在各類制造環節中，測試都是一整套方法學。如果從芯片測試場景來看，大致可以分為三類：通用儀器測試、系統級測試（SLT）以及自動測試設備（ATE）。其中，ATE又包括晶圓級測試（Wafer Test）和成品測試（Final Test）。它們對應芯片生命周期的不同階段——從研發驗證，到系統試運行，再到量產篩選。

三者的側重點并不相同。通用測試解決的是“能不能做出來”，系統級測試關注“在真實系統中表現如何”，ATE面對的是芯片量產中的現實約束：在保證測試質量的前提下，以更低成本、更高效率完成篩選。

圍繞這一目標，ATE系統需要在多個維度之間取得平衡，包括測試成本、測試能力、覆蓋率與測試質量、并行測試能力以及功耗等。

測試容易成為被忽視的瓶頸

過去幾年，行業的關注點更多集中在制造設備上。隨著芯片復雜度提升和出貨規模擴大，測試環節的壓力逐漸顯現，測試時間正在持續增長，也導致了測試成本的上升，而ATE環節及設備自然成為成本優化的重要抓手。

ATE市場長期高度集中，背后是系統復雜度高、驗證周期長以及客戶集中度高等因素共同作用。而近幾年，芯片產量提升帶動測試需求增長，本地化趨勢下，中國也逐步涌現出一批ATE廠商。

ATE系統都包括了哪些？

測試的本質，是對被測對象施加可控激勵，并對其響應進行測量與判定。

從硬件結構來看，一臺ATE設備通常由測試主機、測試頭、接口系統以及自動化設備組成，用于完成完整測試流程。

其中，測試頭是核心所在。大量模擬與電源電路集中于此，并以“板卡”的形式構建系統能力。這種板卡化設計，使ATE可以按需配置，同時具備橫向擴展能力，也便于維護與替換。

常見的三類核心板卡包括：電壓或電流測量卡（V/I卡）、引腳電子卡（PE卡）以及器件電源卡（DPS卡）。

電壓或電流測量卡提供精密電壓、電流激勵并完成參數測量；PE卡主要負責數字信號的激勵與采集；DPS則提供穩定的供電環境，作為電壓源或電流源使用。

測試設備必須比被測對象更精確，才能真實反映被測對象性能并避免誤判，也正因此，芯片技術的進步，不斷推動測試板卡向更高性能演進。

芯片供應商賦能ATE系統

ATE的變化創新不僅來自需求側，也來自供給側。

像Texas Instruments（TI）這樣的半導體公司，正在從芯片層面切入測試系統。長期以來，TI在ADC、DAC、運放和電源管理等通用器件領域積累深厚，但在ATE這一細分市場中，專用產品和系統級布局相對有限。

這種情況正在發生變化。

近幾年，TI開始持續投入ATE方向：推出專用PMU等關鍵器件并完善信號鏈與電源鏈產品組合。對于ATE這類應用而言，快速、準確的信號鏈是確保系統在能力和成本上的關鍵差異化。

同時TI還圍繞ATE建立了系統團隊，提供參考設計與板卡級方案。其目標不僅是器件替代，而是以系統能力參與到ATE系統的設計與創新中。

詳解不同測試板卡需求

電壓電流卡方案

在V/I（電壓電流）卡中，多通道能力至關重要，但同時重要的是精度。V/I測量卡通常是設備上最精確的卡，用于評估DUT(被測器件)引腳的精確直流特性。V/I卡為DUT提供高精度電壓或電流激勵，并對響應進行測量，這類測試直接關系到器件直流參數的判定，對精度、穩定性和一致性要求最高。

該卡上的所有或部分元件可以集成到單個芯片中，也可以分立實現，集成實現可具有最高的多通道能力，而分立實現則可實現相對更高的靈活度。

PMU（參數測量單元）是實現多通道能力的關鍵。PMU本質上是一個閉環系統，既輸出激勵，又完成測量，并根據反饋進行調節。PMU需要支持以下模式：強制電壓 (FV)、強制電流 (FI)、測量電壓 (MV) 和測量電流 (MI)。在多通道場景中，PMU通常通過多路復用結構服務多個引腳，提高資源利用率。

例如TI的TSMU818A030，是一款高性能、高集成度的PMU，包含8 個獨立通道。

每個通道內部集成電壓輸出DAC及鉗位DAC，用于設定激勵電平并實現保護控制。器件提供5檔基于電阻的可編程強制/測量電流范圍，量程覆蓋±5μA至±100mA，其中4檔量程采用片內檢測電阻。

8 個通道的測量結果可通過線或（wired-OR）結構進行復用，無需外接多路復用器；同時也支持各通道獨立輸出測量信號。將多通道PMU能力集成在單芯片中，有助于提升通道密度，同時降低系統復雜度。

ADC 的模擬輸入帶寬必須更高，才能在多路復用器輸出切換時準確捕獲信號的變化。TI提供了諸如ADS9813多通道高帶寬同步采樣ADC，可以在并行測試中保持一致性，同時具備足夠帶寬以應對多路復用帶來的動態變化。另外，ADS9813器件的完整集成模擬前端具有過壓輸入鉗位、1MΩ輸入阻抗、獨立的可編程增益放大器(PGA)、可編程低通濾波器(LPF)和ADC輸入驅動器，此外還集成低漂移精密基準，以及用作外部基準的集成式輸入緩沖器。這種高集成方案可以極大提升測試卡密度，降低占板空間，同時提升信號鏈的準確性和完整性。

