【導讀】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。
摘要
本文提出，CMOS開關可以取代自動測試設備(ATE)廠商使用的PhotoMOS?開關。CMOS開關的電容乘電阻(CxR)性能可以與PhotoMOS相媲美，且其導通速度、可靠性和可擴展性的表現也很出色，契合了先進內存測試時代ATE廠商不斷升級的需求。
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?？?，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(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，COFF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，COFF位于源極和漏極引腳之間。除了COFF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(RON)。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、RON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
評估標準 | PhotoMOS | ADG1412 | 附加值 | 記分卡 |
漏電流 | 1 nA | 30 pA | 非常適合漏電流測試；輸出端電壓誤差貢獻更小 | CMOS開關更好 |
COFF | 0.45 pF | 1.6 pF | 波形失真更小，隔離度更高 | PhotoMOS |
RON | 12 Ω | 1.5 Ω | 輸出端信號壓降較低，插入損耗更低 | CMOS開關更好 |
(CxR)乘積 | 5.4 pF. Ω | 2.4 pF.Ω* | 波形失真更小、隔離度更高、信號損失較低 | PhotoMOS開關略勝一籌因為其漏極電容較低 |
漏極電 [CD(OFF)] | 1 pF | 23 pF | 值越高，CxR性能越差，導致輸入信號失真，關斷隔離度降低 | PhotoMOS |
導通速度 | 200 μs | 100 ns | 切換能力較快 | CMOS開關更好 |
電壓、 電流能力 | (32 V、120 mA) | (32 V、250 mA) | 能夠將更多輸出驅動電流傳輸到負載 | CMOS開關更好 |
成本/通道 | 高 | 低 | 有助于提高通道密度，成本最多降低50% | CMOS開關更好 |
封裝面積 | 3.55 mm2 | 每個開關4.00mm2 | 布局后開關面積非常接近 | 非常接近 |
* 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RON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RON (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
產品 | RON (Ω) | 開關配置 | 1ku標價/通道 ($) |
0.5 | 四通道SPST | 非常有競爭力 | |
0.5 | 四通道SPST | 非常有競爭力 | |
0.56 | SPI： 八通道SPST | 非常有競爭力 |
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。
（來源：ADI公司，作者：Edwin Omoruyi，高級應用工程師）
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯系小編進行處理。
推薦閱讀：
貿澤電子與Amphenol聯合推出全新電子書探索連接技術在電動汽車和電動垂直起降飛行器中的作用
意法半導體升級傳感器評估板STEVAL-MKI109D，加快即插即用傳感模塊評估
