ATE中的浮动V/I源 H I V

　　摘要：本文论述了浮动V/I源和共地V/I源的构造区别，及在开尔文检测和多工位并测方面的差异，论述了浮动V/I源的各种类型和应用优势，并分析了浮动V/I源的共模干扰和与此相关的一些认识误区。
　　关键词：浮动V/I源；共地V/I源；多工位并测；共模干扰
　　
　　1 共地V/I源和
　　浮动V/I源的构造区别
　　
　　 图1是共地V/I源的示意图，图2是浮动V/I源的示意图。
　　 由图1和图2可知共地V/I源和浮动源有如下构造上的区别：
　　 （1）共地V/I源的信号总线是直接连接到各路V/I源上去的，而浮动V/I源的信号总线则是通过信号隔离（通常采用数字光隔离的方法）后再连接到各路V/I源上去的。
　　 （2）共地V/I源的电源总线（系统电源）是直接连接到各路V/I源上去的，而浮动V/I源的电源总线则是通过电源隔离（通常采用高频变压器或DC/DC隔离）后再连接到各路V/I源上去的。
　　 （3）共地V/I源的系统地线直接连接到各路V/I源上，并作为各路V/I源的输出信号之一，而浮动V/I源的输出信号端中没有系统地线，系统地线是作为一个独立的系统信号端连接到用户的被测器件（DUT）板上供使用。
　　
　　2 共地V/I源和
　　浮动V/I源的四线开尔文测试
　　 图3和图4分别是共地V/I源和浮动V/I源与负载之间的四线开尔文连接图，由图可知，共地V/I源和浮动V/I源在实现四线开尔文测试方面没有区别，同样可以实现全四线开尔文测试。
　　
　　3 共地V/I源
　　和浮动V/I源的多工位并行测试
　　
　　 图5是独立DGS共地V/I源的多工位并行测试示意图，由图可知，独立DGS的共地V/I源可以很好的实现多工位并行测试，虽然地线是公共的，并有可能在大电流下产生一定的压降，但由于每一路V/I源具有独立的DGS（Device Ground Sense）信号，因此能有效扣除地线电流导致的附加压降，对每一工位（Site）有效地实现全四线开尔文测试，以得到精确的驱动或测量电压。
　　 图6是单一DGS共地V/I源的多工位并行测试示意图，由图可知，单一DGS的共地V/I源系统由于只有一个系统DGS信号，因此每一路V/I源无法有效扣除地线电流导致的附加压降，本应是高阻抗的DGS信号中会有电流流过，导致了各路V/I源的驱动或测量电压的不精确。
　　 图7是浮动V/I源的多工位并行测试（不接地）示意图，由图可知，各路浮动V/I源的负载电流是都从FORCE H流到FORCE L，各工位之间毫无影响，各路浮动源独立的SENSE H和SENSE L信号可以有效保证电压驱动或测量的精确度。
　　 图8是浮动V/I源的多工位并行测试（接地）示意图，由图可知，即便是用地线连接了多个工位的FORCE L信号，但由于地线中没有电流流过，只是提供了一个地线电位，因此电流仍在各工位的FORCE H和FORCE L之间流动，而不会影响电压驱动或测量的精确度。
　　
　　4 浮动V/I源的浮动类型
　　
　　 浮动V/I源按其浮动类型可以分为通道浮动、板浮动和分组浮动几种，各自的特点如下：
　　 （1）通道浮动
　　 图9是通道浮动V/I源的示意图，由图可知，通道浮动V/I源的每一个通道都是独立浮动的，即每一通道都具有独立的信号隔离和电源隔离，每一通道都有独立的FORCE H、SENCE H、FORCE L和SENSE L四个输入/输出信号，因此V/I源之间可以任意组合，具有最大的应用灵活性。AccoTEST的FPVI-10属于这一种类型。
　　 通道浮动V/I源在获得最大应用灵活性的同时，由于每通道独立的信号隔离和电源隔离带来了相对的高成本，另外一定程度上也影响了模块的集成度，限制了每板的通道数。
　　 （2）板浮动
　　 图10是板浮动V/I源的示意图，由图可知，板浮动V/I源在一块板上只有一套信号隔离和电源隔离，供板上所有的通道使用，一块板上的通道之间是不浮动的（各通道共享FORCE L和SENSE L信号），但板和板之间是浮动的。这一浮动类型虽然应用上没有通道浮动那样灵活，但降低了成本，提高了集成度，使一块板上具有较多的通道。
　　 （3）分组浮动
　　 图11是分组浮动V/I源的示意图，由图可知，分组浮动V/I源在一块板上分为若干个组，每个分组具有独立的信号隔离和电源隔离，组内的通道之间是不浮动的（各通道共享FORCE L和SENSE L信号），但组和组之间是浮动的。这一浮动类型在应用灵活性和成本之间找到了新的平衡点，特别适合于对晶圆（Wafer）进行多工位的并测，AccoTEST的FOVI就属于这一种类型。
　　
　　5 浮动V/I源的主要优势
　　
　　 浮动V/I源与共地V/I源相比有以下一些主要优势：
