自動測試設(shè)備應(yīng)用中PhotoMOS開關(guān)的替代方案
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問題
人工智能(AI)應(yīng)用對高性能內(nèi)存，特別是高帶寬內(nèi)存(HBM)的需求不斷增長，這是否會導(dǎo)致自動測試設(shè)備(ATE)廠商的設(shè)計變得更加復(fù)雜？
回答
AI需要高密度和高帶寬來高效處理數(shù)據(jù)，因此HBM至關(guān)重要。ATE廠商及其開發(fā)的系統(tǒng)需要跟上先進(jìn)內(nèi)存接口測試的發(fā)展步伐。ADI公司的CMOS開關(guān)非常適合ATE廠商的內(nèi)存晶圓探針電源測試。這些CMOS開關(guān)擁有快速導(dǎo)通和可擴展性等特性，能夠提升測試并行處理能力，從而更全面、更快速地測試內(nèi)存芯片。
簡介
隨著AI應(yīng)用對高性能內(nèi)存，尤其是高帶寬內(nèi)存(HBM)的需求不斷增長，內(nèi)存芯片設(shè)計將變得更加復(fù)雜。ATE廠商是驗證內(nèi)存芯片的關(guān)鍵一環(huán)，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(tǒng)上，在存儲器晶圓探針電源應(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有助于減少信號失真，改善開關(guān)關(guān)斷隔離度，同時實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更低的插入損耗。
除了上述優(yōu)點外，PhotoMOS開關(guān)的關(guān)斷電壓也較高，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)對這些挑戰(zhàn)，ADI公司開發(fā)出了新型開關(guān)來取代存儲器晶圓探針電源應(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展性，能夠改善測試的并行處理能力，使ATE能夠處理更大規(guī)模、速度更快的測試任務(wù)。如今AI應(yīng)用對高效和高性能內(nèi)存測試的需求日益增長，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€被測器件(DUT)連接到同一個測量儀器（例如參數(shù)測量單元PMU），或者將它們從測量儀器上斷開，以便執(zhí)行測試流程。具體來說，開關(guān)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(guān)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(guān)，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(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(tǒng)的靈活性和可擴展性，對于大批量或多器件的測試環(huán)境至關(guān)重要。
開關(guān)架構(gòu)
為便于理解評估研究（即利用開發(fā)的硬件評估板對PhotoMOS開關(guān)和CMOS開關(guān)進(jìn)行比較）以及研究得出的結(jié)果，有必要對PhotoMOS開關(guān)和CMOS開關(guān)進(jìn)行比較。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)斷開時的關(guān)斷電容(COFF)。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(guān)，COFF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），同時在其用于導(dǎo)通和關(guān)斷輸出MOSFET的發(fā)光二極管(LED)級也存在輸入電容。
對于CMOS開關(guān)，COFF位于源極和漏極引腳之間。除了COFF之外，CMOS開關(guān)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(guān)時經(jīng)常抱怨的問題。
當(dāng)任一開關(guān)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(dǎo)通電阻(RON)。通過了解這些架構(gòu)細(xì)節(jié)，我們可以更輕松地分析評估研究中的電容、RON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
為了更好地對開關(guān)進(jìn)行定性和定量評估，應(yīng)該考察其在系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中帶來的附加值。如上所述，對于圖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)時間、低導(dǎo)通電阻和低漏電流等。設(shè)計人員可以通過比較表1列出的重要指標(biāo)，評估CMOS開關(guān)性能并打分，從而量化其相對于其他替代方案的優(yōu)勢。這有助于更深入地了解器件的信號切換效率，對于復(fù)雜或敏感的電子系統(tǒng)非常有幫助。
表1 開關(guān)規(guī)格
評估標(biāo)準(zhǔn) | PhotoMOS | ADG1412 | 附加值 | 記分卡 |
漏電流 | 1nA | 30pA | 非常適合漏電流測試；輸出端電壓誤差貢獻(xiàn)更小 | CMOS開關(guān)更好 |
COFF | 0.45pF | 1.6pF | 波形失真更小，隔離度更高 | PhotoMOS開關(guān)更好 |
RON | 12Ω | 1.5Ω | 輸出端信號壓降較低，插入損耗更低 | CMOS開關(guān)更好 |
(CxR)乘積 | 5.4pF.Ω | 2.4pF.Ω* | 波形失真更小、隔離度更高、信號損失較低 | PhotoMOS開關(guān)略勝一籌，因為其漏極電容較低 |
漏極電容[CD(OFF)] | 1pF | 23pF | 值越高，CxR性能越差，導(dǎo)致輸入信號失真，關(guān)斷隔離度降低 | PhotoMOS開關(guān)更好 |
導(dǎo)通速度 | 200μs | 100ns | 切換能力較快 | CMOS開關(guān)更好 |
電壓、電流能力 | （32V、120mA） | （32V、250mA） | 能夠?qū)⒏噍敵鲵?qū)動電流傳輸?shù)截?fù)載 | CMOS開關(guān)更好 |
成本/通道 | 高 | 低 | 有助于提高通道密度，成本最多降低50% | CMOS開關(guān)更好 |
封裝面積 | 3.55mm2 | 每個開關(guān)4.00 mm2 | 布局后開關(guān)面積非常接近 | 非常接近 |
*CD(OFF)會影響CxR乘積性能
關(guān)斷隔離：開關(guān)斷開時的電容
兩種開關(guān)的關(guān)斷隔離曲線（圖3）表明，輸入信號受到高度抑制（100kHz時為-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-10dB。對于圖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RON的開關(guān)至關(guān)重要。I*R電壓降會限制系統(tǒng)性能。各器件之間以及溫度變化引起的RON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(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)一步證實了CMOS開關(guān)具有較低的RON (1.5Ω)。
圖4 插入損耗曲線
圖5 開關(guān)導(dǎo)通時間
開關(guān)導(dǎo)通時間
當(dāng)驅(qū)動使能/邏輯電壓施加到任一開關(guān)上，使其閉合并將輸入信號傳遞到輸出端時，如果使用的是PhotoMOS開關(guān)，則會存在明顯的延遲（如圖5所示）。這種較慢的導(dǎo)通速度由于LED輸入級的輸入電容，以及內(nèi)部電路將電流轉(zhuǎn)換為驅(qū)動MOSFET柵極所需電壓的過程中產(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)，并且遇到了測量精度不高、導(dǎo)通速度慢導(dǎo)致系統(tǒng)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(guān)的方案將使開發(fā)變得非常簡單。圖6顯示了PhotoMOS開關(guān)與CMOS開關(guān)的連接點對應(yīng)關(guān)系。因此，系統(tǒng)設(shè)計可以利用CMOS開關(guān)，以更低的成本實現(xiàn)更高的通道密度。
圖6 開關(guān)連接點
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，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
產(chǎn)品 | RON(Ω) | 開關(guān)配置 | 1ku標(biāo)價/通道($) |
ADG2412 | 0.5 | 四通道SPST | 非常有競爭力 |
ADG6412 | 0.5 | 四通道SPST | 非常有競爭力 |
ADGS2414D | 0.56 | SPI：八通道SPST | 非常有競爭力 |
結(jié)論
本文著重說明了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)到甚至超過了預(yù)期，尤其是在對開關(guān)電容或漏極電容要求不高的場合。此外，CMOS開關(guān)還擁有顯著的優(yōu)勢，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，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。
作者簡介
Edwin Omoruyi是ADI愛爾蘭公司儀器儀表事業(yè)部的高級產(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)。
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