【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，芯片設計因此變得更加複雜。自動測試設備(ATE)廠(chang)商(shang)是(shi)驗(yan)證(zheng)這(zhe)些(xie)芯(xin)片(pian)的(de)關(guan)鍵(jian)一(yi)環(huan)，目(mu)前(qian)正(zheng)麵(mian)臨(lin)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)的(de)壓(ya)力(li)
，需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)提(ti)升(sheng)自(zi)身(shen)能(neng)力(li)以(yi)滿(man)足(zu)這(zhe)一(yi)需(xu)求(qiu)。傳(chuan)統(tong)上(shang)，在(zai)存(cun)儲(chu)器(qi)晶(jing)圓(yuan)探(tan)針(zhen)電(dian)源(yuan)應(ying)用(yong)中(zhong)，PhotoMOS開關因其良好的低電容乘電阻(CxR)特性而得到采用。低CxR有助於減少信號失真
，改善開關關斷隔離度，同時實現更快的開關速度和更低的插入損耗。

摘要

本文提出，CMOS開關可以取代自動測試設備(ATE)廠商使用的PhotoMOS®開關。CMOS開關的電容乘電阻(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，契合了先進內存測試時代ATE廠商不斷升級的需求。

簡介

人工智能(AI)應用對高性能內存，尤其是高帶寬內存(HBM)的需求不斷增長，芯片設計因此變得更加複雜。自動測試設備(ATE)廠(chang)商(shang)是(shi)驗(yan)證(zheng)這(zhe)些(xie)芯(xin)片(pian)的(de)關(guan)鍵(jian)一(yi)環(huan)，目(mu)前(qian)正(zheng)麵(mian)臨(lin)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)大(da)的(de)壓(ya)力(li)
，需(xu)要(yao)不(bu)斷(duan)提(ti)升(sheng)自(zi)身(shen)能(neng)力(li)以(yi)滿(man)足(zu)這(zhe)一(yi)需(xu)求(qiu)。傳(chuan)統(tong)上(shang)，在(zai)存(cun)儲(chu)器(qi)晶(jing)圓(yuan)探(tan)針(zhen)電(dian)源(yuan)應(ying)用(yong)中(zhong)

，PhotoMOS開關因其良好的低電容乘電阻(CxR)特性而得到采用。低CxR有助於減少信號失真，改善開關關斷隔離度，同時實現更快的開關速度和更低的插入損耗。

除了上述優點外，PhotoMOS開關的關態電壓也較高，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麵。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，ADI公司開發出了新型開關來取代存儲器晶圓探針電源應用中的PhotoMOS。ADI開關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
，能夠改善測試的並行處理能力
，使ATE能夠處理更大規模、速度更快的測試任務。如今AI應用對高效和高性能內存測試的需求日益增長
，為此，ATE公司正積極尋求更優的解決方案。在這種背景下，ADI開關憑借一係列出色特性，成為了PhotoMOS的有力替代方案。

應用原理圖

在ATE設置中
，開關扮演著非常重要的角色。開關能夠將多個被測器件(DUT)連接到同一個測量儀器（例如參數測量單元PMU）
，或者將它們從測量儀器上斷開，以便執行測試流程。具體來說



，開關使得PMU能夠高效地向不同DUT施加特定電壓，並檢測這些DUT反饋的電流。開關能夠簡化測試流程，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，我們可以將PMU的電壓分配到多個DUT，並檢測其電流，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開關應用

圖2.PhotoMOS和CMOS開關架構

圖1展示了如何利用開關輕鬆構建矩陣配置，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
，並簡化了布線，從而顯著提高了ATE係統的靈活性和可擴展性，對於大批量或多器件的測試環境至關重要。

開關架構

為便於理解評估研究（即利用開發的硬件評估板對PhotoMOS開關和CMOS開關進行比較）以及研究得出的結果
，這裏比較了PhotoMOS開關和CMOS開關的標準。從二者的開關架構開始比較更易於看出差別。

CMOS開關和PhotoMOS開關的架構不同，圖2顯示了開關斷開時的關斷電容(COFF)。該寄生電容位於輸入源極引腳和輸出引腳之間。

對於PhotoMOS開關，COFF位於漏極輸出引腳之間。此外，PhotoMOS開關具有輸入到輸出電容（也稱為漏極電容），同時在其用於導通和關斷輸出MOSFET的發光二極管(LED)級也存在輸入電容。

對於CMOS開關
，COFF位於源極和漏極引腳之間。除了COFF之外，CMOS開關還有漏極對地電容(CD)和源極對地電容(CS)。這些對地電容也是客戶在使用CMOS開關時經常抱怨的問題。

