正达电子元器件综合检测仪：[前沿]2000kHz测试频率在元器件检测筛选中的应用

【正达电子元器件综合检测仪系列论文】

 

 

[前沿]2000kHz测试频率在元器件检测筛选中的应用

 

 

摘要：（【正达电子元器件综合检测仪系列论文】）评价集成电路性能的重要指标：1.速度（延迟/工作频率），2.功耗，3.功能性和可靠性。体现出集成电路的综合性能。其中：速度是动态性能的一个指标，能反映集成电路的综合性能。以前电路测试仪的测试频率很低（50kHz以下），测试频率对器件功能测试的影响没有被充分认识。第三代ZD9610测试仪2000kHz测试频率广泛深入的应用实践表明，测试频率和数字器件（以及模拟器件）的工作频率之间存在密切联系。2000kHz测试频率对元器件综合性能的检测筛选具有重要意义。

 

关键词：2000kHz测试频率 工作频率 综合性能 动态性能 检测筛选 全新器件 翻新器件

 

0.前言

    除了电路板维修外，近年来，元器件筛选也逐渐成为电路测试仪另一个发展方向。

    许多生产企业和科研单位都在开展元器件二次筛选工作，筛选对象是外购的全新元器件，有时还要面对甄别某些鱼目混珠的翻新器件。这是一项非常重要的工作，目的是将存在早期失效隐患或性能不佳的元器件及时清除出去，从而保证产品的可靠性和耐用性。

    无论电路板维修还是元器件筛选，都要进行器件功能/参数/性能测试。其中：正达测试仪集成器件功能测试项，测试频率达到2000kHz.通过广泛深入的应用实践，充分证明测试频率和数字器件（以及模拟器件）工作频率之间存在密切联系。2000kHz测试频率在元器件综合性能检测筛选中发挥出了独特作用，取得显著效果。

 

1.测试频率不同于器件工作频率

    2000kHz测试频率也就是2MHz,而《器件手册》中给出的数字器件工作频率通常是几十MHz，两者之间看似有明显差距。

    需要明确：测试频率不同于《器件手册》中给出的工作频率，不能将两者混为一谈。大幅提高数字器件功能测试时的测试频率，目的是检测数字器件对测试仪所施加测试信号的正确响应能力。检测数字器件的综合性能。

    实践表明：对数字器件施加2000kHz测试信号时，绝大部分数字器件不能输出正确结果。只有降低测试频率，有些类型数字器件甚至需要大幅度降低测试频率，才能够通过功能测试。虽然这些数字器件在《器件手册》中给出的工作频率都在几十MHz左右。

    所以：2000kHz测试频率是一个很高的测试频率。

    另外还要补充一点：《器件手册》中给出的工作频率是数字器件的理论工作频率，在电路板上一般无法达到。数字器件实际工作频率取决于电路板上中央处理器（例如：51系列单片机）的频率。通过对51系列单片机时钟周期/机器周期/指令周期等计算分析，数字器件的实际工作频率要远低于《器件手册》中给出的工作频率，多数情况下实际工作频率低于2MHz.

 

2.器件工作频率与测试频率相对应

    实践表明：数字器件对高频测试信号的正确响应能力与器件工作频率相对应。也就是说，数字器件的工作频率越高，速度越快，所能通过功能测试的测试频率也越高。

    验证环境：对不同数字器件的测试都是在相同条件下进行的。例如，测试电缆的长度或测试插座的规格完全相同，对同种型号数字器件施加的测试信号也完全相同。大量测试结果表明，高频测试环境下的功能测试与数字器件工作频率存在密切联系。

    简而言之：工作频率越高，测试频率越高。

    检测实例：有两片型号为CD4050的数字器件。外形封装完全相同（均为双列直插式封装），型号完全相同（均为CD4050），仅仅是厂家不同。其中：一片为仙童公司。见图1左。一片为TI公司。见图1右。

 

图1    两个厂家同型号CD4050器件动态性能测试差异明显    

    

    对比它们能够正确完成功能测试的最高测试频率，仙童公司CD4050是1000kHz，TI公司CD4050是500kHz.再查阅这两个厂家CD4050的PDF技术资料，仙童公司CD4050的工作频率要明显高于TI公司CD4050，和功能测试中两个厂家CD4050所能通过功能测试的最高测试频率相对应。

    CD4050属于CMOS4000系列数字器件，CMOS4000系列数字器件的工作频率普遍低于TTL74系列数字器件，实测中CMOS4000器件能够正确完成功能测试的最高测试频率也普遍低于TTL74器件。这点同样印证了测试频率与器件工作频率的对应关系。

