自動(dòng)測(cè)試設(shè)備應(yīng)用中PhotoMOS開關(guān)的替代方案

簡(jiǎn)介

人工智能(AI)應(yīng)用對(duì)高性能內(nèi)存，尤其是高帶寬內(nèi)存(HBM)的需求不斷增長(zhǎng)，芯片設(shè)計(jì)因此變得更加復(fù)雜。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)廠商是驗(yàn)證這些芯片的關(guān)鍵一環(huán)，目前正面臨著越來(lái)越大的壓力，需要不斷提升自身能力以滿足這一需求。傳統(tǒng)上，在存儲(chǔ)器晶圓探針電源應(yīng)用中，PhotoMOS開關(guān)因其良好的低電容乘電阻(CxR)特性而得到采用。低CxR有助于減少信號(hào)失真，改善開關(guān)關(guān)斷隔離度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗。

除了上述優(yōu)點(diǎn)外，PhotoMOS開關(guān)的關(guān)態(tài)電壓也較高，但也存在一些局限性，主要體現(xiàn)在可靠性、可擴(kuò)展性和導(dǎo)通速度方面。其中，導(dǎo)通速度較慢一直是客戶不滿的一大原因。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，ADI公司開發(fā)出了新型開關(guān)來(lái)取代存儲(chǔ)器晶圓探針電源應(yīng)用中的PhotoMOS。ADI開關(guān)不僅導(dǎo)通速度非?？?，而且同樣具備低CxR特性，可以確保高效切換。此外還具有良好的擴(kuò)展性，能夠改善測(cè)試的并行處理能力，使ATE能夠處理更大規(guī)模、速度更快的測(cè)試任務(wù)。如今AI應(yīng)用對(duì)高效和高性能內(nèi)存測(cè)試的需求日益增長(zhǎng)，為此，ATE公司正積極尋求更優(yōu)的解決方案。在這種背景下，ADI開關(guān)憑借一系列出色特性，成為了PhotoMOS的有力替代方案。

應(yīng)用原理圖

在ATE設(shè)置中，開關(guān)扮演著非常重要的角色。開關(guān)能夠?qū)⒍鄠€(gè)被測(cè)器件(DUT)連接到同一個(gè)測(cè)量?jī)x器（例如參數(shù)測(cè)量單元PMU），或者將它們從測(cè)量?jī)x器上斷開，以便執(zhí)行測(cè)試流程。具體來(lái)說(shuō)，開關(guān)使得PMU能夠高效地向不同DUT施加特定電壓，并檢測(cè)這些DUT反饋的電流。開關(guān)能夠簡(jiǎn)化測(cè)試流程，在需要同時(shí)或依次測(cè)試多個(gè)DUT的情況下，這種作用更加突出。通過(guò)使用開關(guān)，我們可以將PMU的電壓分配到多個(gè)DUT，并檢測(cè)其電流，這不僅提高了測(cè)試效率，還大幅減少了每次測(cè)試之間重新配置測(cè)試裝置的麻煩。

圖1 PMU開關(guān)應(yīng)用

圖2 PhotoMOS和CMOS開關(guān)架構(gòu) 

圖1展示了如何利用開關(guān)輕松構(gòu)建矩陣配置，使得一個(gè)PMU就能評(píng)估多個(gè)DUT。這種配置減少了對(duì)多個(gè)PMU的需求，并簡(jiǎn)化了布線，從而顯著提高了ATE系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性，對(duì)于大批量或多器件的測(cè)試環(huán)境至關(guān)重要。

開關(guān)架構(gòu)

為便于理解評(píng)估研究（即利用開發(fā)的硬件評(píng)估板對(duì)PhotoMOS開關(guān)和CMOS開關(guān)進(jìn)行比較）以及研究得出的結(jié)果，這里比較了PhotoMOS開關(guān)和CMOS開關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。從二者的開關(guān)架構(gòu)開始比較更易于看出差別。

CMOS開關(guān)和PhotoMOS開關(guān)的架構(gòu)不同，圖2顯示了開關(guān)斷開時(shí)的關(guān)斷電容(C_OFF)。該寄生電容位于輸入源極引腳和輸出引腳之間。

對(duì)于PhotoMOS開關(guān)，C_OFF位于漏極輸出引腳之間。此外，PhotoMOS開關(guān)具有輸入到輸出電容（也稱為漏極電容），同時(shí)在其用于導(dǎo)通和關(guān)斷輸出MOSFET的發(fā)光二極管(LED)級(jí)也存在輸入電容。

對(duì)于CMOS開關(guān)，C_OFF位于源極和漏極引腳之間。除了C_OFF之外，CMOS開關(guān)還有漏極對(duì)地電容(CD)和源極對(duì)地電容(CS)。這些對(duì)地電容也是客戶在使用CMOS開關(guān)時(shí)經(jīng)常抱怨的問(wèn)題。

當(dāng)任一開關(guān)使能時(shí)，輸入信號(hào)便可傳輸至輸出端，此時(shí)源極和漏極引腳之間存在導(dǎo)通電阻(R_ON)。通過(guò)了解這些架構(gòu)細(xì)節(jié)，我們可以更輕松地分析評(píng)估研究中的電容、R_ON和開關(guān)行為等性能指標(biāo)，確保為特定應(yīng)用選擇正確的開關(guān)類型。

