一种集成电路测试用程控信号源的设计

王 鑫， 李力军

（北京自动测试技术研究所，100088）

0 引言

随着电路设计的不断发展，集成电路测试对保证电路可靠性的作用日益增加。集成电路测试不仅对确保电路的可靠性有重要作用，而且可以降低电路与系统的制造成本。这就对集成电路测试系统的功能和技术指标提出了更高的要求。

在以往的测试中，一般只关心器件的直流参数，对于交流参数不进行测试。但随着电路集成度的提高，运行速度的加快，系统整机对于芯片在动态条件下的运行也提出了更高的要求。这就要求芯片在生产时对于交流参数进行测试。

近些年来，基于DDS技术的信号发生器在正弦信号中的应用变得日益广泛。与以往的射频信号源、锁相信号源和模拟频率合成信号源相比较，它频率分辨率高，范围宽。并且其体积小、功耗低、而且易于程序控制。目前在工程应用领域采用DDS技术的信号源大多集中在高频，低压小信号方面。所以将DDS技术应用于自动测试设备(Automatic Test Equipment，ATE)领域具有较大的理论意义和工程价值。

1 信号源的设计与实现

本文研究内容主要是为了对自主研发的国产模拟集成电路测试系统进行完善。信号源将按照IC芯片手册中各种交流参数的测试条件对芯片施加激励信号，模拟芯片在实际使用中的环境，对芯片进行测试，从而保证芯片的品质达到规定要求，保证整机设备运行的稳定与安全，并为维修提供依据，信号源的功能要求与技术指标如下：

（1）输出波形：正弦波、方波

（2）交流源精度：±0.1% (FS)

（3）输出频率：0.1KHz～20MHz

（4）偏置电压范围：±10V，DAC分辨率为12位

图1 信号源硬件设计框图

（5）最大峰峰值：±10V

（6）输出滤波器：LPF（低通滤波）(20KHz)或LPF(100KHz)

信号源的硬件设计：

信号源在硬件上主要有以下几个部分组成：FPGA控制模块、DDS信号发生模块、幅度调节模块、滤波模块以及驱动模块组成，具体硬件设计框图如图1所示。

系统采用电脑上位机控制结构，通过计算机的PCI插槽，由专用的PCI接口芯片向系统接口板发送命令，接口板接到命令后再经由系统总线协议把上位机命令转换成系统总线中的控制命令，并向信号源功能板发送命令，功能板的可编程逻辑控制器（FPGA），在接到总线发来的控制命令后，将相关控制字写入DDS芯片对应的寄存器端口，DDS信号发生模块是系统的核心部分，产生的信号通过幅度调节、功率放大后就得到了所需激励信号。

1.1 DDS信号发生模块设计

DDS模块是整个信号源系统的核心部分。硬件结构主要由接口电路、译码控制电路、以及隔直放大电路组成。

本信号发生模块是围绕AD9850为核心设计的，AD9850是AD公司生产的最高时钟为125MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器三部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。

AD9850内含可编程DDS 系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC 输出模拟量。相位寄存器每过2N/ M个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波频率fout=M*fc/ 2的N次方，fc为外部参考时钟频率。

AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC再输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节，典型值3.9千欧。将DAC的输出经低通滤波后接到AD9850 内部的高速比较器上即可直接输出方波。在125MHz的时钟下,32位频率控制字可使AD9850输出频率分辨率达0.0291Hz 。

为减少软件开销，提高系统可靠性应用，采用FPGA来完成各芯片的地址译码和控制信号的编译，增加电路的可靠性，减小整个系统的体积。DDS信号发生模块的硬件框图如图2所示。

图2 DDS信号发生模块的硬件框图

1.2 幅度调节模块

幅度调节模块由高精度、高速乘法器AD734为核心设计的，AD734与同类产品相比，具有直接除法模式，可以利用外部输入电压直接控制除法模式中的分母电压，使用起来相当灵活方便。AD734是一个高精度、高速四象限模拟乘法器/触发器，其传递函数为W=XY/U+Z。具有以下特点：（1）高精度：0.1%的典型误差。（2）高速：10MHz满功率带宽，450V/us的回转率。（3）低失真：任意输入信号的失真均为-80dB。（4）低噪声：10Hz～20KHz，信噪比为94dB；10Hz～10MHz时，信噪比为70dB。（5）直接除法模式。（6）增益为100时，带宽为2MHz。传递函数中Y和Z的电压由数模转换器AD5724提供，AD5724是四通道、12位、串行输入、电压型输出数模转换器。采用+4.5V至+16.5V双电源供电。标称满量度输出范围可通过FPGA控制模块向相应的寄存器写入控制字来选择，选项有+5V、+10 V、+10.8 V、±5 V、±10 V和±10.8 V。同时还内置输出放大器、基准电压缓冲器以及专有上电/省电控制电路。这些器件可保证单调性，最大积分非线性(INL)误差为±16 LSB，噪声很低，最大建立时间为10 us。AD5724采用串行接口，能够以最高30 MHz的时钟速率工作，并且与DSP和FPGA接口标准兼容。