　　 （1）抑制地线干扰 提高地线质量
　　 图12是共地V/I源和浮动V/I源的地线电流比较示意图，由图可知，共地源系统中各工位、各V/I源的电流最终都汇入统一的系统地线，虽然独立DGS信号的共地V/I源有能力从静态和直流角度去保证每一工位、每一共地源的驱动或测量电压的精度，但从动态和交流的角度无法完全避免地线电流对各V/I源的影响。在这一点上，浮动V/I源与共地V/I源的最大区别就在于在浮动源系统中的地线只是提供了一个地线电位，而没有电流从地线中流过，从原理上讲这将有效抑制系统各共地资源间通过地线的相互干扰（特别是地线上有大电流的情况下），提高地线质量。
　　 但事情总是辨证的，原理上的优势总是需要有先决条件的，浮动V/I源为了达到浮动的目的通常需要进行电源隔离，而不管是采用高频变压器隔离还是采用DC/DC隔离都会带来额外的高频共模和差模干扰，特别是高频共模干扰可以说是浮动V/I源所特有的特性，共地V/I源是不会有这种高频共模干扰的。因此只有最大限度上有效抑制高频共模干扰才能真正体现出地线质量的提高，并不是说浮动V/I源系统就一定会优于共地V/I源系统。
　　 （2）高电平上的小信号电压（或电阻）测量
　　 浮动V/I源在单工位成品测试中最必要和典型的应用莫过于是在高电平上测试一个小信号电压（或小电阻），这也是功率器件测试中最难于测准和测稳的参数之一。图13是功率脉冲调宽（PWM）器件的测试图，需要测试其输出级功率MOSFET Q1的导通压降，如采用共地V/I源进行测试则需要采用较大的电压量程对地分别测试器件的正电源端VIN的电压和输出端LX的电压，再将两次测试的数据相减得到Q1的导通压降。而用浮动V/I源则可以采用较小的电压量程在VIN和LX之间一次测出Q1的导通压降，并获得更好的测试精度和稳定性。
　　 （3）在多工位晶圆测试中的优势
　　 如果说浮动V/I源在成品测试中会有一些参数（如前例提到的高电平上的小信号测试）测得比共地V/I源更精确、更稳定的话，而在多工位晶圆测试中则有一些测试案例则是共地V/I源难以完成的，这主要指的是衬底不是地线或不是测试公共端的晶圆测试，特别是在进行多工位并测的情况下。
　　 图14是共地V/I源实现MOSFET成品四工位并测示意图，图15是浮动V/I源实现MOSFET晶圆四工位并测示意图，由于MOSFET 晶圆的衬底是漏极（D），在晶圆中所有器件的漏极（D）都被短接在了一起，而作为栅源（GS）极供电的V/I源和漏源极（DS）供电的V/I源若要采用共地V/I源的话，器件漏极（D）将被短接到地，导致多只被并测的器件被并联短接在一起，无法独立完成测试，因此在这种情况下共地V/I源就显得无能为力了，只能依靠浮动V/I源来完成测试，可以说晶圆的多工位并测最能体现浮动V/I源的价值。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　 （4）减少测试中大功率V/I源的数量
　　 在有些测试案例中采用浮动V/I源可以比采用共地V/I源减少大功率V/I源的数量，图16是采用共地V/I源和浮动V/I源测试电压调整器的示意图。
　　 在采用共地源的测试方案中，共地V/I源1是大功率V/I源，工作在恒压方式，由其设定低压差电压调整器（LDO）的输入电压。共地V/I源2也是大功率V/I源，工作在恒流测压方式，由其设定LDO的负载电流并测试输出电压。共地V/I源3是小功率V/I源，工作在恒压测流方式，由其测试调整端（ADJ）的电流。
　　 在采用浮动源的测试方案中，浮动V/I源1是小功率V/I源，工作在恒压测流方式，由其设定LDO的输入电压并测试调整端ADJ的电流。浮动V/I源2是小功率V/I源，工作在测压方式，由其测试输出电压。只有浮动V/I源3是大功率V/I源，工作在恒流方式，由其设定负载电流。
　　 由于大功率V/I源的成本较高，另外在系统中通常配置的数量有限，所以两个测试方案在测试LDO时虽然都需要采用三路V/I源，但采用浮动V/I源的方案可以比采用共地V/I源的方案减少一路大功率的V/I源，在降低测试成本方面还是有一定积极意义的。
　　 图17是浮动V/I源和共地V/I源测试马达驱动电路输出级的示意图，由图可知对于马达驱动电路的桥式平衡输出电路施加电流负载，采用共地V/I源需要两路，而采用浮动V/I源则只需要一路，同样也是节省了大功率的V/I源。
　　 （5）V/I源的串联工作方式
　　 共地V/I源不能串联工作，而浮动V/I源可以串联工作，以应对需要更高电压的应用案例。图18是浮动V/I源串联工作示意图，串联后的浮动V/I源可以看成是一个新的浮动V/I源，只是需要分别设置两个浮动V/I源的参数来共同满足输出的需求。
　　
　　6 浮动V/I源的共模干扰和认识误区
