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非常见问题解答第233期：自动测试设备应用中PhotoMOS开关的替代方案
前言：
作者：Edwin Omoruyi，高级应用工程师
问题
人工智能(AI)应用对高性能内存，特别是高带宽内存(HBM)的需求不断增长，这是否会导致自动测试设备(ATE)厂商的设计变得更加复杂？
回答
AI需要高密度和高带宽来高效处理数据，因此HBM至关重要。ATE厂商及其开发的系统需要跟上先进内存接口测试的发展步伐。ADI公司的CMOS开关非常适合ATE厂商的内存晶圆探针电源测试。这些CMOS开关拥有快速导通和可扩展性等特性，能够提升测试并行处理能力，从而更全面、更快速地测试内存芯片。
简介
随着AI应用对高性能内存，尤其是高带宽内存(HBM)的需求不断增长，内存芯片设计将变得更加复杂。ATE厂商是验证内存芯片的关键一环，目前正面临着越来越大的压力，需要不断提升自身能力以满足这一需求。传统上，在存储器晶圆探针电源应用中，PhotoMOS®开关因其良好的低电容乘电阻(CxR)特性而得到采用。低CxR有助于减少信号失真，改善开关关断隔离度，同时实现更快的开关速度和更低的插入损耗。
除了上述优点外，PhotoMOS开关的关断电压也较高，但也存在一些局限性，主要体现在可靠性、可扩展性和导通速度方面。其中，导通速度较慢一直是客户不满的一大原因。
为了应对这些挑战，ADI公司开发出了新型开关来取代存储器晶圆探针电源应用中的PhotoMOS。ADI开关不仅导通速度非常快，而且同样具备低CxR特性，可以确保高效切换。此外还具有良好的扩展性，能够改善测试的并行处理能力，使ATE能够处理更大规模、速度更快的测试任务。如今AI应用对高效和高性能内存测试的需求日益增长，为此，ATE公司正积极寻求更优的解决方案。在这种背景下，ADI开关凭借一系列出色特性，成为了PhotoMOS的有力替代方案。
应用原理图
在ATE设置中，开关扮演着非常重要的角色。开关能够将多个被测器件(DUT)连接到同一个测量仪器（例如参数测量单元PMU），或者将它们从测量仪器上断开，以便执行测试流程。具体来说，开关使得PMU能够高效地向不同DUT施加特定电压，并检测这些DUT反馈的电流。开关能够简化测试流程，在需要同时或依次测试多个DUT的情况下，这种作用更加突出。通过使用开关，我们可以将PMU的电压分配到多个DUT，并检测其电流，这不仅提高了测试效率，还大幅减少了每次测试之间重新配置测试装置的麻烦。
图1.PMU开关应用
图2.PhotoMOS和CMOS开关架构
图1展示了如何利用开关轻松构建矩阵配置，使得一个PMU就能评估多个DUT。这种配置减少了对多个PMU的需求，并简化了布线，从而显著提高了ATE系统的灵活性和可扩展性，对于大批量或多器件的测试环境至关重要。
开关架构
为便于理解评估研究（即利用开发的硬件评估板对PhotoMOS开关和CMOS开关进行比较）以及研究得出的结果，有必要对PhotoMOS开关和CMOS开关进行比较。从二者的开关架构开始比较更易于看出差别。
CMOS开关和PhotoMOS开关的架构不同，图2显示了开关断开时的关断电容(COFF)。该寄生电容位于输入源极引脚和输出引脚之间。
对于PhotoMOS开关，COFF位于漏极输出引脚之间。此外，PhotoMOS开关具有输入到输出电容（也称为漏极电容），同时在其用于导通和关断输出MOSFET的发光二极管(LED)级也存在输入电容。
对于CMOS开关，COFF位于源极和漏极引脚之间。除了COFF之外，CMOS开关还有漏极对地电容(CD)和源极对地电容(CS)。这些对地电容也是客户在使用CMOS开关时经常抱怨的问题。
当任一开关使能时，输入信号便可传输至输出端，此时源极和漏极引脚之间存在导通电阻(RON)。通过了解这些架构细节，我们可以更轻松地分析评估研究中的电容、RON和开关行为等性能指标，确保为特定应用选择正确的开关类型。
开关规格和附加值
为了更好地对开关进行定性和定量评估，应该考察其在系统设计应用中带来的附加值。如上所述，对于图1所示应用，ADG1412是理想选择，可以轻松替代PhotoMOS开关。这款CMOS开关是四通道单刀单掷(SPST)器件，拥有出色的特性，包括高功率处理能力、快速响应时间、低导通电阻和低漏电流等。设计人员可以通过比较表1列出的重要指标，评估CMOS开关性能并打分，从而量化其相对于其他替代方案的优势。这有助于更深入地了解器件的信号切换效率，对于复杂或敏感的电子系统非常有帮助。
表1.开关规格
|
评估标准 |
PhotoMOS |
ADG1412 |
附加值 |
记分卡 |
|
漏电流 |
1 nA |
30 pA |
非常适合漏电流测试；输出端电压误差贡献更小 |
CMOS开关更好 |
|
COFF |
0.45 pF |
1.6 pF |
波形失真更小，隔离度更高 |
PhotoMOS开关更好 |
|
RON |
12 Ω |