另外，在高精度測試與測量系統中，參考源本質上相當于整個系統用于校準的“黃金基準”，也就是一個長期穩定、幾乎不發生變化的標準電壓源。系統會以它作為絕對參考，并對 ADC、DAC 以及整個測量鏈路進行誤差校正，因此參考源的穩定性將直接決定整體系統的運行精度以及后續校準維護周期。一旦黃金基準本身發生漂移，整個校準體系的準確性也會隨之下降。TI 的 REF81 采用高穩定度埋入式齊納參考架構，可實現低至 0.05ppm/°C 的超低溫漂，以及在 1000 至 5000 小時范圍內僅 0.3ppm 的長期漂移表現，能夠在長時間運行過程中持續保證系統測量精度，并顯著延長高端測試設備的校準周期。

參考源的選擇直接決定整體系統的運行精度和校準維護周期，TI的REF81是業界最好的參考源之一，支持高達0.05ppm/°C輸出溫漂和低至1千到5千小時的0.3ppm 長期漂移，能夠很好的保證整體系統精度和長期運行精度。

DPS卡

DPS（Device Power Supply器件電源）卡用于為DUT提供穩定、可控的電源環境。在邏輯和存儲芯片測試中，供電質量會直接影響器件行為。

傳統DPS多采用模擬控制環路，結構相對簡單，但在復雜負載條件下，需要針對不同工況進行補償，可能帶來趨穩時間和振鈴問題。如今，DPS正在逐步采用數字控制回路，以強化可編程性。在數字電源架構中，除了數字控制器，信號鏈同樣關鍵，以確保電源的性能。

特別是ADC和DAC可以助力閉環算法優化控制策略，在精度與響應速度之間取得更好的平衡。精密 DAC 可驅動控制環路，強制實施電流和電壓的直流電平。DAC 需要具有低噪聲、低漂移和快速趨穩時間，以便保持精確、快速的環路響應時間，DAC11001B（超低噪聲、低干擾和出色THD 性能的 20 位DAC）可用于此應用。

而ADC則負責輸出信號的采集，并反饋至控制端。以ADS9219（18 位、20Msps/通道 SAR ADC）為代表的高速高精度ADC，可以快速完成采樣與轉換，降低系統延遲，提高動態響應能力。

另外，在V/I卡以及DPS卡中，放大器也是信號鏈中的關鍵環節。一方面，DAC 輸出會傳送到功率放大器或者是增益和功率放大器的組合，從而實現放大。另外，在ADC采樣之前，也需要集成儀表放大器，以便保持信號完整性的同時，提供準確的結果。TI擁有豐富的精密放大器產品組合，適配于不同的應用場景中。

PE卡

PE卡（Pin Electronics）負責數字信號的激勵與采集，是ATE中直接連接數字引腳的核心模塊，邏輯與存儲芯片的大量功能測試由此完成。

PE卡中的PPMU主要用于基礎直流測試，對精度要求相對低于V/I卡，更強調通道密度與成本控制，因此需要在可接受精度范圍內，實現更高集成度和更優成本結構。

在這種約束下，多通道ADC的復用能力成為關鍵。例如ADS9813可以通過多路復用方式對多個PPMU通道進行監測，在保證測量能力的同時降低系統復雜度。

隨著測試系統的供電復雜度迅速提升，電源設計不僅需要滿足低噪聲、低紋波、瞬態響應、高精度同步等要求，還需要在有限板卡空間內實現更高功率密度。TI 擁有大量不同規格參數的超小尺寸電源模塊與 DC/DC 方案，能夠在保證低噪聲與高精度的同時，更好地滿足半導體測試設備日益增長的單板通道密度需求，為高性能 ATE 系統提供更緊湊、更高集成度的電源架構方案。

TI有大量的不同規格參數的超小尺寸電源模塊，能夠為日益增長的單板通道密度提供更好的解決方案。

ATE中的開關技術

除了核心測量單元，開關同樣是ATE中的重要組成部分。

測試過程中需要在不同路徑之間快速切換，例如在PE、PMU和DPS之間復用資源，或在不同測試節點之間建立連接。長期以來，這一功能依賴機械繼電器或光繼電器實現。

繼電器具備低導通電阻和低漏電流的優勢，適用于高精度測試，但體積較大，切換速度有限，壽命也受到約束。

隨著系統向更高通道密度和更高集成度發展，基于半導體的精密模擬開關開始進入ATE系統。這類方案在體積、速度和集成度方面具有優勢，有助于降低系統復雜度。

TI正在推動高性能模擬開關在ATE中的應用，在導通電阻、漏電流和線性度等指標上不斷優化。

機械繼電器仍會存在于極限精度場景中，但在更多測試路徑中，半導體開關已經成為更具吸引力的選擇。

測試正在從“驗證環節”走向“系統能力”

ATE正在經歷一輪底層能力重構：芯片復雜度持續提升，測試逐漸接近對性能邊界的刻畫。測試時間和成本壓力同步增加，系統需要在效率與精度之間找到新的平衡。

ATE的競爭也從單一設備能力，轉向底層系統架構的整體優化，包括信號鏈、電源鏈、控制環路等多個層面。芯片廠商的角色同樣經歷著變化，以德州儀器為代表的模擬與電源廠商，開始從器件供應走向系統能力，通過PMU、ADC、DAC、放大器和模擬開關的組合，以及對應的參考設計，真正做到了根據ATE發展需求，參與進架構設計中。

總而言之，測試系統中的模擬與電源能力正在被重新整合，以實現精度、速度和規模之間的平衡。當ATE向更高通道密度、更高精度、更快速及更低成本方向演進時，高性能模擬及信號鏈、電源、控制等底層能力組合，會成為下一階段的重要競爭點。

來源：電子工程世界（EEWorld）