原创 利用测时仪测量交流信号的直流偏移

利用测时仪测量交流信号的直流偏移

在如今的半导体领域，要确定集成电路器件的功能性是否满足要求，往往需要对其进行多种电测试。其中一项就是测量器件的时序，这时必须用到测时仪(TMU)。

什么是测时仪？

测时仪是一种半导体自动测试设备(ATE)，负责测量两次事件之间间隔的时间或计算事件的个数。由于半导体产业中测试的复杂度日益增大，而且IC设计师希望保证他们所设计的IC在速度和响应上能够满足设计要求，因此大多数测时仪在出售时内部都自带一台TMU。不论测试设备是用于测试模拟IC、数字IC还是混合信号IC，TMU都是必需的。

通常，TMU用于测量频率/周期、传输延迟、建立和保持时间、上升/下降沿、占空比和信号斜率等交流参数。

TMU主要由两部分组成(见图1)：

图1 ：TMU模块框图

1． 信号检测器

此部分用于在输入信号出现后检测一次事件的发生。通过设置感兴趣的参数阈值(通常是电压参数)和信号变化的斜率(正或者负)，检测器可以在输入信号到达预先设置的阈值时触发计数器模块，使其开始计数或停止计数。开始计数和停止计数的触发信号可以由一个检测器产生，但如今大多数TMU制造商都会集成至少两个检测器，因为两个检测器能够检测到低于1mV的信号电压变化，并且无延迟地将触发信号送至计数器模块。

2． 计数器

在TMU中，计算事件发生次数或时间间隔的核心是开始和停止触发器。对此部分而言，为了得到更精确的结果，分辨率和精度是最重要的因素。如今，TMU制造商可以轻易造出分辨率达到皮秒(pico-second)或飞秒(femto-second)级的高速TMU，同时，计数器的最大可计算时间仍保持在几秒。

TMU应用举例：

例1 中在TMU输入端口送入一个幅度为1V的正弦波。

检测器设置：

感兴趣的阈值电压= 0.5V

感兴趣的信号变化斜率符号=正( positive，由低至高变化)

从图2 中可以看出，A点将被检测到两次，而B点则会被忽略，因为B点的信号变化斜率为负(由高变低)。

图2 ：将正弦波送入TMU

第一次和第二次检测到A点的时间差就是输入信号的周期。

例2中 数字IC的输入和输出管脚被送至TMU的输入端口。

根据图3，设电压输入和输出的低电平(VIL和VOL)为0V，高电平((VIH和VOH)为5V，则表1给出了相应的TMU设置和待测参数。

图3 ：逻辑波形时序的例子

RF测试仪和RF器件

为了节约成本，半导体测试服务提供商在购买测试仪时很少会将可选配置全部配齐。通常他们只会根据测试需求考虑选择哪些配置，然后将测试仪中的可用资源与待测产品配对。以RF测试仪为例，此类测试仪仅用于测试RF器件，因此只包含RF资源和一些外围支持资源，例如DC源、精密测量单元(PMU)、TMU和很少几个数字管脚通道。

而另一方面，为了满足现代RF应用的需求，RF器件的性能在不断提高。如今的RF器件已经不只工作在RF频段，还可以产生和/或捕获中/低频信号。因此，测试工程师在决定升级测试仪之前一定要仔细消化和理解器件的测试要求。例如，我们现在有一只待测的RF器件，需要测量其DC偏移，测量参数如下：频率10 MHz、幅度300-600mV、输出阻抗~300?、最大DC偏移1.5V ± 10%(见图4)。

图4 ：带DC偏移的AC信号及其测量参数限制

表1 ：图4所示的TMU设置和待测参数

当然，对此例，最理想的测量方案是将测试仪升级为具备数字转换器和数字信号处理(DSP)能力，但这样会使测试成本变得非常高。于是我们会想到，如果RF测试仪本身就具备有限的一些资源能够满足以上要求呢？对此，我们做如下说明：

PMU是用于精确DC测量的仪器，但它不能用于测量DC偏移。而且，用一个模拟滤波器滤除信号中的AC成分也会影响DC偏移。这些都会使测试板的设计和测试程序的结构变得非常复杂。

RF测试仪中的RF数字转换器也不能用，因为其输入阻抗(50Ω或75Ω)太低，而被测件(DUT)为高阻输出，这会导致信号电平被拉跨，从而使测量结果不准确。此时我们可以考虑在RF数字转换器之前增加一级缓冲放大器，但前提是必须仔细评估该放大器的固有偏移，因为这也会使测试板设计与测试程序结构变得更加复杂。

在有其他选择时，利用TMU测量DC偏移可能并非最佳方案，但却绝对是最简单也最便宜的方案。我们将在下文中详细介绍该方法。

利用TMU测量直流偏移

通常，TMU所带的都是高阻输入端口，这一点对图4中所举例子而言确实非常必要，因此，在输入阻抗方面不存在问题。采用这种方法时，只需在测试板上留出一条通道用以连接DUT的输出管脚与TMU的输入端口，无需其他外部元件与电路。某些测试仪甚至具备一条内部总线，可用于连接TMU与其他资源。此时，连专门为DUT与TMU留通道都没必要了。

该方法的基本思路是利用TMU中信号检测器的功能。一旦检测器检测到达到感兴趣的参数阈值和信号变化斜率的情况，就会向CPU发送一个触发信号。该功能允许程序员利用折半查找法搜寻离信号峰值和谷值非常近的点，设搜寻结果为VMax和VMin点，那么DC偏移的幅度就可表示为：



图5所示为简化的VMax和VMin的搜索过程：

图5 ：简化的VMax和VMin搜索过程

当然，该方法也可能存在一些局限性，例如：

1． TMU不能象数字转换器一样测量所有AC信号参数，例如噪声电平、THD、SNR等；
2． 输入信号的幅度必须非常稳定，否则搜索结果永远不会收敛；
3．该方法不能用于任意信号，对正弦波信号采用该方法效果最好；
4．由于需要进行折半查找，所以该方法耗时较长，信号频率越低，查找周期越长；

但我们可以想办法减少查找的周期数，或者至少将查找周期数限制为一个固定值。

本文小结

测试工程师们只要仔细理解测试要求，并充分利用TMU解决法，就可能避免进行昂贵的测试仪升级。开发TMU的功能，将其用于测量DC偏移就是一个很好的例子，它同样可以保证测试质量。而且，采用该方法后，测试板的设计和测试程序都得到了极大简化，因为此时无需向测试板上添加任何电路，也无需向测试程序中添加任何校准程序。实际应用也证明该方法可以在可接受的测试时间内得到满足要求的测试结果。