1.5 Ω |
输出端信号压降较低，插入损耗更低 |
CMOS开关更好 |
|
(CxR)乘积 |
5.4 pF.Ω |
2.4 pF.Ω* |
波形失真更小、隔离度更高、信号损失较低 |
PhotoMOS开关略胜一筹，因为其漏极电容较低 |
|
漏极电容[CD(OFF)] |
1 pF |
23 pF |
值越高，CxR性能越差，导致输入信号失真，关断隔离度降低 |
PhotoMOS开关更好 |
|
导通速度 |
200 μs |
100 ns |
切换能力较快 |
CMOS开关更好 |
|
电压、电流能力 |
（32 V、120 mA） |
（32 V、250 mA） |
能够将更多输出驱动电流传输到负载 |
CMOS开关更好 |
|
成本/通道 |
高 |
低 |
有助于提高通道密度，成本最多降低50% |
CMOS开关更好 |
|
封装面积 |
3.55 mm2 |
每个开关4.00 mm2 |
布局后开关面积非常接近 |
非常接近 |
* CD(OFF)会影响CxR乘积性能
关断隔离：开关断开时的电容
两种开关的关断隔离曲线（图3）表明，输入信号受到高度抑制（100 kHz时为-80 dB），未到达输出端。随着频率提高，PhotoMOS的性能开始略高一筹，二者相差-10 dB。对于图1所示的开关应用（直流(DC)切换），开关电容并不重要，重要的开关参数是低漏电流、高导通速度和低插入损耗。
图3.关断隔离曲线
插入损耗：开关导通电阻
低RON的开关至关重要。I*R电压降会限制系统性能。各器件之间以及温度变化引起的RON波动越小，测量误差就越小。图4中的插入损耗曲线显示，在100 kHz频率下，PhotoMOS开关的插入损耗为-0.8 dB，而CMOS开关的插入损耗仅为-0.3 dB。这进一步证实了CMOS开关具有较低的RON (1.5 Ω)。
图4.插入损耗曲线
图5.开关导通时间
开关导通时间
当驱动使能/逻辑电压施加到任一开关上，使其闭合并将输入信号传递到输出端时，如果使用的是PhotoMOS开关，则会存在明显的延迟（如图5所示）。这种较慢的导通速度由于LED输入级的输入电容，以及内部电路将电流转换为驱动MOSFET栅极所需电压的过程中产生的延迟造成的。导通速度慢一直是客户不满的主要原因，而且会影响系统整体应用的速度和性能。相比之下，CMOS开关的导通速度(100 ns)是PhotoMOS开关(200,000 ns)的2000倍(×2000)，更能满足系统应用所需。
设计迁移：PhotoMOS替换为ADG1412开关
如果系统中使用的是PhotoMOS开关，并且遇到了测量精度不高、导通速度慢导致系统资源占用过多，以及难以提高通道密度等问题，那么升级到采用CMOS开关的方案将使开发变得非常简单。图6显示了PhotoMOS开关与CMOS开关的连接点对应关系。因此，系统设计可以利用CMOS开关，以更低的成本实现更高的通道密度。
图6.开关连接点
ADI开关可提高通道密度
表2列出了一些能够提高通道密度的ADI开关示例。这些开关具有与ADG1412类似的性能优势，导通电阻更低（低至0.5 Ω），而且成本比PhotoMOS开关还低。这些开关提供串行外设接口(SPI)和并行接口，方便与控制处理器连接。
表2.能够提高通道密度的ADI开关示例
|
产品 |
RON (Ω) |
开关配置 |
1ku标价/通道($) |
|
ADG2412 |
0.5 |
四通道SPST |
非常有竞争力 |
|
ADG6412 |
0.5 |
四通道SPST |
非常有竞争力 |
|
ADGS2414D |
0.56 |
SPI：八通道SPST |
非常有竞争力 |
结论
本文着重说明了CMOS开关的潜力。在ATE应用中，ADG1412可以很好地取代PhotoMOS开关。比较表明，CMOS开关的性能达到甚至超过了预期，尤其是在对开关电容或漏极电容要求不高的场合。此外，CMOS开关还拥有显著的优势，例如更高的通道密度和更低的成本。
ADI公司的CMOS开关产品系列非常丰富，不仅提供导通电阻更低的型号，还支持并行和SPI两种控制接口，从而更加有力地支持了在ATE系统中使用CMOS开关的方案。
欲了解所提供开关的更多信息，请访问以下链接。
模拟开关与多路复用器产品选型表
模拟开关与多路转换器—备忘单文档
关于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。
作者简介
Edwin Omoruyi是ADI爱尔兰公司仪器仪表事业部的高级产品应用工程师。2007年，他毕业于利默里克理工学院，获得电子系统工程学士荣誉学位。2010年，他毕业于利默里克大学，获得超大规模集成电路(VLSI)硕士荣誉学位。2010年至2018年，Edwin担任ADI公司汽车和座舱电子事业部的应用工程师，之后于2023年，他再次加入ADI公司。除了在ADI公司的工作经历之外，他还曾在汽车和制造行业担任系统架构师，负责AD/ADAS传感应用开发。
