李偉博， 高賀惟， 張志明， 李珈毅， 余有靈， 吳 堅

（同濟大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海200092）

0 引 言

集成電路是信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心，也是尖端制造產(chǎn)業(yè)的制高點，在國民經(jīng)濟領(lǐng)域中起著關(guān)鍵作用。高校集成電路及相關(guān)的電子信息專業(yè)的人才培養(yǎng)模式滯后于行業(yè)發(fā)展，簡單驗證型的實驗環(huán)節(jié)教學(xué)實踐已不適應(yīng)學(xué)生工程實踐能力培養(yǎng)和創(chuàng)新思維開拓的新要求。需要根據(jù)學(xué)科發(fā)展和知識更新的要求，對原有教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方式進行改革［1-3］，提高理論和實踐能力兼?zhèn)涞膹?fù)合型專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

作為電子電路中常用的基礎(chǔ)單元器件，集成運放在小信號放大、信號運算與處理、波形發(fā)生和轉(zhuǎn)換、功率電源等方面有十分廣泛的應(yīng)用，是課程教學(xué)內(nèi)容中的重點和難點［4］，在專業(yè)課程實驗中也是一種常見的實驗對象［5-7］。在集成運放綜合指標(biāo)參數(shù)的教學(xué)實踐中，基于與工業(yè)應(yīng)用相銜接的軟硬件開發(fā)平臺，改進和擴展創(chuàng)新綜合實驗內(nèi)容，理論分析和動手實踐并重，學(xué)生在自主實驗設(shè)計、仿真、調(diào)試和測量等的實踐過程中獲得鍛煉和提高。

1 實驗任務(wù)簡述

芯片測試工作已經(jīng)成為半導(dǎo)體行業(yè)中的一項重要工作，上世紀(jì)80年代開始我國多次頒布過半導(dǎo)體集成電路運算（電壓）放大器測試方法的國標(biāo)，至2017年最新的國軍標(biāo)發(fā)布［8］，規(guī)定對運算放大器的測試采用輔助放大器的方式進行，這也是國際通用的測試方法。測試需要的技術(shù)要求較高，國內(nèi)外先后提出了多種不同的集成運放自動測試方案［9-13］，但其通用性和可擴展性有限，同時限于性能和成本原因，不利于在教學(xué)中推廣。大部分集成運放測試方案中，只涉及到直流參數(shù)的測試，交流指標(biāo)則較少涉及。

集成運放的測試指標(biāo)包括30多個參數(shù)［8，13-15］。實驗選取其中最常用的5個直流指標(biāo)和2個交流指標(biāo)進行測試，如圖1（a）所示，分別為輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、共模抑制比和開環(huán)電壓增益以及輸出電壓轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積。

實驗任務(wù)要求按照相關(guān)測試規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用輔助運放測試法，設(shè)計并應(yīng)用測試電路對集成運放進行綜合指標(biāo)參數(shù)測試，測試流程如圖1（b）所示。實驗中使用Multisim軟件［16］設(shè)計測試電路并進行仿真和分析；仿真通過后分別進行實體電路設(shè)計和測試軟件設(shè)計，其中測試軟件基于LabVIEW圖形化編程語言［17］編寫，完成對采集數(shù)據(jù)的計算和實驗結(jié)果顯示及分析，電路板用Ultiboard軟件［16］進行設(shè)計或直接搭建，預(yù)留和測試平臺相匹配的芯片插座及電氣接口；激勵信號產(chǎn)生、測試數(shù)據(jù)采集、數(shù)字量控制等實驗功能則在NI

圖1 集成運放交直流參數(shù)測試實驗

ELVIS III教學(xué)實驗平臺中進行［18］，配合前述開發(fā)的軟件和硬件，完成集成運放的交直流參數(shù)一體化自動測試實驗。

2 實驗對象電路設(shè)計

2.1 直流參數(shù)測試

運放的直流參數(shù)是指對運放處理直流信號時對其性能有所影響的參數(shù)，直流參數(shù)的準(zhǔn)確測量有助于在運放實際工作時進行補償。輔助運放實驗選型為OPA2335，輸入失調(diào)電壓低至30 μV，輸入偏置電流低至70 pA，輸入失調(diào)電流低至120 pA，開環(huán)增益高達123 dB，滿足低失調(diào)電壓和低偏置電流的要求，同時開環(huán)增益和動態(tài)范圍足夠大。以O(shè)PA2335為核心，在Multisim軟件中設(shè)計直流參數(shù)綜合測試電路，如圖2所示。圖中開關(guān)陣列S1～S8狀態(tài)用一個8 bit二進制數(shù)表示，S1為最高位，S8是最低位，狀態(tài)為“1”時開關(guān)閉合，“0”則斷開，通過開關(guān)狀態(tài)的切換變化為對應(yīng)特定參數(shù)的測量電路，見表1。20 pF電容C1用于超前補償以防止電路的振蕩，參數(shù)可根據(jù)實際電路調(diào)整。

