【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(cháng)，芯片設計因此變得更加復雜。自動(dòng)測試設備(ATE)廠(chǎng)商是驗證這些芯片的關(guān)鍵一環(huán)，目前正面臨著(zhù)越來(lái)越大的壓力，需要不斷提升自身能力以滿(mǎn)足這一需求。傳統上，在存儲器晶圓探針電源應用中，PhotoMOS開(kāi)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(kāi)關(guān)關(guān)斷隔離度，同時(shí)實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的插入損耗。

摘要

本文提出，CMOS開(kāi)關(guān)可以取代自動(dòng)測試設備(ATE)廠(chǎng)商使用的PhotoMOS?開(kāi)關(guān)。CMOS開(kāi)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也很出色，契合了先進(jìn)內存測試時(shí)代ATE廠(chǎng)商不斷升級的需求。

簡(jiǎn)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(cháng)，芯片設計因此變得更加復雜。自動(dòng)測試設備(ATE)廠(chǎng)商是驗證這些芯片的關(guān)鍵一環(huán)，目前正面臨著(zhù)越來(lái)越大的壓力，需要不斷提升自身能力以滿(mǎn)足這一需求。傳統上，在存儲器晶圓探針電源應用中，PhotoMOS開(kāi)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(kāi)關(guān)關(guān)斷隔離度，同時(shí)實(shí)現更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的插入損耗。

除了上述優(yōu)點(diǎn)外，PhotoMOS開(kāi)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(hù)不滿(mǎn)的一大原因。

為了應對這些挑戰，ADI公司開(kāi)發(fā)出了新型開(kāi)關(guān)來(lái)取代存儲器晶圓探針電源應用中的PhotoMOS。ADI開(kāi)關(guān)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(wù)。如今AI應用對高效和高性能內存測試的需求日益增長(cháng)，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(kāi)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A(yíng)TE設置中，開(kāi)關(guān)扮演著(zhù)非常重要的角色。開(kāi)關(guān)能夠將多個(gè)被測器件(DUT)連接到同一個(gè)測量?jì)x器（例如參數測量單元PMU），或者將它們從測量?jì)x器上斷開(kāi)，以便執行測試流程。具體來(lái)說(shuō)，開(kāi)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(kāi)關(guān)能夠簡(jiǎn)化測試流程，在需要同時(shí)或依次測試多個(gè)DUT的情況下，這種作用更加突出。通過(guò)使用開(kāi)關(guān)，我們可以將PMU的電壓分配到多個(gè)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(kāi)關(guān)應用

圖2.PhotoMOS和CMOS開(kāi)關(guān)架構

圖1展示了如何利用開(kāi)關(guān)輕松構建矩陣配置，使得一個(gè)PMU就能評估多個(gè)DUT。這種配置減少了對多個(gè)PMU的需求，并簡(jiǎn)化了布線(xiàn)，從而顯著(zhù)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(huán)境至關(guān)重要。

開(kāi)關(guān)架構

為便于理解評估研究（即利用開(kāi)發(fā)的硬件評估板對PhotoMOS開(kāi)關(guān)和CMOS開(kāi)關(guān)進(jìn)行比較）以及研究得出的結果，這里比較了PhotoMOS開(kāi)關(guān)和CMOS開(kāi)關(guān)的標準。從二者的開(kāi)關(guān)架構開(kāi)始比較更易于看出差別。

CMOS開(kāi)關(guān)和PhotoMOS開(kāi)關(guān)的架構不同，圖2顯示了開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)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(kāi)關(guān)，COFF位于漏極輸出引腳之間。此外，PhotoMOS開(kāi)關(guān)具有輸入到輸出電容（也稱(chēng)為漏極電容），同時(shí)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(kāi)關(guān)，COFF位于源極和漏極引腳之間。除了COFF之外，CMOS開(kāi)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(hù)在使用CMOS開(kāi)關(guān)時(shí)經(jīng)常抱怨的問(wèn)題。

當任一開(kāi)關(guān)使能時(shí)，輸入信號便可傳輸至輸出端，此時(shí)源極和漏極引腳之間存在導通電阻(RON)。通過(guò)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(kāi)關(guān)行為等性能指標，確保為特定應用選擇正確的開(kāi)關(guān)類(lèi)型。

