摘要：在集成電路的測試中，通常需要給所測試的集成電路提供穩(wěn)定的電壓或電流，以作測試信號，同時還要對信號進(jìn)行測量，這就需要用到電壓電流源；本系統(tǒng)能作為測試設(shè)備的電壓電流源，實(shí)現(xiàn)加壓測流和加流測壓功能。本系統(tǒng)具有箝位功能，防止負(fù)載電壓或電流過大而損壞系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測量精度高。
關(guān)鍵詞：集成電路測試；電壓電流源；加壓測流；加流測壓；箝位

0 引言
    自動測試設(shè)備是用于測試分立器件、集成電路、混合信號電路直流參數(shù)、交流參數(shù)和功能的測試設(shè)備。主要通過測試系統(tǒng)軟件控制測試設(shè)備各單元對被測器件進(jìn)行測試，以判定被測器件是否符合器件的規(guī)范要求。

1 自動測試設(shè)備的組成
    自動測試設(shè)備主要由精密測量單元(PMU)、器件電壓源(DPS)、電壓電流源(VIS)、參考電壓源(VS)、音頻電壓源(AS)、音頻電壓表(AVM)、時間測量單元(TIMER)、繼電器矩陣、系統(tǒng)總線控制板(BUS)、計(jì)算機(jī)接口卡(IFC)等幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

   本文主要介紹其中的電壓電流源部分的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)。

2 電壓電流源的基本原理
    電壓電流源是自動測試系統(tǒng)必不可少的一部分，其可為被測試器件施加精確的恒定電壓或恒定電流，并能回測其相對的電流值或電壓值。因此，電壓電流源主要有以下兩種工作方式：
    (1)加壓測流(FVMI)方式。在FVMI方式中，驅(qū)動電壓值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)提供給輸出驅(qū)動器；驅(qū)動電流由采樣電阻采樣，通過差分放大器轉(zhuǎn)換成電壓值，再由ADC讀回電流值。筘位值可根據(jù)負(fù)載設(shè)值，箝位電路在這里起到限流保護(hù)作用，當(dāng)負(fù)載電流超過箝位值時，VIS輸出變?yōu)楹懔髟?，輸出電流為箝位電流。測試系統(tǒng)根據(jù)箝位值自動選擇測流量程。
    (2)加流測壓(FIMV)方式。在FIMV方式中，驅(qū)動電流值通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)提供給輸出驅(qū)動器；電壓由ADC讀回。箝位值可根據(jù)負(fù)載設(shè)值，箝位電路在這里起到限壓保護(hù)作用，當(dāng)負(fù)載電壓超過箝位值時，VIS輸出變?yōu)楹銐涸?，輸出電壓為箝位電壓。測試系統(tǒng)根據(jù)箝位值自動選擇測壓量程。
    圖2是電壓電流源的邏輯框圖。

3 電壓電流源的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)
    電壓電流源的基本電路如圖3所示，左半部分是電壓電流源的加壓加流電路，右半部分是測試電路。

    該電路由主運(yùn)放、電流擴(kuò)展電路、量程電阻、反饋回路和差分運(yùn)算放大器組成。電路簡單實(shí)用，用一只繼電器K1完成加壓和加流的切換，當(dāng)K1打開時，用于施加電壓，當(dāng)K1閉合時，用于施加電流。K8是測流和測壓的切換開關(guān)，當(dāng)K8打開時，用于施加電壓的同時測量電流，當(dāng)K8閉合時，用于施加電流時測量電壓。運(yùn)放U3接成減法電路，用于對箝位電壓進(jìn)行控制。主運(yùn)放U1后接的是電流擴(kuò)展電路，采用推挽形式組成，以加大電路的可輸出電流。量程網(wǎng)絡(luò)由多個不同級數(shù)的電阻構(gòu)成，通過K2至K7的繼電器，可切換測試量程。反饋回路由運(yùn)放組成的跟隨器構(gòu)成。測試電路采用差分電路形式以提高測試精度，減少電路的共模增益。
    該電路的優(yōu)點(diǎn)是將加壓測流電路和加流測壓電路很好地融合在一起，只需要切換一個繼電器，便可實(shí)現(xiàn)加壓和加流的切換，節(jié)省了加壓測流和加流測壓各需一套電路的煩瑣，同時也節(jié)省了大省的元件。

