【導讀】人工智能(AI)應用對高性能內(nèi)存，尤其是高帶寬內(nèi)存(HBM)的需求不斷增長，芯片設(shè)計因此變得更加復雜。自動測試設(shè)備(ATE)廠商是驗證這些芯片的關(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。
摘要
本文提出，CMOS開關(guān)可以取代自動測試設(shè)備(ATE)廠商使用的PhotoMOS?開關(guān)。CMOS開關(guān)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(xiàn)也很出色，契合了先進內(nèi)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(nèi)存，尤其是高帶寬內(nèi)存(HBM)的需求不斷增長，芯片設(shè)計因此變得更加復雜。自動測試設(shè)備(ATE)廠商是驗證這些芯片的關(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)態(tài)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(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用中的PhotoMOS。ADI開關(guān)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(guī)模、速度更快的測試任務。如今AI應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)進行比較）以及研究得出的結(jié)果，這里比較了PhotoMOS開關(guān)和CMOS開關(guān)的標準。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通電阻(RON)。通過了解這些架構(gòu)細節(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，確保為特定應用選擇正確的開關(guān)類型。
開關(guān)規(guī)格和附加值
為了更好地對開關(guān)進行定性和定量評估，應該考察其在系統(tǒng)設(shè)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(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、快速響應時間、低導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，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(guān)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(guān)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(guān)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(guān)斷隔離度降低 | PhotoMOS |
導通速度 | 200 μs | 100 ns | 切換能力較快 | CMOS開關(guān)更好 |
電壓、 電流能力 | (32 V、120 mA) | (32 V、250 mA) | 能夠?qū)⒏噍敵鲵?qū)動電流傳輸?shù)截撦d | 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 | 3.55 mm2 | 每個開關(guān)4.00mm2 | 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（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(guān)應用（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。這進一步證實了CMOS開關(guān)具有較低的RON (1.5 Ω)。
圖4.插入損耗曲線
圖5.開關(guān)導通時間
開關(guān)導通時間
當驅(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)整體應用的速度和性能。相比之下，CMOS開關(guān)的導通速度(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、導通速度慢導致系統(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(jié)論
本文著重說明了CMOS開關(guān)的潛力。在ATE應用中，ADG1412可以很好地取代PhotoMOS開關(guān)。比較表明，CMOS開關(guān)的性能達到甚至超過了預期，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。
（來源：ADI公司，作者：Edwin Omoruyi，高級應用工程師）
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