　　
　　 （1）浮动源的共模干扰
　　 图19是浮动V/I源的共模干扰示意图，浮动V/I源在进行信号隔离和电源隔离后一定还会有一个内部的浮动地线（FGND），由于隔离部分分布参数（主要是分布电容）的存在，一个交流信号表现在浮动地线（FGND）和系统地线（AGND）之间，由于交流信号存在于整个浮动体和系统地线之间，而不是存在于浮动V/I源的两组输入/输出端之间，所以是一种共模干扰，这也是浮动V/I源特有的干扰模式（共地V/I源没有这种共模干扰），这也许就是V/I源获得浮动所带来的代价。这种共模干扰主要会干扰小信号参数的测量精度特别是稳定性，并且不能简单地通过增加电容来滤除，只有通过合理使用浮动V/I源和合理搭接测试线路使共模干扰的作用降到最小。
　　 （2）关于浮动V/I源的认识误区
　　 对于浮动V/I源的一种错误认识认为：浮动V/I源就像一节电池，与系统地线之间没有任何的关系，是彻底的、完全的浮动。但是事实并非如此，浮动都是有条件的，在直流和低频下可以认为浮动V/I源是浮动的，但在高频下就不能这么认为，浮动V/I源正是因为浮动地和系统地线、系统电源系统之间存在着复杂的分布电容等分布参数，而为高频信号提供了通道导致了共模干扰。
　　 对于浮动V/I源的另一种错误认识认为：既然V/I源是浮动的，系统地线就没有意义了。实际上，浮动源的目的是为了搭接线路的方便，而不是舍弃系统地线。不接系统地线虽然也可以完成器件的测试，但是理论和事实都证明，全浮动进行器件测试不能得到最佳的测试效果，原因是如果被测器件和浮动V/I源构成了一个完全的浮动体，器件将更容易受到各种干扰（其中最主要的是共模干扰），特别是在测试微小漏电参数的情况下。
　　 对于浮动V/I源还有一种错误认识认为：V/I源既然是浮动的，如果要接地不管是高端接地还是低端接地都是一样的。事实证明，浮动V/I源高端接地还是低端接地的效果是大不一样的，低端接地的效果是最好的，高端接地的效果是最差的，不接地的效果位于中间。
　　
　　7 关于浮动V/I源的小结
　　
　　 如前所述，浮动V/I源和共地V/I源（必须是每通道具备独立DGS信号）都可以完成完整的四线开尔文测试，都可以支持多工位并行测试，因而在大多数成品测试中没有明显的区别。但在一些特殊的测试场合中浮动V/I源表现出相对更优异的特性，例如更灵活的线路搭接方式，这对于非地线衬底的晶圆多工位测试特别有利。浮动V/I源还可以减少各硬件资源之间通过地线的相互干扰，在有些应用场合采用浮动V/I源测试可以减少大电流功率V/I的数量。另外浮动V/I源还可以通过串联而得到更高的电压，这些都是浮动V/I源相比共地V/I源有优势的方面。
　　 但是事情总是辨证的，在浮动V/I源给我带来这些优越性的同时，无形当中也提高了V/I源的成本（即测试成本），还会带来一些如共模干扰这种共地V/I源所没有的特性，因此在使用浮动源的时候需要对浮动V/I的特性有一个深入、客观的了解，避免由于不正确的应用非但没有发挥出浮动V/I源的优势，反而将例如共模干扰这样一些浮动V/I源的弱点暴露出来。另外在调试的时候也需要注意，在由浮动V/I源搭接的测试线路中要谨慎使用示波器，因为示波器各测量通道是共地的（而且是系统地），因此有可能会短路所搭接的浮动测试线路，最好使用系统提供的电子示波器（例如AccoTEST的SOFTVIEW）功能。
　　 我们对待浮动V/I源和共地V/I源需要有一个客观、辨证的认识，分清哪些测试需求必须采用浮动V/I源才能实现，哪些测试需求采用浮动V/I源比采用共地V/I源有更好的测试效果，哪些测试需求则采用浮动V/I源和共地V/I源没有本质的区别。
　　 在ATE系统配置方面也需要考虑是配置全部浮动V/I源的系统，还是配置全部共地V/I源的系统，或是构建一个由浮动V/I源和共地V/I源共同构成的系统，以求获得测试灵活性、测试效果和测试成本之间的更好平衡。
　　 应该说测试系统只是给客户搭建了一个测试平台，任何测试应用都是基于这个平台来完成。一个好的测试平台除了其自身的性能和可靠性以外，还应该包括更多种类的硬件资源可供选择，还要有方便的软件调试工具，但是最终借助于一个测试平台高效、低成本地完成测试过程还需要靠对测试对象和测试原理的理解，同时也要靠对平台中各种测试资源的深入了解。
　　
　　作者简介
　　孙铣，高级工程师，公司创始人之一，1993年起担任总工程师, 在抗干扰技术、微弱信号检测技术、脉冲测试技术、失效分析技术等各方面都有很高造诣，是华峰测控的技术领路人，模拟信号测试技术专家，被评为航天部有突出贡献的专家，并享受国务院颁发的政府特种津贴。
　　
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文