當任一開關使能時，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)。通過了解這些架構細節，我們可以更輕鬆地分析評估研究中的電容、RON和開關行為等性能指標
，確保為特定應用選擇正確的開關類型。

開關規格和附加值

為了更好地對開關進行定性和定量評估，應該考察其在係統設計應用中帶來的附加值。如上所述，對於圖1所示應用，ADG1412是理想選擇，可以輕鬆替代PhotoMOS開關。這款CMOS開關是四通道單刀單擲(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。設計人員可以通過比較表1列出的重要指標
，評估CMOS開(kai)關(guan)性(xing)能(neng)並(bing)打(da)分(fen)，從(cong)而(er)量(liang)化(hua)其(qi)相(xiang)對(dui)於(yu)其(qi)他(ta)替(ti)代(dai)方(fang)案(an)的(de)優(you)勢(shi)。這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)更(geng)深(shen)入(ru)地(di)了(le)解(jie)器(qi)件(jian)的(de)信(xin)號(hao)切(qie)換(huan)效(xiao)率(lv)

，對(dui)於(yu)複(fu)雜(za)或(huo)敏(min)感(gan)的(de)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)非(fei)常(chang)有(you)幫(bang)助(zhu)。

表1.開關規格

* CD(OFF)會影響CxR乘積性能

關斷隔離：開關斷開時的電容

兩種開關的關斷隔離曲線（圖3）表明
，輸入信號受到高度抑製（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。對於圖1所示的開關應用（直流(DC)切換），開關電容並不重要，重要的開關參數是低漏電流、高導通速度和低插入損耗。

圖3.關斷隔離曲線

插入損耗：開關導通電阻

低RON的開關至關重要。I*R電壓降會限製係統性能。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開關的插入損耗為-0.8 dB
，而CMOS開關的插入損耗僅為-0.3 dB。這進一步證實了CMOS開關具有較低的RON (1.5 Ω)。

圖4.插入損耗曲線

圖5.開關導通時間

開關導通時間

當驅動使能/邏輯電壓施加到任一開關上，使其閉合並將輸入信號傳遞到輸出端時，如果使用的是PhotoMOS開關，則會存在明顯的延遲（如圖5所示）。這種較慢的導通速度由於LED輸入級的輸入電容
，以及內部電路將電流轉換為驅動MOSFET柵zha極ji所suo需xu電dian壓ya的de過guo程cheng中zhong產chan生sheng的de延yan遲chi造zao成cheng的de。導dao通tong速su度du慢man一yi直zhi是shi客ke戶hu不bu滿man的de主zhu要yao原yuan因yin
，而er且qie會hui影ying響xiang係xi統tong整zheng體ti應ying用yong的de速su度du和he性xing能neng。相xiang比bi之zhi下xia
，CMOS開關的導通速度(100 ns)是PhotoMOS開關(200,000 ns)的2000倍(×2000)，更能滿足係統應用所需。

設計遷移：PhotoMOS替換為ADG1412開關

如果係統中使用的是PhotoMOS開關，並且遇到了測量精度不高、導通速度慢導致係統資源占用過多，以及難以提高通道密度等問題，那麼升級到采用CMOS開關的方案將使開發變得非常簡單。圖6顯示了PhotoMOS開關與CMOS開關的連接點對應關係。因此，係統設計可以利用CMOS開關，以更低的成本實現更高的通道密度。

圖6.開關連接點

ADI開關可提高通道密度

表2列出了一些能夠提高通道密度的ADI開關示例。這些開關具有與ADG1412類似的性能優勢
，導通電阻更低（低至0.5 Ω）
，而且成本比PhotoMOS開關還低。這些開關提供串行外設接口(SPI)和並行接口
，方便與控製處理器連接。

表2.能夠提高通道密度的ADI開關示例

結論

本文著重說明了CMOS開關的潛力。在ATE應用中，ADG1412可以很好地取代PhotoMOS開關。比較表明，CMOS開關的性能達到甚至超過了預期，尤其是在對開關電容或漏極電容要求不高的場合。此外，CMOS開關還擁有顯著的優勢
，例如更高的通道密度和更低的成本。

ADI公司的CMOS開關產品係列非常豐富

，不僅提供導通電阻更低的型號
，還支持並行和SPI兩種控製接口，從而更加有力地支持了在ATE係統中使用CMOS開關的方案。
（來源：ADI公司，作者：Edwin Omoruyi，高級應用工程師）

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