開關(guān)規(guī)格和附加值

為了更好地對(duì)開關(guān)進(jìn)行定性和定量評(píng)估，應(yīng)該考察其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中帶來(lái)的附加值。如上所述，對(duì)于圖1所示應(yīng)用，ADG1412是理想選擇，可以輕松替代PhotoMOS開關(guān)。這款CMOS開關(guān)是四通道單刀單擲(SPST)器件，擁有出色的特性，包括高功率處理能力、快速響應(yīng)時(shí)間、低導(dǎo)通電阻和低漏電流等。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)比較表1列出的重要指標(biāo)，評(píng)估CMOS開關(guān)性能并打分，從而量化其相對(duì)于其他替代方案的優(yōu)勢(shì)。這有助于更深入地了解器件的信號(hào)切換效率，對(duì)于復(fù)雜或敏感的電子系統(tǒng)非常有幫助。

表1 開關(guān)規(guī)格

*CD(OFF)會(huì)影響CxR乘積性能

關(guān)斷隔離：開關(guān)斷開時(shí)的電容

兩種開關(guān)的關(guān)斷隔離曲線（圖3）表明，輸入信號(hào)受到高度抑制（100 kHz時(shí)為-80 dB），未到達(dá)輸出端。隨著頻率提高，PhotoMOS的性能開始略高一籌，二者相差-10 dB。對(duì)于圖1所示的開關(guān)應(yīng)用（直流(DC)切換），開關(guān)電容并不重要，重要的開關(guān)參數(shù)是低漏電流、高導(dǎo)通速度和低插入損耗。

圖3 關(guān)斷隔離曲線

插入損耗：開關(guān)導(dǎo)通電阻

低R_ON的開關(guān)至關(guān)重要。I*R電壓降會(huì)限制系統(tǒng)性能。各器件之間以及溫度變化引起的R_ON波動(dòng)越小，測(cè)量誤差就越小。圖4中的插入損耗曲線顯示，在100 kHz頻率下，PhotoMOS開關(guān)的插入損耗為-0.8 dB，而CMOS開關(guān)的插入損耗僅為-0.3 dB。這進(jìn)一步證實(shí)了CMOS開關(guān)具有較低的R_ON (1.5 Ω)。

圖4 插入損耗曲線

圖5 開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間

開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間

當(dāng)驅(qū)動(dòng)使能/邏輯電壓施加到任一開關(guān)上，使其閉合并將輸入信號(hào)傳遞到輸出端時(shí)，如果使用的是PhotoMOS開關(guān)，則會(huì)存在明顯的延遲（如圖5所示）。這種較慢的導(dǎo)通速度由于LED輸入級(jí)的輸入電容，以及內(nèi)部電路將電流轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)MOSFET柵極所需電壓的過(guò)程中產(chǎn)生的延遲造成的。導(dǎo)通速度慢一直是客戶不滿的主要原因，而且會(huì)影響系統(tǒng)整體應(yīng)用的速度和性能。相比之下，CMOS開關(guān)的導(dǎo)通速度(100 ns)是PhotoMOS開關(guān)(200,000 ns)的2000倍(×2000)，更能滿足系統(tǒng)應(yīng)用所需。

設(shè)計(jì)遷移：PhotoMOS替換為ADG1412開關(guān)

如果系統(tǒng)中使用的是PhotoMOS開關(guān)，并且遇到了測(cè)量精度不高、導(dǎo)通速度慢導(dǎo)致系統(tǒng)資源占用過(guò)多，以及難以提高通道密度等問(wèn)題，那么升級(jí)到采用CMOS開關(guān)的方案將使開發(fā)變得非常簡(jiǎn)單。圖6顯示了PhotoMOS開關(guān)與CMOS開關(guān)的連接點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以利用CMOS開關(guān)，以更低的成本實(shí)現(xiàn)更高的通道密度。

圖6 開關(guān)連接點(diǎn)

ADI開關(guān)可提高通道密度

表2列出了一些能夠提高通道密度的ADI開關(guān)示例。這些開關(guān)具有與ADG1412類似的性能優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)通電阻更低（低至0.5 Ω），而且成本比PhotoMOS開關(guān)還低。這些開關(guān)提供串行外設(shè)接口(SPI)和并行接口，方便與控制處理器連接。

表2 能夠提高通道密度的ADI開關(guān)示例

結(jié)論

本文著重說(shuō)明了CMOS開關(guān)的潛力。在ATE應(yīng)用中，ADG1412可以很好地取代PhotoMOS開關(guān)。比較表明，CMOS開關(guān)的性能達(dá)到甚至超過(guò)了預(yù)期，尤其是在對(duì)開關(guān)電容或漏極電容要求不高的場(chǎng)合。此外，CMOS開關(guān)還擁有顯著的優(yōu)勢(shì)，例如更高的通道密度和更低的成本。

ADI公司的CMOS開關(guān)產(chǎn)品系列非常豐富，不僅提供導(dǎo)通電阻更低的型號(hào)，還支持并行和SPI兩種控制接口，從而更加有力地支持了在ATE系統(tǒng)中使用CMOS開關(guān)的方案。

作者簡(jiǎn)介

Edwin Omoruyi是ADI愛爾蘭公司儀器儀表事業(yè)部的高級(jí)產(chǎn)品應(yīng)用工程師。2007年，他畢業(yè)于利默里克理工學(xué)院，獲得電子系統(tǒng)工程學(xué)士榮譽(yù)學(xué)位。2010年，他畢業(yè)于利默里克大學(xué)，獲得超大規(guī)模集成電路(VLSI)碩士榮譽(yù)學(xué)位。2010年至2018年，Edwin擔(dān)任ADI公司汽車和座艙電子事業(yè)部的應(yīng)用工程師，之后于2023年，他再次加入ADI公司。除了在ADI公司的工作經(jīng)歷之外，他還曾在汽車和制造行業(yè)擔(dān)任系統(tǒng)架構(gòu)師，負(fù)責(zé)AD/ADAS傳感應(yīng)用開發(fā)。