采用PMU AD5522及16位ADC AD7685的ATE应用参数测量单元和支持器件 (CN0104)

本电路由一个四通道参数测量单元(PMU)和支持器件组成，可用于最少四个受测器件(DUT)通道。PMU通道通常由数个DUT通道共用。虽然AD5522高度集成并能提供四通道的完整PMU解决方案，但仍然至少需要一个外部基准电压源和一个ADC才能构成ATE信号链。该基准电压源和ADC通常可由多个PMU封装共用。为进一步提高灵活性，可以增加外部开关，通过扩展AD5522可驱动的DUT电容范围来扩充PMU的能力。

图1：参数测量单元及支持器件（原理示意图）

 

四通道PMU AD5522可为DUT提供强制函数和测量函数，但PMU外部需要进行数字化处理。这可以通过下述方法实现：

利用各MEASOUTx引脚的内部禁用功能，可以实现多个通道共用一个ADC。这就要求对PMU寄存器执行写入命令，以使能/禁用相应的开关。如果选择这种方法，则应注意，一次只能选择一个MEASOUTx通道。

或者，可利用外部4:1多路复用器来控制测量通道选择。以这种方式，可以使能所有四个MEASOUTx路径，由多路复用器选择测量通道。类似地，采用8:1或16:1多路复用器，可实现更多测量路径共享一个ADC。多路复用器的选择将取决于所用的ADC及其输入电压范围。对于双极性输入ADC，ADG1404/ADG1204 系列器件将是理想之选；若采用单电源，则ADG706 和 ADG708 更合适。除开关阻抗外，MEASOUTx路径的输出阻抗通常为60 Ω。因此，应考虑使用ADA4898-1等ADC缓冲器来驱动ADC（图中未显示缓冲器）。

16位、250 kSPS ADC AD7685 能够处理MEASOUTx路径的0 V至4.5 V输出范围，所以适合本应用。此外，如果希望升级路径，速度更快但尺寸相同的其它ADC（例如16位、500 kSPSAD7686）也是颇具吸引力的选择。

如果需要20 V输出范围，则AD5522要求使用一个5 V基准电压源。选择5 V XFET基准电压源ADR435的原因在于，它具有低温度系数（A级为10 ppm/°C；B级为3 ppm/°C）、低噪声（8 μV峰峰值，0.1 Hz至10 Hz）以及能够驱动多个PMU通道（30 mA源电流，20 mA吸电流）特性。

一些应用要求PMU能够驱动各种大小的DUT电容，尤其在PMU与电源引脚相连，或者PMU用作器件电源，且存在DUT的去耦/旁路电容的应用中。这种情况下，将一个外部开关而不是固定电容与CCOMP引脚相连，可使附加CCOMP电容得以接通或断开，从而优化各种容性负载条件下的建立时间和稳定性。本电路所选的开关为四通道SPST开关ADG412，其导通电阻小于50 Ω。由于大多数多路复用器一次只允许接通多个通道中的一个通道，所以才选用四通道SPST开关，而不是多路复用器。利用四通道开关，各漏极可以连在一起，源极则可以与各补偿电容相连，从而提供24 − 1种可能的CCOMP组合。

同样，本电路采用差分多路复用器ADG1209 ，以适应与CFFx引脚相连、范围更宽的前馈电容，从而使AD5522能够驱动更宽范围的DUT电容。所用多路复用器的串联电阻应使得1/(2π × R_ON × C_DUT) > 100 kHz。本例中，ADG1209用于切换AD5522的两个通道。

开关和电容将发生与AD5522 FOH引脚的电压范围相同的电压偏移。因此，开关和电容的额定电压应考虑这一点。CFF电容可以具有10%或以下的公差，这一额外变量会直接影响建立时间，特别是在低电流的测量电流模式下。所选的CCOMP电容公差应不大于5%。表1列出了不同负载电容下补偿电容CCOMP和CFF的建议标称值。

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地和去耦技术（请参考教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”，以及 教程MT-101——“去耦技术”）。请注意，图1为原理示意图，并未显示所有必需的去耦。

精心考虑电源和接地回路布局有助于确保达到额定性能。安装AD5522所用的印刷电路板(PCB)应采用模拟部分与数字部分分离设计，并限制在电路板的一定区域内。如果AD5522所在系统中有多个器件要求AGND至DGND连接，则只能在一个点上进行连接。星形接地点尽可能靠近该器件。

图2：不同CCOMP值对应的输出电压步进响应（强制电压步进为11.25 V，负载为220 pF，使用ADG412 SPST开关）

 

图3：积分线性性能（使用AD7685测量FIMV误差，FI范围 = ±2 mA，测量输出增益 = 0.2）

 

图4：积分线性性能（使用AD7685测量FVMI误差，FV范围 = ±10 V，2 mA范围，5.6 kΩ负载）

 

图5：积分线性性能（使用AD7685测量FVMV误差，FV范围 = ±10 V，测量输出增益 = 0.2）

 

图6：积分线性性能（使用AD7685测量FIMI误差，FI范围 = ±2 mA，测量输出增益 = 0.2）

 

对于具有多个引脚 (AV_SS 和 AV_DD)的电源，建议将这些引脚连在一起，并且每个电源仅去耦一次。

AD5522应具有足够大的10 µF电源去耦电容，与每个电源上的0.1 µF电容并联，并且尽可能靠近封装，最好是正对着该器件。10 μF电容为钽珠型电容。0.1 µF电容应具有低有效串联电阻(ESR)和低有效串联电感(ESL)——高频时提供低阻抗接地路径的普通陶瓷型电容通常就是如此，能够处理内部逻辑开关所引起的瞬态电流。

应避免在该器件下方布设数字线路，否则会将噪声耦合至该器件。不过，可以将模拟接地层放在AD5522下方，以避免噪声耦合（此做法仅适用于焊盘朝上的封装）。AD5522的电源线路应采用尽可能宽的走线，以提供低阻抗路径，并减小电源线路上的突波效应。快速开关数字信号应利用数字地屏蔽起来，以免向电路板上的其它器件辐射噪声，并且绝不应靠近参考输入。必须将所有VREF线路上的噪声降至最低。

应避免数字信号与模拟信号交叠。电路板相反两侧上的走线应彼此垂直，以减小电路板的馈通效应。像所有薄型封装一样，必须避免弯曲封装，并且在组装过程中必须避免封装表面上出现点负载。

另外请注意，AD5522的裸露焊盘与负电源AV_SS相连。

PMU电路并非始终需使用AD5522的20 V完整输出范围，许多应用只需要其中的一部分。例如，用户使用2.5 V基准电压源ADR421 可以实现±5.6 V的标称输出电压范围，利用片内OFFSET DAC可进一步调整该范围，以适应DUT要求。（更多信息请参考AD5522 数据手册。）另外，能够使用较低供电轨也是额外的优势，特别是以每通道80 mA完整电流范围工作时，这有助于降低AD5522的功耗。

按ADC通道划分PMU测量通道有多种方式，多个PMU通道也可以共用一个ADC通道（有时以8:1或16:1的比率）。另外，也可以使用片内MEASOUT禁用功能或模拟多路复用器来实现。多路复用器会增加测量路径的串联电阻；因此，ADC输入端之前可能需要缓冲。

其它变化包括使用能够处理双极性信号范围的ADC，或者采样速率更快的ADC。