自動測試設備應用中PhotoMOS開關的替代方案

簡介

人工智能(AI)應用對高性能內存，尤其是高帶寬內存(HBM)的需求不斷增長，芯片設計因此變得更加復雜。自動測試設備(ATE)廠商是驗證這些芯片的關鍵一環，目前正面臨著越來越大的壓力，需要不斷提升自身能力以滿足這一需求。傳統上，在存儲器晶圓探針電源應用中，PhotoMOS開關因其良好的低電容乘電阻(CxR)特性而得到采用。低CxR有助于減少信號失真，改善開關關斷隔離度，同時實現更快的開關速度和更低的插入損耗。

除了上述優點外，PhotoMOS開關的關態電壓也較高，但也存在一些局限性，主要體現在可靠性、可擴展性和導通速度方面。其中，導通速度較慢一直是客戶不滿的一大原因。

為了應對這些挑戰，ADI公司開發出了新型開關來取代存儲器晶圓探針電源應用中的PhotoMOS。ADI開關不僅導通速度非常快，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展性，能夠改善測試的并行處理能力，使ATE能夠處理更大規模、速度更快的測試任務。如今AI應用對高效和高性能內存測試的需求日益增長，為此，ATE公司正積極尋求更優的解決方案。在這種背景下，ADI開關憑借一系列出色特性，成為了PhotoMOS的有力替代方案。

應用原理圖

在ATE設置中，開關扮演著非常重要的角色。開關能夠將多個被測器件(DUT)連接到同一個測量儀器（例如參數測量單元PMU），或者將它們從測量儀器上斷開，以便執行測試流程。具體來說，開關使得PMU能夠高效地向不同DUT施加特定電壓，并檢測這些DUT反饋的電流。開關能夠簡化測試流程，在需要同時或依次測試多個DUT的情況下，這種作用更加突出。通過使用開關，我們可以將PMU的電壓分配到多個DUT，并檢測其電流，這不僅提高了測試效率，還大幅減少了每次測試之間重新配置測試裝置的麻煩。

圖1 PMU開關應用

圖2 PhotoMOS和CMOS開關架構 

圖1展示了如何利用開關輕松構建矩陣配置，使得一個PMU就能評估多個DUT。這種配置減少了對多個PMU的需求，并簡化了布線，從而顯著提高了ATE系統的靈活性和可擴展性，對于大批量或多器件的測試環境至關重要。

開關架構

為便于理解評估研究（即利用開發的硬件評估板對PhotoMOS開關和CMOS開關進行比較）以及研究得出的結果，這里比較了PhotoMOS開關和CMOS開關的標準。從二者的開關架構開始比較更易于看出差別。

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

對于PhotoMOS開關，C_OFF位于漏極輸出引腳之間。此外，PhotoMOS開關具有輸入到輸出電容（也稱為漏極電容），同時在其用于導通和關斷輸出MOSFET的發光二極管(LED)級也存在輸入電容。

對于CMOS開關，C_OFF位于源極和漏極引腳之間。除了C_OFF之外，CMOS開關還有漏極對地電容(CD)和源極對地電容(CS)。這些對地電容也是客戶在使用CMOS開關時經常抱怨的問題。

當任一開關使能時，輸入信號便可傳輸至輸出端，此時源極和漏極引腳之間存在導通電阻(R_ON)。通過了解這些架構細節，我們可以更輕松地分析評估研究中的電容、R_ON和開關行為等性能指標，確保為特定應用選擇正確的開關類型。

開關規格和附加值

為了更好地對開關進行定性和定量評估，應該考察其在系統設計應用中帶來的附加值。如上所述，對于圖1所示應用，ADG1412是理想選擇，可以輕松替代PhotoMOS開關。這款CMOS開關是四通道單刀單擲(SPST)器件，擁有出色的特性，包括高功率處理能力、快速響應時間、低導通電阻和低漏電流等。設計人員可以通過比較表1列出的重要指標，評估CMOS開關性能并打分，從而量化其相對于其他替代方案的優勢。這有助于更深入地了解器件的信號切換效率，對于復雜或敏感的電子系統非常有幫助。

表1 開關規格

*CD(OFF)會影響CxR乘積性能

關斷隔離：開關斷開時的電容

兩種開關的關斷隔離曲線（圖3）表明，輸入信號受到高度抑制（100 kHz時為-80 dB），未到達輸出端。隨著頻率提高，PhotoMOS的性能開始略高一籌，二者相差-10 dB。對于圖1所示的開關應用（直流(DC)切換），開關電容并不重要，重要的開關參數是低漏電流、高導通速度和低插入損耗。

圖3 關斷隔離曲線

插入損耗：開關導通電阻

低R_ON的開關至關重要。I*R電壓降會限制系統性能。各器件之間以及溫度變化引起的R_ON波動越小，測量誤差就越小。圖4中的插入損耗曲線顯示，在100 kHz頻率下，PhotoMOS開關的插入損耗為-0.8 dB，而CMOS開關的插入損耗僅為-0.3 dB。這進一步證實了CMOS開關具有較低的R_ON (1.5 Ω)。

圖4 插入損耗曲線

圖5 開關導通時間

開關導通時間

當驅動使能/邏輯電壓施加到任一開關上，使其閉合并將輸入信號傳遞到輸出端時，如果使用的是PhotoMOS開關，則會存在明顯的延遲（如圖5所示）。這種較慢的導通速度由于LED輸入級的輸入電容，以及內部電路將電流轉換為驅動MOSFET柵極所需電壓的過程中產生的延遲造成的。導通速度慢一直是客戶不滿的主要原因，而且會影響系統整體應用的速度和性能。相比之下，CMOS開關的導通速度(100 ns)是PhotoMOS開關(200,000 ns)的2000倍(×2000)，更能滿足系統應用所需。

設計遷移：PhotoMOS替換為ADG1412開關

如果系統中使用的是PhotoMOS開關，并且遇到了測量精度不高、導通速度慢導致系統資源占用過多，以及難以提高通道密度等問題，那么升級到采用CMOS開關的方案將使開發變得非常簡單。圖6顯示了PhotoMOS開關與CMOS開關的連接點對應關系。因此，系統設計可以利用CMOS開關，以更低的成本實現更高的通道密度。

圖6 開關連接點

ADI開關可提高通道密度

表2列出了一些能夠提高通道密度的ADI開關示例。這些開關具有與ADG1412類似的性能優勢，導通電阻更低（低至0.5 Ω），而且成本比PhotoMOS開關還低。這些開關提供串行外設接口(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開關示例

結論

本文著重說明了CMOS開關的潛力。在ATE應用中，ADG1412可以很好地取代PhotoMOS開關。比較表明，CMOS開關的性能達到甚至超過了預期，尤其是在對開關電容或漏極電容要求不高的場合。此外，CMOS開關還擁有顯著的優勢，例如更高的通道密度和更低的成本。

ADI公司的CMOS開關產品系列非常豐富，不僅提供導通電阻更低的型號，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系統中使用CMOS開關的方案。

作者簡介

Edwin Omoruyi是ADI愛爾蘭公司儀器儀表事業部的高級產品應用工程師。2007年，他畢業于利默里克理工學院，獲得電子系統工程學士榮譽學位。2010年，他畢業于利默里克大學，獲得超大規模集成電路(VLSI)碩士榮譽學位。2010年至2018年，Edwin擔任ADI公司汽車和座艙電子事業部的應用工程師，之后于2023年，他再次加入ADI公司。除了在ADI公司的工作經歷之外，他還曾在汽車和制造行業擔任系統架構師，負責AD/ADAS傳感應用開發。