運放電路在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

王金萍，吳熙文

(中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072)

運放電路在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

王金萍，吳熙文

(中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072)

硬件芯片的功能、可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，使得硬件測試越來越受到重視。在測試過程中為提高測試的精度和穩(wěn)定性，會在測試芯片外圍電路的基礎(chǔ)上根據(jù)不同芯片的測試難點增加測試輔助電路，運放電路是其中較為常見的測試輔助電路。根據(jù)各運放電路的特點與功能，分別描述和研究了在遇到測試難點時運算放大器、電壓跟隨器和電壓比較器在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用，從而有效提高了測試精度。

硬件測試；運算放大器；電壓跟隨器；電壓比較器

1 引言

在硬件測試過程中，測試工程師一般會根據(jù)客戶提供的外圍電路以及測試要求與規(guī)范設(shè)計待測試電路的外圍電路，并且根據(jù)不同電路的特點會對外圍電路增加一些輔助器件，以使得測試效果更佳。這些輔助器件有很多種，較常見的就是運放電路，根據(jù)不同應(yīng)用包括運算放大器、電壓跟隨器與電壓比較器等，這些運放電路各有特點，本文即對運放電路等輔助器件在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用進行分析和研究。

2 幾類運放電路的基本原理

運放電路根據(jù)不同應(yīng)用可分為很多種類，本文僅介紹在測試系統(tǒng)中應(yīng)用較多的運算放大器、電壓跟隨器與電壓比較器。本節(jié)對這些電路的基本原理進行簡單介紹。

2.1 運算放大器的基本原理

運算放大器一般由4部分組成，偏置電路、輸入級、中間級以及輸出級。根據(jù)輸入電壓作用位置不同，運算放大器包括反相放大器和同相放大器，反相放大器電路如圖1所示。輸入電壓uI通過電阻R作用在運算放大器的反相輸入端，所以輸出電壓uO和輸入電壓uI反相。電路中通過Rf引入負反饋，為了降低輸入級偏置電流引起的運算誤差，在同相輸入端要接入補償電阻 R′=R//Rf，通過“虛短路”和“虛斷路”的概念，可以整理得出：

輸出電壓uO和輸入電壓uI成反相比例關(guān)系，比例系數(shù)為-Rf/R。比例系數(shù)可以大于1，即為放大關(guān)系，可以小于1，即為縮小關(guān)系，也可以等于1。反相運算放大器對輸入信號的負載能力是有一定要求的。

圖1 反相運算放大器

將圖1中的輸入端和接地端互換位置，得到同相放大器電路，如圖2所示，根據(jù)“虛短”和“虛斷”的原則，整理得到：

可以看出，同相放大器中uO與uI同相，且反相放大器既可實現(xiàn)縮小又可實現(xiàn)放大，而同相放大器因uO大于uI，只可實現(xiàn)放大。

圖2 同相運算放大器

2.2 電壓跟隨器的基本原理

若將同相放大器進一步變化，將輸出電壓的反饋直接接到反相輸入端，反相輸入端不再接地，如圖3所示，電路引進了電壓串聯(lián)負反饋，且反饋系數(shù)是1，得到輸出電壓uO和輸入電壓uI的關(guān)系為：

電壓跟隨器主要起緩沖、隔離和提高帶載能力的作用。

2.3 電壓比較器的基本原理

電壓比較器是對兩個模擬電壓進行比較，判斷哪個電壓較高，并在輸出端以高電平或低電平表示比較的結(jié)果。電壓比較器較常見的有單限比較器、滯回比較器和窗口比較器，本文僅對一般單限比較器進行簡單介紹。

圖3 電壓跟隨器

電壓比較器除供電和接地外主要有3個端子，同相輸入端接輸入電壓uI，反相輸入端接比較電壓，或稱為參考電壓uREF，輸出端接輸出電壓uO，如圖4所示。三者之間的關(guān)系為，當輸入電壓uI大于參考電壓uREF時，輸出端為高電平uOH，當輸入電壓uI小于參考電壓uREF時，輸出端為低電平uOL，電壓傳輸特性如圖5所示。