圖2 直流參數(shù)測試電路原理圖

表1 參數(shù)測試電路所對應(yīng)的開關(guān)陣列S1～S8狀態(tài)列表

2.2 交流參數(shù)測試

運放的交流參數(shù)是指當(dāng)運放輸入端為交流信號時，會對輸出產(chǎn)生較大影響的參數(shù)，主要包括電壓轉(zhuǎn)換速率、增益帶寬積，單位增益帶寬等。實驗測試時可不使用輔助運放，只需要形成反饋回路即可工作，在Multisim軟件中設(shè)計的交流測試電路原理如圖3所示。

圖3 交流參數(shù)測試電路原理圖

2.3 集成運放測試接口電路板

為使測試過程具有更高的穩(wěn)定性和靈活性，將經(jīng)過電路仿真軟件Multisim虛擬仿真驗證后的測試電路安裝到同一塊PCB板上，讓整個測試方案的硬件部分更加整潔美觀、易于操作，再與工程教學(xué)實驗平臺ELVIS III整合連接。從Multisim電路設(shè)計原理圖可無縫轉(zhuǎn)換到PCB設(shè)計軟件Ultiboard中完成制板布局設(shè)計工作，功能電路板上放置芯片座，便于測試不同型號運放時更換芯片。實驗測試時發(fā)現(xiàn)，不同型號運放的所需要的反饋電阻阻值也不一樣，為增強參數(shù)測試的通用性，最終選擇精密變阻器作為反饋電阻。此外考慮到芯片封裝形式和管腳排列定義的不同，加入對應(yīng)不同類型運放的（信號繼電器）測試開關(guān)，程控切換到對應(yīng)的測試電路。

3 基于虛擬儀器技術(shù)的自動化測試

3.1 虛擬儀器技術(shù)

傳統(tǒng)實驗方式需要配置多臺專業(yè)測試儀器，通常情況下需要實驗人員手動操作人工讀數(shù)，使用煩瑣且容易失誤，另外儀器的多樣性和專用性也會導(dǎo)致運行和維護成本大幅增加。虛擬儀器［17］以個人計算機PC技術(shù)為基礎(chǔ)，在模塊化硬件的基礎(chǔ)上，使用靈活高效的軟件創(chuàng)建完全自定義的用戶界面，以軟件定義硬件功能，復(fù)用集成的軟硬件平臺，性能和擴展性強、開發(fā)效率高。軟硬件結(jié)合的綜合設(shè)計和開發(fā)可進一步培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的工程實踐能力。

3.2 ELVIS III實驗平臺

實驗中使用工程實驗室虛擬儀器套件ELVIS III，其專為項目式學(xué)習(xí)而開發(fā)，為實驗室、工作室和翻轉(zhuǎn)課堂創(chuàng)造一個主動的工程學(xué)習(xí)環(huán)境［18］。套件采用多合一儀器集成方式，包括波特圖儀、函數(shù)發(fā)生器、示波器、數(shù)字萬用表等工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的儀器功能模塊，可提供集成運放指標(biāo)測量實驗所需的雙路正負(fù)程控直流電源，電壓／電流測量，數(shù)字量開關(guān)控制等功能。ELVIS III的工業(yè)級性能技術(shù)指標(biāo)為實驗提供高準(zhǔn)確度測量能力。學(xué)生可以通過上位機LabVIEW編程實時精確控制實驗進程、嵌入自定義數(shù)據(jù)處理算法并對實驗結(jié)果進行在線分析。

3.3 LabVIEW自動化測試編程

LabVIEW使用圖形化語言編寫自動測試程序，其前面板對應(yīng)GUI用戶操作界面端，后面板對應(yīng)程序后臺源代碼。根據(jù)實驗流程，學(xué)生使用LabVIEW通過調(diào)用內(nèi)嵌的功能模塊軟件，編程控制ELVIS III平臺驅(qū)動運放測試功能電路板，實時采集測試數(shù)據(jù)并進行各種分析與處理，快速實現(xiàn)常規(guī)測試功能和輔助功能。

