作者:王广武
出处:半导体技术

1 引言
半导体集成电路厂家，依靠技术测试人员、产品标准和计算机测试系统等测试仪器组成完整的测试系统，就要求测试人员能定量掌握测试技术，了解计算机测试系统的测试原理，能按类准确设定器件电参数标准值对计算机测试系统二次编程进行参数测试，并能搭试线路进行直流或交流参数测试和分析。

2 测试中应注意的问题
运算放大器属于模拟电路，输入激励和输出响应都是连续量，内部各元件参数也是连续量, 失效模型较复杂，其元件具有容差和可能存在隐性缺陷，这导致失效因素的模糊性和随机性。对越是精密、开环增益和工作频率越是高的电路越是明显，往往外部条件的细小变化（或干扰）也会引起测试结果的较大误差。模拟电路中电流和电压是重要参数，也是失效信息的重要组成部分。模拟电路的复杂性决定了需要采取多种方法来解决失效诊断问题。一般可采用直流测试法和交流测试法；第三种特殊方法是有针对性地施加冲击应力信号。交流测试法是指测试端为频率响应信号，又可分为频率测试法和频谱分析法。频率测试法，如果全部激励都是同一频率的正弦函数，则电路中的所有稳态响应也将是同一频率的正弦函数，这样被测电路的幅频特性可用来诊断电路的失效。输入脉冲（方波）信号，可用来检测输出电压转换速率、建立时间、响应时间等参数。施加冲击应力信号，可强制检测一般测试不出的隐性缺陷。

3 测试系统的基本测试原理
该原理符合国标GB/T3442-86《半导体集成电路运算（电压）放大器测试方法的基本原理》[1] 和GB/T6798-96[2]。被测器件DUT和辅助运放A共同构成一负反馈闭环放大器（见图1所示）。A要求开环增益大于60dB，增益由精密电阻 RF和RI的比例决定，由计算机程控。A的输出 VL，经运算得到各参数的数据。
   
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3.1 运算放大器主要参数测试原理分解

无论是人工搭试电路测试还是计算机分步测试，实际上对特定的某一参数值按对应的一种特定的测试电路结构施加信号来测试。在测试时应符合器件详细规范规定的下列条件：（a）环境温湿度；（b）电源电压；（c）参考电压或信号；（d）环路条件（包括负载电阻、电容等）；（e）补偿网络及辅助电路；（f）防自激、干扰。
（1）输入失调电压VI0 （Vos）

定义：使输出电压为零（或规定值）时，两输入端间所加直流补偿电压(见图1)。

测试时K1，K2，K6闭合，K8接地，开关K4置“地”或规定的参考电压 VREF，使Vo设定为零（或规定值），可得到 VL =VL0。这时有：VI0 = RI /（RI+RF）× VL0 。RI、RF满足： II0×[RI×R F /（RI+RF）]<< VI0；RF / RI×VI0< Vopp（A输出峰-峰电压）

（2）输入失调电流II0 （Ios）

定义：使输出电压为零（或规定值）时，流入两输入端的电流之差(见图1)。

开关K8接地、K6闭合，K4置地或V REF，K1、K2闭合，测得电压VL1 ；开关K1、K2断开，测得电压VL2；则： II0 = RI/（RI+R F）×（VL2-VL1 ）/R

（3）输入偏置平均电流IIB （Ib）

定义：使输出电压为零（或规定值）时，流入两输入端电流的平均值。

开关K1断开、K2闭合，测得电压V L1；开关K1闭合、K2断开，测得电压V L2；则：IIB = RI /（RI+RF）×（ VL1-VL2）/2R ；同样也可测试Ib+、 Ib-等参数。