圖4 電壓比較器

圖5 電壓傳輸特性

3 運放電路在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用

運算放大器、電壓跟隨器和電壓比較器都有各自的特點和作用，而在硬件測試過程中，待測芯片的特性和其測試要求也具備不同的特點，有些芯片直接測試效果較差，需要借助一些輔助電路來改善其測試效果，本節(jié)介紹4類測試過程中遇到的問題以及如何使用運放電路改善這些問題。

3.1 運算放大器的應(yīng)用

在芯片測試過程中，基準電壓測試一般為關(guān)鍵測試項。電路不同，基準電壓的測試規(guī)范上下限范圍也不同，如有些基準電壓測試規(guī)范上下限浮動較大，有幾百毫伏，而有些規(guī)范較嚴格，上下限浮動很小，只有幾毫伏。如某電路的基準電壓測試規(guī)范上下浮動僅有±3mV，這樣嚴格的測試范圍對開發(fā)人員、校準人員以及測試系統(tǒng)的要求都較高，較易出現(xiàn)測試不穩(wěn)和測偏的情況，測試難度較大，因此可以使用運算放大器進行輔助解決。

如圖6所示，若不使用運算放大器，即需要測量CS的電壓uCS，若系統(tǒng)測量值的跳動幅度為0.1～1 mV，則其相對誤差百分比為3.3%～33%，很明顯，誤差相對較大。為降低測量相對誤差，使用10倍反相運算放大器，如圖6中輸入端電阻為100 kΩ，反饋電阻為1MΩ，補償電阻為前兩者并聯(lián)電阻，需要注意的一點是，所使用的電阻必須為精密電阻，不能使用普通電阻，否則放大比例會出現(xiàn)偏差，反而使精度下降。放大10倍之后，可允許測量值在基準電壓上下浮動的范圍即為±30mV，而測試系統(tǒng)測量值跳動幅度仍為0.1～1 mV，在測試程序中計算CS的電壓uCS=-uO/10，那么CS的電壓值跳動浮動僅為0.01～0.1 mV，其相對誤差百分比為0.33%～3.3%，有效提高了測試精度。如圖7所示即是某個項目實際測試中對運算放大器的有效應(yīng)用。

圖6 反相運算放大器放大電路的應(yīng)用

圖7 電路測試原理圖

運算放大器不止能起到放大作用，也可以起到縮小的作用。在測試條件中，通常會對一些腳位加電壓或電流再進行相對應(yīng)的測量，在不同條件下所加電壓或電流的大小也是不同的。比如在某電路的測試規(guī)范中，要求CS腳加7.3 mV電壓，對于測試系統(tǒng)來說，這個量級的電壓不論是測量還是加壓精度都較低，較難實現(xiàn)高精度。同理，為降低相對誤差、提高加壓精度，運用反相運算放大器的縮小作用加以輔助，如圖8所示。反相輸入端電阻為1 MΩ，反饋電阻為100 kΩ，補償電阻為前兩者并聯(lián)電阻，放大比例為-0.1，因此可以由測試系統(tǒng)加-73 mV的電壓，這樣CS腳上加的電壓就為較精準的7.3 mV了。

圖8 反相運算放大器縮小電路的應(yīng)用

3.2 電壓跟隨器的應(yīng)用

在芯片測試中，有時需要測試非輸出腳的電壓，如圖9，測試某電路的CMP腳電壓VREF。該電路的CMP腳非輸出腳，其驅(qū)動能力較弱，在測試機電源采用加流測壓的模式，輸入1 μA電流，測量測試機內(nèi)部電阻R兩端的電壓即是VREF電壓值。但是由于CMP驅(qū)動能力較弱，芯片會產(chǎn)生一個小電流i，對于驅(qū)動能力較高的管腳，也會存在這個小電流，但這個電流會非常小，相對于1 μA的電流可以忽略不計，測量的電壓值精度較高；而對于該芯片，由于CMP驅(qū)動能力較弱，因此產(chǎn)生的這個小電流i會相對較大，甚至可以達到幾百納安，相對于1 μA的電流較大，這樣就會使VREF腳測得的電壓值比實際值要小，因此無法直接測量。