4 工作原理
4．1 測試原理
    以下以FIMV(加流測壓)為例說明電路的原理，在FIMV模式下電路簡化如圖4。

    由于電路引入了負(fù)反饋，U1構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，U2構(gòu)成電壓跟隨器。令R1=R2=R3=R4=R。
   
    由于UN1=UP1，由式(1)(3)可得：VIN=UO1-URO。即加在量程電阻兩端上的電壓值等于輸入的電壓值。由于U2的P2端虛斷，故流過RO的電流絕大部分流入RL中，故電路可提供一穩(wěn)定的電流，只要測試URO端的電壓，即可測試在所加電流下負(fù)載的電壓，從而實(shí)現(xiàn)加流測壓。
    加壓測流與加流測壓基本類似，在此不再贅述。
4．2 箝位的實(shí)現(xiàn)
    本電路可通過程序設(shè)定的箝位電壓或電流值進(jìn)行限壓或限流保護(hù)，當(dāng)電路檢測到的電壓或電流超過設(shè)定值時，即進(jìn)行電路的自保護(hù)。自保護(hù)過程如下：加流測壓時，控制箝位DAC的輸入值和改變量程電阻，設(shè)定輸出箝位電壓，然后把加流模式切換到加壓模式，所測電壓值返回箝位電壓值。加壓測流時，將量程電阻切換到最大量程，把加壓模式切換到加流模式，通過控制箝位DAC的輸入值和改變量程電阻，輸出所設(shè)定的箝位電流，所測電壓流返回箝位電流值。
4．3 量程計(jì)算
    測試不同的電壓或電流值需要不同的量程值，才能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。故需要在測試前進(jìn)行量程選擇，量程的選擇可通過程序?qū)崿F(xiàn)。
    加壓測流時量程選擇的計(jì)算公式為：
   
    式中，MAX_V主運(yùn)放的最大輸出電壓，F(xiàn)V為所施加的電壓值，Ri為設(shè)定的箝位電流值，Rf為量程電阻。實(shí)際取的Rf值取計(jì)算出的Rf的向下一個級數(shù)(如：如果計(jì)算出的Rf=1．6k，則實(shí)取的R應(yīng)為1k(如果下一級數(shù)為1k)。
    加流測壓時量程選擇的計(jì)算公式為：
   
    式中，MAX_V為主運(yùn)放的最大輸出電壓，Rv為設(shè)定的箝位電壓值，F(xiàn)i所施加的電流值，Rf為量程電阻。實(shí)際取的Rf值取計(jì)算出的Rf的向下一個級數(shù)。

5 電路的改進(jìn)
    本電路中，輸出端與負(fù)載直接相連，在測試小電阻時，會由于線損而產(chǎn)生測試誤差，故在實(shí)際設(shè)計(jì)中，輸出端與負(fù)載的相連可采用開爾文電橋接法，負(fù)載兩端采用四線連接(電路輸出的兩端各以一對“施加線”和“傳感線”連接負(fù)載)。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    實(shí)際測試中，運(yùn)放可以選擇低失調(diào)電壓和低溫漂的高精度運(yùn)放，例如OP07。采樣電阻使用低溫漂2ppm、0．01％的高精度電阻。運(yùn)放電源采用雙24V電源，電流擴(kuò)展電路用雙36V電源，則本電壓電流源的加壓范圍可從0V到21V，加流范圍從0mA到200mA。電壓測量和電流測量的精度大于0．1％(DAC和ADC均為16位數(shù)據(jù)位)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電壓電流源施加和測量速度快，精度高，適用于集成電路參數(shù)的快速檢測。