以輸入失調(diào)電壓的測量程序的編寫和調(diào)試為例，編程時首先適配ELVIS硬件平臺和IC測試電路板，設(shè)置好相應(yīng)的子VI驅(qū)動接口參數(shù)和工作模式。測試流程中主要用到Analog Input和Digital Output兩類Express VI，前者用來采集測試電路中輔助運放的輸出電壓信號，后者輸出開關(guān)量控制開關(guān)陣列自動切換到對應(yīng)指標(biāo)的測試工作狀態(tài)，并在測試完成后進行數(shù)據(jù)計算。測試分為全參數(shù)自動測量和單參數(shù)自動測量這兩種模式，圖4（a）為所編寫的實驗測試GUI人機操作界面，連接好硬件后，其測試操作步驟為：首先設(shè)置工作模式，在指標(biāo)選擇輸入框中輸入／選擇待測指標(biāo)如“ALL”（全參數(shù)自動測試模式），即可按照預(yù)設(shè)實驗流程自動切換進行測試，并在左側(cè)部分顯示測試結(jié)果參數(shù)；選擇其他指標(biāo)即可即時自動切換到對應(yīng)指標(biāo)的測試流程并顯示最后的測試結(jié)果，無需煩瑣的關(guān)斷操作來選擇模式。圖4（b）以圖形化編程方式清晰描述了單參數(shù)測試模式下輸入失調(diào)電壓的測量程序核心源代碼，其程序整體架構(gòu)主要使用while-loop循環(huán)結(jié)構(gòu)和Case條件結(jié)構(gòu)。

圖4 典型實驗環(huán)節(jié)的LabVIEW編程

4 仿真效果和實測分析

25℃室溫環(huán)境下進行實驗，選擇3種常用的通用運放芯片（LM324、LM358、LM741）逐一進行仿真和實測（見表2）。查詢芯片手冊，獲取其典型直流和交流參數(shù)的指標(biāo)值。

4.1 Multisim電路仿真

在Multisim中搭建直流參數(shù)測試電路（見圖2）和交流參數(shù)測試電路（見圖3），待測芯片分別設(shè)置為LM324、LM358、LM741 3種不同型號的通用運放，電路仿真結(jié)果見表2。

4.2 硬件電路實測

實驗中按照電路原理圖畫出PCB版圖后，制作出實際的運放測試電路板。為測試實驗方案的有效性，實驗中分別使用傳統(tǒng)儀器（人工判讀計算）和ELVIS III＋計算機（自動讀取計算）的方式進行實際測試，并和手冊指標(biāo)及仿真結(jié)果做對比驗證。

使用常規(guī)儀器的實驗環(huán)境如圖5所示，所使用儀器包括OWON P3033多路可調(diào)直流電源（1路供電電源＋1路參考電壓源）、FeelElec FY6800雙通道信號發(fā)生器、OWON EDS102CV雙通道數(shù)字示波器、OWON NDM3051 5位半臺式數(shù)字萬用表。

圖5 使用常規(guī)儀器實測運放參數(shù)

使用ELVIS III平臺進行測試實驗則簡單的多，如圖6所示，無需外部測量儀器，運放測試電路板置于ELVIS測試平臺面包板上，連接好簡單的接口線路后，計算機即可啟動實驗測試程序，通過USB電纜或者WiFi無線通信控制ELVIS III按照實驗流程自動測試，并在后臺自動計算獲取得到最后的實測結(jié)果，測試結(jié)果見表2。

表2 集成運放參數(shù)測試實驗結(jié)果

圖6 基于ELVIS III的運放參數(shù)自動化測試實驗

4.3 結(jié)果分析

從軟件仿真和硬件電路實際測試的效果對比來看，集成運放的直流指標(biāo)和交流指標(biāo)都在官方芯片手冊給出的數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)。在常規(guī)條件下，考慮到外部溫度變化和測試電路元件等級等固有誤差的影響，其測試結(jié)果是有效并且比較準(zhǔn)確的，說明本實驗方案在集成運放指標(biāo)的測試上具有可行性和可靠性，整個測試過程涵蓋直流參數(shù)和交流參數(shù)。仿真結(jié)果和實際測試結(jié)果的差別主要是由于仿真環(huán)境下的電源和元件簡化為理想模型，參數(shù)和實際電路有一定的差異。硬件實測考慮了更多的工作條件，實測結(jié)果更具有說服力。和傳統(tǒng)實驗方式相比，基于ELVIS平臺的集成運放測試自動化測試在測試結(jié)果上處于同一準(zhǔn)確度等級，在保證數(shù)據(jù)可靠的條件下縮小測試系統(tǒng)體積，大幅減少線路連接，省去煩瑣操作，可提高測試效率。

5 結(jié) 語

從教學(xué)實踐實際情況來看，結(jié)合一體化ELVIS III軟硬件平臺，培訓(xùn)學(xué)生使用虛擬儀器技術(shù)進行課程實驗實踐，由學(xué)生自主設(shè)計完成集成運放的直流和交流指標(biāo)的測試實驗，可讓學(xué)生有更多精力加深對實驗原理的理解和實驗方法的實踐，有效提高學(xué)習(xí)效果。實驗架構(gòu)的高度靈活性和軟硬件的強大性能使得實驗擴展功能的開發(fā)更加容易，學(xué)生在本科求學(xué)階段以此方案初稿為基礎(chǔ)參加全國大學(xué)生集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，先后獲得華東賽區(qū)二等獎和全國總決賽優(yōu)秀獎。