（4）开环电压增益AVD（Avo）

定义：器件开环时，输出电压变化与差模输入电压变化之比（测试原理见图1）。

K8接地，K1，K2，K6闭合，K4开关置 VREF分别接入Vs - 、Vs+或交流信号 G。方法A(直流测试法)：K4开关置Vs -，测得电压VL1；K4开关置 Vs+，测得电压V L2；则：AVD =（Vs+ - Vs-）/（VL1 -VL2）×（RI+ RF）/ RI或AVD′=20lgAVD （dB）。方法B(交流测试法)：K4开关置G交流信号，测得电压 VL0；则：AVD =Vs /VL0×（RI +RF）/ RI。 注意：（Vs+ -Vs-）< Vopp；Vs< Vopp。

（5）共模抑制比KCMR（CMRR）

定义：差模电压增益与共模电压增益之比。 KCMR测试方法有共模输入法和变电源法两种。

共模输入法（见图1）：K4接“地”或基准电压VREF，K8接Vi ，K1，K2断开，K3，K6闭合，使被测器件输出电压V o设定为规定值。在器件两输入端同时施加共模电压 Vi，测得电压VL1；在器件两输入端同时施加共模电压 Vi′，测得电压VL2；则：KCMR =（Vi′-Vi）× RF / [ RI×（VL2-V L1）]

（6）开环差模输入电阻RID

定义：器件开环时，差模输入电压变化与对应的输入电流之比（测试原理见图1）。


开关K6闭合，K8接地，K4接V REF端接入低频交流信号，K1，K2闭合，测得电压 VL1；开关K1，K2断开，测得电压V L2；则：RID = VL1/（VL2-V L1）×2R（R值应与RID 相适应）。
（7）输出峰-峰电压Vopp

定义：器件在规定电源电压和负载下，所能输出的最大峰-峰电压。

运算放大器的Vopp

测试原理见图1。方法A（直流测试法）：通过设置基准电压VREF，使被测器件输出电压 Vo设定为V+值，实际测得正输出电压摆幅 Vo+；同样设置基准电压V REF，使Vo设定为V -值，实际测得正输出电压摆幅Vo -；则：Vopp = Vo+ -Vo- 。方法B（交流测试法）：在VREF端加入交流信号，被测器件输出端测得Vopp。

电压比较器的Vopp

电压比较器与运放不同，采用开环测试的方法（K6、K7断开）。比较器正输出电压摆幅Vo +（也称为VOH，有的器件如LM139输出端适配器上接上拉电阻RLˊ才能得到VOH）测试原理见图1。负输入端接地，正输入端输入电压Vi，使器件输出达到正饱和即为Vo+；通过设置 Vi，使输出达到负饱和即为V o-。

其它直流参数和电压转换速率SR 、建立时间及带宽等交流参数测试原理图参见GB/T3442-86标准[1]。

以上分解图中提到的“规定值”，可根据器件的详细技术规范确定，是相对于测试电路信号公共地而言，实际应用时与器件的直流工作点电位有关。

4 测试技术在生产中的实践

4.1 计算机测试系统

国内的能生产满足军标IC产品的厂家，可采用小型计算机测试系统，如北京华峰公司的STS2107C模拟器件测试系统等。已经使用的美国 GenRad 1731 M线性IC测试系统也是一种精度较好的小型计算机测试系统。有条件的可以采用能测高频交流参数的高性能计算机测试系统。要配备精密稳压电源、精密信号源、精密电压电流表、双踪采样示波器和扫频仪等设备，以弥补小型机系统的不足。

4.2 精密运放的测试

从精密运放本身来看，实质上是一种高性能的直流藕合放大器，运放输出满足：Vo= Avo×（VIN+ -VIN-）。当输入阻抗 Ri→∞时，放大器的Ib =（VIN+-VIN -）/Ri→0。一般影响精密运放测试精度的情况有以下几种。

