模拟开关皮安级漏电流测试方法的研究与实现

王 威，王 婷，李明远

（北京微电子技术研究所，北京 100076）

0 引 言

模拟开关一般是由金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，MOS）管构成的传输门，在电路中起到对某个支路信号进行连通或断开的作用[1]。导通漏电流和关断漏电流是模拟开关器件的关键电性能参数，其测试精度要求已达到皮安级。目前，行业内应用较为广泛的模拟集成电路测试机有美国Teradyne 的ETS364B、国产华峰测控的STS8205 等，这些测试机的电流测试精度最高为1 nA，仅依靠测试机无法实现电流的皮安级测量[2-5]。

通用接口总线（General Purpose Interface Bus，GPIB）总线的优势在于组建自动测试系统方便易行、性价比高、传输速率高，同时易于实现多仪器间的同步传输等[6]。为了满足模拟开关的大批量、高精度测试需求，本文设计了基于ETS364B 模拟测试系统和高精度数字万用表协同测试的测试平台，基于GPIB 通信协议可以实现测试机与高精度数字万用表的数据传输，最终实现漏电流的高精度测量。

1 漏电流测试指标及测试原理

待测模拟开关的漏电流测试指标与测试条件如表1 所示。

表1 测试指标与测试条件

漏电流的测试原理如下：（1）关断漏电流在开关关断状态下时，输入端加4.5 V、对应的输出端加1 V 或输入端加1 V、对应的输出端加4.5 V；（2）导通漏电流在开关导通状态下时，输入端加4.5 V、对应的输出端加1 V 或输入端加1 V、对应的输出端加4.5 V。

2 量产测试平台的硬件实现

硬件测试平台组成如图1 所示，其中测试接口板和测试插座根据被测电路的封装形式和测试需求进行定制。硬件连接时需要注意GPIB 总线的传输距离最远不得超过20 m，且相邻的测试仪器之间最好不要超过2 m。系统中每个测试仪器的GPIB 主地址都是0 ～31 的数，且不能重复[7]。

图1 高精度测试系统硬件平台

为了实现皮安级漏电流的测量，本文选择安捷伦高精度数字万用表3458A 作为电流测量仪表，以弥补ETS-364B 模拟测试系统电流测量单元精度不够的短板。选用3458A 高精度数字万用表“DC Current”模式下的“100 nA 量程”，该量程下的测试分辨率为1 pA，可以满足测试需求。

在实际搭建的系统中，GPIB 接口卡插入PC 机底板中的一个PCI 槽，并通过GPIB 电缆接到数字万用表。此外，应严格遵循GPIB通信的仪器间连接条件。测试时，ETS364B 与3458A 通过GPIB 通信协议进行通信，实现测试条件的配置、电流的测量以及测试结果的反馈。

3 量产测试平台的软件实现

3.1 待测器件与测试系统的资源配置

在开发3458A 高精度数字万用表的应用层驱动程序前，需要对待测器件和ETS364B 测试系统之间的资源进行设置，保证漏电流测试时待测器件的信号管脚与测试机信号通道的有效连接，确保测试机能够为被测管脚提供需求的电压。

具体设置如下：（1）新建工程，创建待测器件的工程文件，创建完成后即可生成可视化控制流程模板和底层程序开发文件；（2）添加pin map，通过pin map 实现待测器件所有管脚与测试机台的软件连接配置；（3）添加漏电流测试项，添加完测试项后会生成相应的底层代码.cpp 文件和Data sheet 文件。在Data sheet 文件中设置测试项的名称、上下极限、测量单位等，并在底层代码.cpp 文件中设置变量的定义、初始化、测试项执行时施加的具体测试条件与量程，实现测试结果输出等。

连接测试项完成后，开展漏电流的测试项开发。在Data sheet 中 添 加+IS(OFF)、-IS(OFF)、+ID(ON)、-ID(ON)4个测试项及上下极限、测量单位，相应地在.cpp 文件中会自动生成4 个函数，按照测试条件在每个函数中添加对测试机的资源配置语句，完成测试电压条件的设置。

3.2 开发方法及具体功能实现

3.2.1 VISA 函数库与功能

VISA 函数库的优势在于直接面向器件，与硬件接口总线类型无关。VISA 函数库是独立于硬件设备、接口、操作系统以及编程语言的输入/输出（Input/Output，I/O）函数库，是现有I/O接口软件的一个超集[8]。对于驱动程序、应用程序开发者而言，VISA 库函数是一套可方便调用的函数，其中核心函数可控制各种类型器件，而不用考虑器件的接口类型，VISA 也包含部分特定接口函数[9]。根据GPIB 接口控制的传输特点，按照函数功能可以将VISA 函数库分为5 大类，分别是资源管理类、基本输入/输出类、格式化输入/输出类、GPIB 接口功能类以及控制管理类。

3.2.2 应用层驱动程序开发

在编制3458A 高精度数字万用表的应用层驱动程序前，必须先安装安捷伦I/O 库的驱动。本设计安装的是Agilent_IO_Libraries_suite_14.2，软件安装完成后重新启动个人计算机（Personal Computer，PC）端，打开驱动程序，对接口或GPIB 卡进行配置。对于Agilent 82350B PCI GPIB 接口，将“GPIB address”设置为30，将“SICL Interface ID”设置为hp82341。

GPIB 接口配置完成后，对3458A 数字万用表进行初始化设置。点击仪器前面板按钮“Local/shift”和“Utility/Data Log”后，前面板会出现“Utility Menu”，然后按照REMOTE I/O →GPIB →ENABLE GPIB →GPIB ID 的步骤完成设置后按下电源开关，关断电源后再接通，这样设置才会生效。

设计驱动程序的工作流程如图2 所示。

在.cpp 程序开始添加库函数visa.h，这样就可以调用VISA 函数库进行驱动程序的开发。以参数+IS(OFF)为例，在.cpp 文件创建的4 个漏电流测试函数中，首先添加驱动程序用到的一些变量，相应代码为

最后读取电流值，将其作为工程下创建的Data sheet 中相应测试项的测试结果输出。

4 测试结果

在常温（25 ℃）条件下，利用基于ETS364B 和3458A 协同测试的高精度自动测试系统对待测模拟开关进行批量测试。测试电路共135 个，提取关断漏电流和导通漏电流测试结果进行分析，如表4 所示。

表4 测试结果

漏电流与开关关断或接通时的源极和漏极泄漏有关，泄漏越低，损耗越少[10]。从测试结果可以看出，漏电流的测试精度均为皮安级，实现了皮安级漏电流的测试。

5 结 论

通过搭建模拟器件主流测试系统ETS364B 和万用表3458A 协同测试的高精度量产自动测试平台，根据待测模拟开关关断漏电流和导通漏电流的测试需求，基于VISA 函数库和GPIB 通信协议对3458A 的需求量程进行选择、对关断或导通状态下的电流进行测量和读取，最终实现皮安级漏电流的测试。该高精度自动测试系统是对传统模拟测试机资源的扩充，能够满足量产化的需求。