)和交流參數(shù)。仿真結(jié)果和實(shí)際測(cè)試結(jié)果的差別主要是由于仿真環(huán)境下的電源和元件簡(jiǎn)化為理想模型，參數(shù)和實(shí)際電路有一定的差異。硬件實(shí)測(cè)考慮了更多的工作條件，實(shí)測(cè)結(jié)果更具有說(shuō)服力。和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式相比，基于ELVIS平臺(tái)的集成運(yùn)放測(cè)試自動(dòng)化測(cè)試在測(cè)試結(jié)果上處于同一準(zhǔn)確度等級(jí)，在保證數(shù)據(jù)可靠的條件下縮小測(cè)試系統(tǒng)體積，大幅減少線路連接，省去煩瑣操作，可提高測(cè)試效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

從教學(xué)實(shí)踐實(shí)際情況來(lái)看，結(jié)合一體化ELVIS III軟硬件平臺(tái)，培訓(xùn)學(xué)生使用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行課程實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)完成集成運(yùn)放的直流和交流指標(biāo)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，可讓學(xué)生有更多精力加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)踐，有效提高學(xué)習(xí)效果。實(shí)驗(yàn)架構(gòu)的高度靈活性和軟硬件的強(qiáng)大性能使得實(shí)驗(yàn)擴(kuò)展功能的開(kāi)發(fā)更加容易，學(xué)生在本科求學(xué)階段以此方案初稿為基礎(chǔ)參加全國(guó)大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，先后獲得華東賽區(qū)二等獎(jiǎng)和全國(guó)總決賽優(yōu)秀獎(jiǎng)。