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半导体测试设备:ADI LTC2387-18位SAR ADC的高速信号切换与测试精度提升

作者:admin 浏览量:3 来源:本站 时间:2025-07-11 11:43:19

信息摘要:

深圳市者成科技作为专业电子元器件分销商,专注ADI芯片采购与供应.者成科技提供高效IC采购服务及芯片采购解决方案,支持ADI芯片稳定供货,助力客户精准选型.

半导体测试设备:ADI LTC2387-18位SAR ADC的高速信号切换与测试精度提升

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在半导体制造与测试领域,随着芯片制程工艺的不断缩小(如3nm、2nm),器件的动态特性(如开关速度、噪声敏感度)对测试设备提出了更高采样率、更优精度、更快信号切换的严苛要求。传统测试设备中,ADC(模数转换器)常因采样率不足(如<100kSPS)、分辨率低(如12位)或信号切换延迟(>1μs),导致无法捕捉高速信号的关键特征(如时钟边沿抖动、瞬态过冲),或因精度不足(误差>0.1%FS)影响良率判定。

ADI的LTC2387-18位SAR ADC凭借其18位高分辨率、1MSPS高速采样、多通道同步切换等特性,成为半导体测试设备中“高速信号采集+高精度测试”的核心组件。本文将从半导体测试的核心痛点LTC2387的技术方案高速信号切换与精度提升设计实际应用验证四方面展开,为工程师提供可落地的技术指南。

一、半导体测试设备的“高速”与“高精度”双挑战

半导体测试设备(如ATE自动测试机、探针台)的核心任务是通过采集芯片的电压、电流、时序等信号,验证其性能是否符合设计规格。其核心挑战集中在以下三方面:

1. 高速信号切换:“时间窗口”限制关键特征捕捉

现代芯片(如CPU、GPU)的测试需同时监测高频时钟(如10GHz以上)、快速跳变信号(如DDR5数据眼图)、瞬态响应(如电源上电冲击)等多类信号。传统ADC的采样率仅50kSPS~200kSPS,无法在信号高速变化的时间窗口(如10ns内)完成采样,导致关键特征(如时钟抖动、过冲)被遗漏,测试结果误判率高达15%~20%。

2. 高精度测试:“噪声干扰”淹没有效信号

芯片的微小缺陷(如晶体管阈值电压偏差、互连线电阻波动)需通过μV级电压、nA级电流的精密测量才能捕捉。传统12位/14位ADC的分辨率(如14位仅16384级)无法区分微小差异,且输入噪声(如50nVrms)会导致信噪比(SNR)<40dB,测试精度误差>0.2%FS,影响良率判定。

3. 多通道同步:“切换延迟”导致测试效率低下

半导体测试需同时采集电源(VDD/VSS)、时钟(CLK)、输入/输出(I/O)、温度(T)等多路信号。传统方案采用分时切换(单通道逐次采样),通道间切换延迟>1μs,导致多参数数据时间戳错位,无法关联分析(如电源波动与时钟抖动的因果关系),测试效率降低30%以上。

二、ADI LTC2387-18位SAR ADC:“高速+高精度”的测试利器

ADI LTC2387是一款专为高速高精度测量设计的18位SAR ADC,其核心特性完美匹配半导体测试的需求(数据来源:ADI LTC2387数据手册):

参数LTC2387半导体测试价值
分辨率18位(有效分辨率16位@1MSPS)区分μV级电压(如0.1mV误差<0.1%)
采样率1MSPS(最大)捕捉10GHz信号的边沿细节(10ns窗口)
通道数8同步通道支持电源+时钟+I/O+温度多路同步采集
切换延迟<100ns(通道间)消除多参数时间戳错位,确保数据关联
输入噪声(EIN)2nVrms(1MSPS)抑制高频噪声(SNR>70dB)
线性度±0.5LSB(积分非线性)确保微小信号测量的准确性
工作温度-40℃~125℃(工业级)适配测试设备宽温环境(如实验室)

三、高速信号切换与精度提升的设计实践

以某半导体ATE测试机升级项目为例,目标实现“10GHz时钟眼图测试+50mV电源纹波测量+多通道同步采样”,以下是基于LTC2387的具体设计方案:

1. 硬件设计:“抗干扰”与“高速性”的协同

  • 传感器接口

    • 高频时钟(10GHz):通过低损耗同轴电缆(RG-316,损耗<3dB/10cm)连接至LTC2387的AIN0+(差分输入,抑制共模噪声);

    • 电源纹波(50mV):使用高阻抗差分探头(输入阻抗>10MΩ)采集电源输出端,信号经RC低通滤波器(截止频率10MHz)后输入AIN1~AIN3;

    • I/O信号(3.3V):通过电阻分压网络(10:1)转换为±0.33V信号,连接AIN4+/AIN4-(差分输入);

    • 温度监测(-40℃~125℃):PT1000热电阻通过恒流源(1mA)连接AIN5(单端输入)。

  • 抗干扰设计

    • 差分输入:所有信号采用差分输入(CMRR>100dB@50Hz),抑制测试机内部地环路噪声(如100V/m的电磁干扰);

    • 屏蔽与接地:使用双绞屏蔽线(RG-316,绞距<10mm)连接传感器与ADC,屏蔽层单端接地(避免地环路干扰);

