Wymiana przełączników PhotoMOS w automatycznych urządzeniach testujących

W artykule przedstawiono wymianę przełączników PhotoMOS® na przełączniki CMOS w automatach testujących (ATE). Przełączniki CMOS nie tylko dorównują wydajnością modułom PhotoMOS pod względem współczynnika pojemności do rezystancji (CxR), ale zapewniają również lepszą szybkość włączania, niezawodność oraz skalowalność. Dzięki temu doskonale nadają się do zmieniających się potrzeb automatów testujących, szczególnie w erze zaawansowanych testów pamięci.

Wprowadzenie

Rosnące zapotrzebowanie na pamięci o wysokiej wydajności, w szczególności pamięci o dużej przepustowości (HBM), w zastosowaniach sztucznej inteligencji (AI) powoduje zwiększenie złożoności projektów chipów. Automatyczne urządzenia testujące (ATE) mające kluczowe znaczenie w weryfikacji tych komponentów, stoją obecnie w obliczu rosnącej presji na zwiększanie ich wydajności, aby mogły sprostać rosnącym wymaganiom. Tradycyjnie w zastosowaniach związanych z zasilaniem sond przeznaczonych do badania płytek krzemowych ze strukturami pamięciowymi stosuje się przełączniki PhotoMOS. Wynika to z ich korzystnie niskiego współczynnika pojemności w stosunku do rezystancji (CxR). Zaletą niskiego CxR jest zmniejszenie zniekształceń sygnału, poprawa izolacji wyłączania oraz szybkie przełączanie i niskie straty wtrąceniowe.

Pomimo tych zalet w połączeniu z wysokim napięciem izolacji, przełączniki PhotoMOS mają pewne ograniczenia. Obejmują one niezawodność, skalowalność i szybkość włączania. Niska prędkość włączania była istotnym powodem niezadowolenia klientów.

Aby sprostać tym wyzwaniom, firma Analog Devices, Inc. (ADI) opracowała przełączniki, które zastąpią przełączniki PhotoMOS w zastosowaniach związanych z zasilaniem sond przeznaczonych do testowania chipów pamięci. Przełączniki ADI zapewniają wysoką prędkość włączania i mają taką samą niską wartość CxR, co gwarantuje wydajne przełączanie. Ponadto skalowalność tych przełączników poprawia możliwość prowadzenia testów równoległych, umożliwiając konfiguracjom ATE zarządzanie bardziej rozbudowanymi i szybszymi procesami testowymi. Cechy te sprawiają, że przełączniki ADI są silną alternatywą dla PhotoMOS, zwłaszcza że producenci ATE starają się sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie wydajnego i wysokowydajnego testowania pamięci w aplikacjach opartych na sztucznej inteligencji.

Schemat zastosowania

W konfiguracjach ATE przełączniki odgrywają kluczową rolę w ułatwianiu procesu testowania, umożliwiając podłączenie i odłączenie wielu testowanych urządzeń (DUT) do jednego przyrządu pomiarowego, takiego jak parametryczna jednostka pomiarowa (PMU). Jak opisano, przełączniki umożliwiają PMU wymuszanie określonych napięć na różnych DUT i skuteczne wykrywanie prądowego sprzężenia zwrotnego z tych urządzeń. Przełączniki usprawniają proces testowania, szczególnie w scenariuszach, w których wiele DUT wymaga oceny równoległej lub sekwencyjnej. Możliwość kierowania napięcia z PMU do wielu DUT, wraz z wykrywaniem prądów z nich płynących, optymalizuje przepustowość testów i minimalizuje potrzebę rekonfiguracji ustawień testowych między testami.

Rys. 1. Zastosowania przełączników PMU

Rys. 2. Architektury przełączników PhotoMOS i CMOS

Na rysunku 1 pokazano, w jaki sposób przełączniki mogą ułatwić tworzenie konfiguracji macierzowej, umożliwiając jednemu PMU ocenę wielu DUT. Konfiguracja ta zwiększa elastyczność i skalowalność systemów ATE poprzez zmniejszenie zapotrzebowania na wiele jednostek PMU i upraszcza okablowanie, co ma kluczowe znaczenie w przypadku konfiguracji testowych o dużej objętości lub wielu urządzeniach.