開(kāi)關(guān)規格和附加值

為了更好地對開(kāi)關(guān)進(jìn)行定性和定量評估，應該考察其在系統設計應用中帶來(lái)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(kāi)關(guān)。這款CMOS開(kāi)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(shí)間、低導通電阻和低漏電流等。設計人員可以通過(guò)比較表1列出的重要指標，評估CMOS開(kāi)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非常有幫助。

表1.開(kāi)關(guān)規格

* CD(OFF)會(huì )影響CxR乘積性能

關(guān)斷隔離：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的電容

兩種開(kāi)關(guān)的關(guān)斷隔離曲線(xiàn)（圖3）表明，輸入信號受到高度抑制（100 kHz時(shí)為-80 dB），未到達輸出端。隨著(zhù)頻率提高，PhotoMOS的性能開(kāi)始略高一籌，二者相差-10 dB。對于圖1所示的開(kāi)關(guān)應用（直流(DC)切換），開(kāi)關(guān)電容并不重要，重要的開(kāi)關(guān)參數是低漏電流、高導通速度和低插入損耗。

圖3.關(guān)斷隔離曲線(xiàn)

插入損耗：開(kāi)關(guān)導通電阻

低RON的開(kāi)關(guān)至關(guān)重要。I*R電壓降會(huì )限制系統性能。各器件之間以及溫度變化引起的RON波動(dòng)越小，測量誤差就越小。圖4中的插入損耗曲線(xiàn)顯示，在100 kHz頻率下，PhotoMOS開(kāi)關(guān)的插入損耗為-0.8 dB，而CMOS開(kāi)關(guān)的插入損耗僅為-0.3 dB。這進(jìn)一步證實(shí)了CMOS開(kāi)關(guān)具有較低的RON (1.5 Ω)。

圖4.插入損耗曲線(xiàn)

圖5.開(kāi)關(guān)導通時(shí)間

開(kāi)關(guān)導通時(shí)間

當驅動(dòng)使能/邏輯電壓施加到任一開(kāi)關(guān)上，使其閉合并將輸入信號傳遞到輸出端時(shí)，如果使用的是PhotoMOS開(kāi)關(guān)，則會(huì )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(dòng)MOSFET柵極所需電壓的過(guò)程中產(chǎn)生的延遲造成的。導通速度慢一直是客戶(hù)不滿(mǎn)的主要原因，而且會(huì )影響系統整體應用的速度和性能。相比之下，CMOS開(kāi)關(guān)的導通速度(100 ns)是PhotoMOS開(kāi)關(guān)(200,000 ns)的2000倍(×2000)，更能滿(mǎn)足系統應用所需。

設計遷移：PhotoMOS替換為ADG1412開(kāi)關(guān)

如果系統中使用的是PhotoMOS開(kāi)關(guān)，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(guò)多，以及難以提高通道密度等問(wèn)題，那么升級到采用CMOS開(kāi)關(guān)的方案將使開(kāi)發(fā)變得非常簡(jiǎn)單。圖6顯示了PhotoMOS開(kāi)關(guān)與CMOS開(kāi)關(guān)的連接點(diǎn)對應關(guān)系。因此，系統設計可以利用CMOS開(kāi)關(guān)，以更低的成本實(shí)現更高的通道密度。

圖6.開(kāi)關(guān)連接點(diǎn)

ADI開(kāi)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(kāi)關(guān)示例。這些開(kāi)關(guān)具有與ADG1412類(lèi)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(kāi)關(guān)還低。這些開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)示例

結論

本文著(zhù)重說(shuō)明了CMOS開(kāi)關(guān)的潛力。在A(yíng)TE應用中，ADG1412可以很好地取代PhotoMOS開(kāi)關(guān)。比較表明，CMOS開(kāi)關(guān)的性能達到甚至超過(guò)了預期，尤其是在對開(kāi)關(guān)電容或漏極電容要求不高的場(chǎng)合。此外，CMOS開(kāi)關(guān)還擁有顯著(zhù)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(kāi)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A(yíng)TE系統中使用CMOS開(kāi)關(guān)的方案。
（來(lái)源：ADI公司，作者：Edwin Omoruyi，高級應用工程師）

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