（1）高输入阻抗运放电路（如MC3140、输入阻抗高达1012Ω，Ib可小到pA级，AD549电路 Ib可小到0.1pA级）计算机I b，Vos参数测试显示超标偏大，若裸芯片质量合格则解决方法有：(a) 计算机测试系统精度能力不够，如测AD549、AD811电路，更换到高级测试系统与测试环境测试；(b) 计算机测试系统预热不够，可加长通电预热时间；(c) 机房温湿度未达到测试环境要求，要采取除湿措施降低空气相对湿度（特别是春天、雨季）；(d) 成品外表面沾污，经过一些加工过程筛选试验，电路或多或少有所轻微污染，可对外表进行清洗并彻底烘干，测试人员要戴清洁的手套拿取电路，要禁止电路漫浸蘸锡；(e) 计算机测试系统测试接口夹具、电路适配器沾污，要进行清洗和彻底烘干；(f) 批量生产选用管壳质量不好，引线间绝缘电阻小于10 11Ω，选用引线间绝缘电阻大于1012Ω的管壳；(g) 批量生产封装后电路内部水气含量偏高，封装前要采取好防潮工艺。

（2）高精密、高增益和高频率运放电路参数测不准，这类电路除应满足以上（1）中要求外，还要求计算机测试系统组成的环路条件和补偿网络辅助电路要与之相适应（更精密些更防振荡、干扰）。a.ICL7650斩波自校零运算放大器（Vos=1mV）的测试，适配器上要外接与之匹配的 RC元件；b.OP297双超高增益低输入电流运算放大器可能需要分开制作适配器单独测试每个片内放大器；c.AD811这样的150MHz视频放大器需要补偿网络和输入输出50/75Ω同轴电缆匹配传输；

（3）电路低温时参数测不准，解决方法除满足以上（1），（2）中要求外，还应特别注意的是对MC3140， LF156/157，TL081/082/084，OP297等电路进行低温-55℃测试时，要采取冷源（液氮）就近摆放，快速一次性测完的方法，不然因电路表面冷凝结霜（露），造成Ib电流增大到不可容忍（假象）而测不准。而AD549电路不要指望能全面准确进行一般的 -55℃低温参数测试。

4.3 交流参数测试和杂难测试

只有小型计算机测试系统的生产企业，交流参数一般可采用分解电原理图制作交流测试盒用采样示波器和扫频仪等仪器来人工测试。一些国家重点科研单位有高级IC测试系统，对测试难度大的电路可借助这样的权威测量机构的力量进行测试，并获得准确的交、直流参数测试报告和测试对比样管。

4.4 隐性缺陷测试和早期失效电路的剔除

电路的失效因素包括内部容差和缺陷。容差形成的原因有硅材料本身细小的差别（如电阻率），扩散时掺杂浓度、结深不一致，光刻窗口轻微偏离或变形等。容差一般可尽量采用在标准稳定的测试条件，用计算机系统测试出来。
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   图2图3所示缺陷是在光刻时光刻区有侵蚀缺口或残留SiO2造成的，它们既可造成容差又可成为引起早期失效的祸根，往往不能通过一般的测试来发现。可采用对电路施加较大电压、较大负载和较高工作温度等应力，强度以正常电路管芯最大额定值为限，以剔除易早期失效的电路。

如采用，（a）应力后测试法：用175℃高温贮存、125℃高温通电动态功率老化一定时间后再进行测试。（b）应力中测试法：即在施加高电压、大电流等冲击信号时同时进行测试。往往需要一只正常电路作为比对样管。如打破模拟电路不能扫描的禁忌，用图示仪对双极型运放电路进行电源、输入输出端扫描，测试它的 V-I特性曲线。有时，一边慢慢增加V，I 应力信号，一边就可看到缺陷造成的突变点，甚至当即失效。（切记必须熟悉电路内部原理，对合格电路有保护措施才能实施）。

5 结束语
有完整的质量保证体系才有优质的产品，因为质量是制造出来的，但对已生产的产品，测试筛选尤为重要，可确保产品供货的质量，我们一定要重视测试技术的研究与实践。