Architektury przełączników

Aby zrozumieć badanie oceniające (czyli porównanie przełącznika PhotoMOS z przełącznikiem CMOS przy użyciu opracowanych płyt ewaluacyjnych) oraz zebrane wyniki, konieczne jest przedstawienie porównań benchmarkowych między przełącznikiem PhotoMOS a przełącznikiem CMOS. Najlepiej zacząć od architektur przełączników obu typów.

Budowa wewnętrzne przełącznika CMOS różni się od budowy przełącznika PhotoMOS. Mimo tych różnic na rysunku 2 przedstawiono pojemność w stanie wyłączenia (C_OFF) obu przełączników. Jest to pojemność pasożytnicza występująca między pinem wejściowym a pinem wyjściowym.

W przypadku przełącznika PhotoMOS pojemność C_OFF występuje między wyjściowymi drenami. Ponadto w przełączniku PhotoMOS występuje też pojemność między wejściem a wyjściem (lub pojemność drenu), a także pojemność wejściową stopnia z diodą elektroluminescencyjną (LED) używaną do włączania i wyłączania wyjściowych tranzystorów MOSFET.

W przełączniku CMOS pojemność C_OFF występuje między wyjściowymi drenami. Oprócz pojemności C_OFF w przełączniku CMOS występuje również pojemność drenu (CD) i pojemność źródła (CS) względem masy. Pojemności te mierzone względem masy są również przedmiotem narzekań klientów korzystających z przełączników CMOS.

Gdy którykolwiek z przełączników jest włączony w celu przesłania sygnałów wejściowych do wyjścia, rezystancja w stanie włączenia (R_ON) występuje między pinami źródła i drenu. Zrozumienie tych szczegółów architektury ułatwia analizę wskaźników wydajności, takich jak pojemność, R_ON i zachowanie przełączania w badaniach ewaluacyjnych, zapewniając wybór odpowiedniego typu przełącznika do konkretnych zastosowań.

Specyfikacje przełączników i wartość dodana

Lepszą metodą kwalifikacji i oceny wartości przełączników jest przyjrzenie się wartości dodanej w aplikacji do projektowania systemu. Jak wspomniano, do zastosowania przedstawionego na rysunku 1 świetnie nadaje się układ ADG1412 i można go łatwo wdrożyć zamiast przełącznika PhotoMOS. Jest to poczwórny przełącznik CMOS SPST (single-pole, single-throw) o doskonałych właściwościach, takich jak obciążalność prądowa, czas reakcji, rezystancja w stanie przewodzenia i mały prąd upływu.

W tabeli 1 zamieszczono porównanie parametrów przełączników CMOS przeprowadzone w oparciu o odpowiednie wskaźniki. Karta wyników pozwala projektantom na ilościowe określenie jego zalet w porównaniu z innymi rozwiązaniami alternatywnymi. Porównanie to może dostarczyć więcej informacji na temat parametrów urządzenia w zakresie przełączania sygnałów, szczególnie w złożonych lub wrażliwych systemach elektronicznych.

Tab. 1. Specyfikacje przełączników

* CD (OFF) wpływa na wskaźnik CxR

Izolacja wyłączenia: pojemność przy wyłączonym przełączniku

Wykresy izolacji wyłączenia (rys. 3) dla obu przełączników wskazują na wysokie tłumienie (–80 dB przy 100 kHz) sygnałów wejściowych, które nie docierają do wyjścia. Przełączniki PhotoMOS działają nieznacznie lepiej przy tłumieniu -10 dB wraz ze wzrostem częstotliwości. W przypadku zastosowania przełączania pokazanego na rysunku 1, które wskazuje na przełączanie prądu stałego (DC), pojemności przełącznika nie mają znaczenia — istotnymi parametrami przełącznika są raczej niski prąd upływowy, duża szybkość włączania i straty wtrąceniowe.