在模块中，AD5724由FPGA控制模块发出的串行数据控制，输出相应的电压值，满量程范围±10 V，与DDS信号发生模块输出的原始信号一起通过AD734比较后得到了幅值可调、频率相位可调的正弦信号。再通过程控低通滤波器，就得到了低噪声、低失真的激励信号。但此时的信号没有驱动能力，想要作为真正的测试信号，还要通过驱动模块，进行功率放大。幅度调节模块硬件设计如图3所示。

图3 幅度调节模块硬件设计框图

1.3 驱动模块的设计

功率放大电路主要将前面模块提供的初级信号再进行功率放大，最后隔离输出所需的测试信号。本驱动模块的核心是BUF634，它是一款高速、不放大（增益为一）、开环缓冲器，在高速、高带宽应用中被广泛推荐使用。BUF634具有以下特点：(1)高输出电流：最高250mA，（2）高压摆率：2000V/uS。(3)带宽达到180MHz。（4）内部过流保护。

2 信号源的校准与测试数据

本信号源的软件是整个模拟集成电路测试系统的系统软件中的一部分，主要是由信号源的校准和用户测试程序两部分组成。系统所有的信号源和测量单元都要通过标准的数字电压表来校准，以达到系统设计要求的精度指标，还要有专门的检测机构进行计量。

本系统的校准是通过一块外接的高精度数字电压表KEITHLEY2000（六位半）来完成的，系统可以通过接口板模拟GPIB协议来控制电压表的测量与回读，操作人员只要装上系统的自检板，把电压表表笔固定在相应位置，接上GPIB连接排线，就可以在上位机的校准界面中点击“校准”按键来自动完成校准过程。信号源的校准原理是通过系统的自检板，把交流信号施加在精度为千分之一的电阻上，再由KEITHLEY2000数字电压表（六位半）回读，就得到实际施加出的电压值，再与理论值进行比较，得到差值，再通过系统中的一套线性补偿算法，把差值补到原始的DA设置值中，这样校准后的信号就能达到设计的精度要求。表1中是校准后的数据。

表1 信号源校准数据

以上就完成了信号源的全部设计，图4分别显示了峰峰值为1V、5V和10V频率在1KHz的实验波形，从图4可以看出，信号源具有工作稳定、频率精确度高、幅值调节方便等优点，并成功应用于实际的测试工作中。

图4 实验波形

3 信号源在实际测试中的应用

本课题中研发的信号源最重要的是在实际中得到验证，也就是提供给用户用来测试IC器件，用户可以调用用户层的函数，设置信号源的频率、幅值、输出模式，以达到IC芯片交流参数对于测试条件的要求。表2和表3分别是AD711和LM7805的测试数据，数据中的增益带宽积(GBWP)、压摆率（SR）和纹波抑制比（RR）参数就是在本信号源作为激励源的条件下进行测试得到的结果。表中的数据是同一个芯片分别测试三遍，从数据中可以看出，测试重复性很好，完全达到测试要求的精度。

表2 AD711测试数据

表3 LM7805测试数据

4 结束语

在实际应用中，基于DDS技术的数字合成信号源与传统测试模拟频率合成信号源相比，具有明显的优势。除了频率分辨率高之外，还能在全数字模式控制，能够对输出频率和相位进行调整，更有利于实现信号的同步。目前，本文所设计的信号源已顺利通过相关部门的计量。该信号源在实际的使用中，体现了良好的实用性与稳定性，完全可以满足各种测试环境的要求。同时，它使整个模拟集成测试系统具备了交流参数测试能力，使系统的全参数测试功能得到了完善。随着数字技术的进一步发展，DDS技术的不断发展，基于DDS技术的模块在实际应用中也将日益受到重视。

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