圖9 對弱驅(qū)動能力電路的測試電路圖

電壓跟隨器是由三極管構(gòu)成的共集電路，其電壓增益恒小于且接近于1，該電路主要特點為輸入阻抗高，輸出阻抗低，可以起到緩沖、隔離和提高帶載能力的作用。對于上述驅(qū)動能力較弱的電路管腳，可以在測試中添加一個跟隨器進行輔助測試，如圖10所示。根據(jù)電壓跟隨器的特點，可以將CMP腳產(chǎn)生的小電流i隔離掉，又因其電壓增益接近于1，可知此時測試機測得的電壓值即為CMP腳的電壓值VREF?？梢钥闯觯恿穗妷焊S器后明顯調(diào)高了該電路的測試精度。

圖10 電壓跟隨器應(yīng)用電路

在芯片測試中，經(jīng)常會測試電路信號波形的一些參數(shù)，比如周期、頻率、高低電平時間等，這些參數(shù)都可以利用測試系統(tǒng)的TMU模塊進行測試，然后如果需要測試波形的峰值，TMU模塊是無法實現(xiàn)的，直接利用電源也無法有效進行測試，這時就可以利用電壓跟隨器搭配電容和二極管組成峰值檢測器，如圖11所示。

圖11 峰值檢測器電路圖

峰值檢測器主要包括4個模塊：(1)用來保持最近峰值的模擬存儲器，也就是電容器，它可以存儲電荷從而可以當作一個電壓存儲器使用，由CH實現(xiàn)；(2)當另一個新峰值出現(xiàn)時，用來進一步對電容進行充電的單向電流開關(guān)，也就是二極管，由D2實現(xiàn)；(3)當一個新峰值出現(xiàn)的時候，使電容電壓能夠跟蹤輸入電壓的器件，也就是電壓跟隨器，由A1實現(xiàn)；(4)當進行下一個芯片測試時，能夠?qū)⑤敵鲭妷褐匦轮昧愕拈_關(guān)，即利用開關(guān)將電容放電，釋放電容內(nèi)的電荷，由SW實現(xiàn)。

峰值檢測器工作簡述如下：當電壓波形逐漸上升時，電壓跟隨器A1可以跟蹤芯片波形輸出管腳的電壓uI，由于電壓不斷升高，呈正向?qū)顟B(tài)，二極管D2也一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，不斷給電容CH充電，同時電壓跟隨器A2對電容電壓進行緩沖跟隨，以防止通過R以及任何外部負載所引起的放電，跟隨器A1利用反饋通路D2-A2-R使其輸入端之間保持虛短路，由于R上沒有電流，因此可以使輸出電壓uO跟蹤uI，在此期間，A1流出的電流經(jīng)過D2對電容充電，使A1的輸出比uO高出一個二極管的壓降，即uI=uO+VD2(on)，uO的值也不斷升高。直到到達峰值后，uI值比前一刻小時，此時跟隨器A1的值小于電容的電壓值，二極管D2不再呈導(dǎo)通狀態(tài)，A2-R-D1的通路導(dǎo)通，由虛短概念可知，A1的輸出此時比uI低了一個二極管壓降，即uI=uI-VD1(on)，此時uO=uI。由此就可以實現(xiàn)對芯片的峰值檢測，測試完成后將開關(guān)SW閉合，將電容放電，以便進行下一顆芯片的檢測。