Rys. 3. Wykresy izolacji wyłączenia

Straty wtrąceniowa: rezystancja przełącznika w stanie włączenia

Kluczowe znaczenie ma przełącznik o niskiej rezystancji R_ON. Spadek napięcia I*R ogranicza wydajność systemu. Niewielkie wahania rezystancji R_ON między poszczególnymi elementami i w różnych temperaturach zmniejszają błąd pomiaru. Z wykresu strat wtrąceniowych zamieszczonego na rysunku 4 wynika, że przełącznik PhotoMOS osiąga wartość –0,8 dB przy 100 kHz w porównaniu z przełącznikiem CMOS (–0,3 dB) przy tej samej częstotliwości. Potwierdza to niską wartość R_ON (1,5 Ω) przełącznika CMOS.

Rys. 4. Wykresy strat wtrąceniowych

Rys. 5. Czas włączenia przełącznika

Czas włączenia przełącznika

W przypadku zastosowania przełącznika PhotoMOS (rys. 5) należy spodziewać się znacznego opóźnienia od momentu dołączenia napięcia sterującego/logicznego do jednego z przełączników powodującego zamknięcie przełącznika i przekazanie sygnałów wejściowych do wyjścia. Mała prędkość włączania wynika z pojemności wejściowej w stopniu wejściowym z diodą LED oraz opóźnienia spowodowanego przez wewnętrzne układy służące do konwersji energii z prądu na napięcie wymagane do sterowania bramkami tranzystorów MOSFET. Małe prędkości włączania są przedmiotem niezadowolenia klientów i spowalniają działanie całego systemu. Przełącznik CMOS charakteryzuje się szybkim włączaniem (100 ns) pożądanym w aplikacjach systemowych, w porównaniu z przełącznikiem PhotoMOS (200000 ns). Oznacza to 2000-krotną redukcję czasu włączenia.

Migracja projektu: od przełącznika PhotoMOS do ADG1412

W systemach, z przełącznikami PhotoMOS, w których występują problemy związane z niedokładnością pomiarów, przeciążeniem systemu spowodowanym niską prędkością włączania oraz brakiem możliwości uzyskania wymaganej gęstości kanałów, przejście na nową wersję z przełącznikiem CMOS jest niezwykle łatwe. Na rysunku 6 przedstawiono punkty połączeń przełącznika PhotoMOS odwzorowane na przełącznik CMOS. Dzięki temu w projektach systemów można użyć dostępne przełączniki w celu zwiększenia gęstości kanałów przy niższych kosztach.

Rys. 6. Punkty połączeń przełącznika

Przełączniki ADI zapewniające zwiększenie gęstości kanałów

W tabeli 2 wymieniono przykłady niektórych przełączników ADI zapewniających zwiększenie gęstości kanałów. Przełączniki te charakteryzują się wydajnością podobną do przełączników ADG1412, mają znacznie niższą rezystancję w stanie przewodzenia, wynoszącą co najmniej 0,5 Ω (0,5 Ω to wartość typowa) i są tańsze w porównaniu z przełącznikami PhotoMOS. Przełączniki te są dostępne zarówno w wersji z interfejsem szeregowym (SPI), jak i równoległym, co umożliwia proste połączenia z procesorami sterującymi.

Tab. 2. Przykładowe przełączniki ADI oferujące zwiększoną gęstość kanałów

Wnioski

Niniejsza analiza podkreśla potencjał zastosowania przełącznika CMOS. W zastosowaniach ATE układ ADG1412 stanowi odpowiednią alternatywę dla przełącznika PhotoMOS. Porównanie benchmarków potwierdza, że przełącznik CMOS spełnia lub przewyższa oczekiwania dotyczące wydajności, zwłaszcza w scenariuszach, w których pojemność przełącznika lub pojemność drenu nie mają kluczowego znaczenia. Ponadto przełącznik CMOS oferuje znaczące korzyści, w tym wyższą gęstość kanałów i opłacalność.

Oferta przełączników CMOS firmy ADI obejmująca opcje o niższej rezystancji przewodzenia oraz interfejsy sterowania równoległego i SPI, dodatkowo zwiększa argumenty przemawiające za ich zastosowaniem w systemach ATE.

Więcej informacji na temat oferowanych przełączników można znaleźć pod poniższymi linkami.

Tabela wyboru multiplekserów/przełączników analogowych

Opracowanie: Jarosław Doliński