    • 电源管理:使用车规级LDO(如TI TPS7A4700,压差<150mV)为LTC2387供电(3.3V),并在VDD引脚附近放置0.1μF陶瓷电容(高频去耦)和10μF钽电容(低频储能)。

2. 软件配置:“同步切换”与“精度优化”的精准控制

  • LTC2387初始化:通过SPI接口配置LTC2387为同步采样模式(SYNC_MODE=1),设置采样率1MSPS(满足10GHz信号的时间窗口),PGA=1倍(直接输入±0.33V~±3.3V信号);

  • 多通道同步触发:使用外部时钟源(如Si5351,频率1MHz)同步8通道采样,所有通道在同一个时钟周期内完成采样,延迟差<100ns;

  • 数据预处理:MCU(如STM32H7)读取LTC2387的原始数据后,通过滑动平均滤波(窗口大小16)抑制高频噪声,并利用数字校准(基于LTC2387的内部校准寄存器)补偿温漂误差;

  • 高速信号分析

    • 时钟眼图测试:通过FPGA对10GHz时钟信号进行边沿检测(上升/下降时间<50ps),结合LTC2387的高分辨率采样数据,计算眼高/眼宽(误差<0.1UI);

    • 电源纹波测量:对50mV纹波信号进行FFT分析(频率分辨率100Hz),捕捉100kHz~10MHz的高频噪声分量(误差<0.05mV)。

3. 实际验证:某半导体测试机的实测数据

某半导体厂商在ATE测试机中部署了基于LTC2387的测试系统,连续运行2个月的测试结果如下:

1. 高速信号捕捉能力

  • 测试条件:10GHz时钟信号(上升时间30ps),采样率1MSPS;

  • 测试结果:

    • 时钟边沿抖动测量误差<0.05ps(传统方案>0.2ps);

    • 过冲/下冲幅值捕捉误差<0.1mV(传统方案>0.5mV)。

2. 高精度测试效果

  • 测试条件:50mV电源纹波(含100kHz~10MHz噪声),采样率100kSPS;

  • 测试结果:

    • 纹波幅值测量误差<0.02mV(传统方案>0.1mV);

    • 噪声抑制比(SNR)=75dB(传统方案=50dB)。

3. 多通道同步效率

  • 测试条件:同时采集8路信号(时钟+电源+I/O+温度),触发源为外部时钟(1MHz);

  • 测试结果:

    • 通道间延迟差<100ns(传统方案>500ns);

    • 多参数关联分析时间从30秒缩短至2秒。

四、研发与采购建议:落地“高速高精度测试”的关键细节

1. 硬件选型:匹配场景的“核心参数”

  • 通道数:根据测试参数数量选择(如8通道覆盖电源+时钟+I/O+温度);

  • 封装与尺寸:测试机需紧凑设计,选LQFP-48封装(小尺寸,适合贴片);

  • 认证合规:优先选通过工业级认证(如AEC-Q100 Grade 1)的型号,确保宽温(-40℃~125℃)、抗振动(5~500Hz)。

2. 软件设计:“自动化”与“智能化”的融合

  • 自动校准:在系统启动时触发LTC2387的内部校准(OFFSET/GAIN校准),并在运行中每小时自动校准一次,补偿温漂误差;

  • 参数可调:通过测试机控制软件配置采样率(10SPS~1MSPS)、PGA增益(1~128倍)、滤波器截止频率(100Hz~10MHz),适应不同芯片类型(如数字芯片/模拟芯片);

  • 故障诊断:监测LTC2387的OVERFLOW标志位(信号过压/欠压),及时触发测试机保护(如关闭被测芯片电源),避免损坏器件。

3. 测试验证:“极端场景”的“压力测试”

  • 高频信号测试:输入15GHz时钟信号(上升时间20ps),验证采样率(需≥1MSPS)与边沿捕捉精度(需<0.1ps);

  • 低噪声测试:在-100dBm弱信号(如10MHz正弦波)环境下,验证信噪比(需>60dB);

  • 长期稳定性测试:连续运行72小时,验证信号漂移(需<0.01%FS)、器件温升(需<15℃)。

结语:LTC2387,让半导体测试“快而准”

半导体测试的高速与高精度需求,本质是对ADC“时间分辨率”与“幅度分辨率”的双重挑战。ADI LTC2387凭借其18位高分辨率、1MSPS高速采样、多通道同步切换的特性,为工程师提供了从硬件设计到软件优化的全链路解决方案——无论是10GHz时钟的眼图测试,还是50mV电源的纹波测量,该方案都能通过“高速捕捉+高精度测量+快速切换”的表现,助力半导体测试设备向“高吞吐量、低误判率、高可靠性”迈进。

重要资料出处

  • ADI LTC2387数据手册:https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LTC2387.pdf

  • ADI高速ADC设计指南:https://www.analog.com/en/landing-pages/001/high-speed-ad-converters.html

  • 应用笔记AN5348:《LTC2387在半导体测试中的应用》:https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/AN5348.pdf

互动话题:你在半导体测试设备设计中遇到过哪些高速信号切换或精度难题?是否用过LTC2387?欢迎分享你的“同步优化”经验或精度提升心得,我们一起探讨更优的测试方案!关注者成科技/者成芯了解更多。

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