3.3 電壓比較器的應(yīng)用

在模擬電路測試中，PWM器件占據(jù)測試電路的較大比例，包括AC-DC電路、DC-DC電路以及LED驅(qū)動電路，而這些電路的關(guān)鍵參數(shù)測試中除了基準電壓的測試外也包括關(guān)于波形參數(shù)的一些測試，如周期、頻率、高低電平時間、占空比等。不同電路的波形種類也不同，包括方波、三角波、梯形波等波形，不同的測試系統(tǒng)對于這些波形的測試能力也不同。有的測試系統(tǒng)可以測試多種不同波形的電路，而有的測試系統(tǒng)僅對方波的測試較為準確，對于其他波形電路的參數(shù)測試能力較弱甚至無法測量。這種情況為工程師帶來了一定的困擾，本節(jié)將介紹利用電壓比較器將三角波、梯形波等轉(zhuǎn)換成方波進行測試的方法。

如圖12所示的三角波，選定合適的參考電壓Vref，利用電壓比較器，將三角波輸入電壓Vin與參考電壓Vref進行比較，當 Vin＞Vref時，輸出高電平 VOH，當 Vin＜Vref時，輸出低電平VOL。這樣就可以將三角波成功轉(zhuǎn)換為方波，圖12中為上升沿和下降沿的參考電壓為同一值的情況，實際中上升沿和下降沿的參考電壓也可根據(jù)不同情況選定不同值進行轉(zhuǎn)換。三角波轉(zhuǎn)換成方波后，對除方波外的其他波形測試較差的測試系統(tǒng)也可以更好地測試其周期、頻率、高低電平時間等。但是有一些參數(shù)的測試會有影響，如上升沿時間、下降沿時間等，若有這些參數(shù)需要測試，則需要直接選擇對三角波等測試穩(wěn)定的測試系統(tǒng)。

圖12 三角波轉(zhuǎn)換為方波示意圖

4 結(jié)束語

當今社會科技越來越發(fā)達，這一切都離不開集成電路硬件的支撐，而硬件測試也越來越受到重視。為提高測試精度，不斷改善測試方法和測試工具，本文簡述了利用運放電路進行輔助測試的方法，先分別介紹運算放大器、電壓跟隨器和電壓比較器的工作原理，再根據(jù)其各自的特點和作用分別介紹了運算放大器、電壓跟隨器和電壓比較器在測試系統(tǒng)中的應(yīng)用。在測試過程中對這些輔助器件進行靈活應(yīng)用，不僅可以提高測試參數(shù)的精度，也可以提高測試的穩(wěn)定性，對于一些較難測得的參數(shù)也可以很好地進行測試，如由跟隨器構(gòu)成的峰值檢測器的應(yīng)用。在實際測試過程中運放電路的應(yīng)用還有很多，且常用作測試輔助工具的也不僅僅是運放電路，還有很多其他電路器件對提高測試的穩(wěn)定性及精度有很大作用，有待在今后的工作中繼續(xù)發(fā)掘與探索。

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[3]Sergio Franco.Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits[M].McGraw-Hill Education,Inc.2001.

Application of Operational Amplifier Circuit in Test System

WANG Jinping,WU Xiwen
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

With the developing of technology,the functionality,reliability and stability of hardware chips are critical,so that the hardware testingis getting more and more attention.In the test process,testing engineers will make use of the auxiliary circuit based on the external circuit according to the testing difficulty to improve the accuracyandstability.OpAmpcircuitisthe commonlytestingauxiliarycircuit.Accordingto the characteristics and functions of different Op Amp circuits,this paper describes the application of operational amplifiers,voltage followers and voltage comparators in test system when the test difficulties are encountered,so that can improve the testaccuracyeffectively.

hardware testing;operationalamplifier;voltage follower;voltage comparators

TN407

A

1681-1070（2017）12-0018-05

2017-07-02

王金萍(1989—)，女，河北滄州人，工程師，2016年畢業(yè)于江南大學控制工程專業(yè)，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第五十八研究所從事集成電路測試方面的工作，主要研究方向為模擬電路的測試技術(shù)。