    另一个现象是，采用第三代ZD9610测试仪进行2000kHz测试频率效果验证时，40管脚以下的数字器件大部分不能在2000kHz测试频率下通过功能测试。而新型>40管脚数字器件则恰恰相反，大部分都可以在2000kHz测试频率下通过功能测试。对照《器件手册》发现，这是因为新型数字器件工作频率有很大提高的缘故。

    其它实例：

    以下几种功能相同的数字器件所能通过功能测试的最高测试频率不同，对比《器件手册》中给出的工作频率，同样能够发现存在明确的对应关系。

    74HC4066N  （Philips公司）2000kHz,     CD4066BE（TI公司）500kHz；

    MC74HC4538（Motorola公司）1800kHz,    CD14538BE（TI公司）500kHz；

    检测实例在正达技术资料中列举了很多，不再过多赘述。第三代ZD9610测试仪2000kHz测试频率已经进行多年广泛深入的应用实践，测试效果明确，可以反复验证。

 

3.检测器件时提高测试频率的意义所在

    和时间/频率特性相关的测试属于动态测试，反映出的正是数字器件的动态性能。对于同型号数字器件而言，能够通过功能测试的测试频率越高，器件的动态性能越好，其综合性能也越好。

    在低频测试环境下进行功能测试，数字器件可以轻易通过功能测试，无法反映不同器件之间的动态性能差异。可见，大幅提高数字器件功能测试的测试频率，能够检测器件的综合性能。将某个性能完好数字器件所能通过功能测试的最高测试频率作为标准，就可以严格筛选该类器件。

    例如之前的例子：仙童公司CD4050能够正确通过功能测试的最高测试频率是1000kHz，倘若有50片仙童公司CD4050器件，其中48片能够在1000kHz测试频率时通过功能测试，而2片不能在   1000kHz测试频率时通过功能测试，必须降低测试频率才能够通过功能测试。则这2片CD4050器件的综合性能下降，不能应用在重要场合。

    需要强调的问题是：低频测试环境下的数字器件功能测试是静态测试。采用VI曲线测试或者直流参数测试，不但不属于器件功能测试，也不涉及器件的频率特性。因此，以上这些方法都无法测试器件的动态性能，无法检测器件的综合性能。

 

4.VI曲线测试/直流参数测试的局限性

    VI曲线测试/直流参数测试是通过器件管脚阻抗特性进行故障分析，不属于功能测试。而且与器件的频率特性无关。

    应当说，VI曲线测试/直流参数测试也能解决一些元器件的筛选问题。但可以发现的问题通常已是很严重的器件故障了，因为管脚阻抗特性发生改变意味着器件静态性能下降，器件已经功能损坏或接近功能损坏。

    管脚阻抗特性发生改变，器件综合性能必然会下降很多，在功能测试时的测试频率上也必然会体现出来。表现形式是：器件所能通过功能测试的最高测试频率较之好器件会大幅下降。更多情况是：无论测试频率降至多少，器件也不能通过功能测试。

    结论：VI曲线测试/直流参数测试在分析器件故障时作用明显一些，用在电路板维修和元器件故障判别上更加适合。但是对于检测筛选出动态性能不佳、综合性能下降而又远未达到功能损坏程度的数字器件没有效果。

 

5.翻新数字器件检测实例

    大量过期报废的电子产品未被销毁，将上面的器件拆卸、翻新、再流入市场，已经形成了一个巨大产业链。在这些翻新器件中，以塑封数字器件居多。旧器件经过型号归类、表面打磨、管脚整形、表面喷漆、重新表识等一系列步骤后，完全可以达到以假乱真的目的。出售翻新器件在电子市场上已经处于半公开的状态，单从器件外观上很难辨识。

    翻新数字器件使用年限不一。少数存在功能损坏情况，而多数情况下翻新数字器件功能正常，器件管脚阻抗特性/直流参数无变化，因此无法通过VI曲线测试发现。因为翻新数字器件主要是从淘汰设备电路板上拆卸下来，被拆下之前仍然处于正常使用状态。

    但翻新数字器件的综合性能会下降，动态性能不佳。较之同型号全新器件能够通过功能测试的最高测试频率会大幅下降。

    检测实例：DM74LS154N是24管脚4-16线译码器。见图2.曾经广泛应用，现已停产多年。目前在市场上出售的几乎全是翻新器件，全新DM74LS154N凤毛麟角。正达公司也采用过这种器件，还有一点库存。单从外观上看，翻新DM74LS154N外形/型号/厂家/标识与全新器件完全相同，很难甄别。采用VI曲线进行新旧器件对比测试，看不出丝毫差异。

 

图2    DM74LS154N（24管脚4-16线译码器）翻新器件识别

 

    下图是一个翻新DM74LS154N译码器和全新器件以对地参考形式进行VI曲线对比测试。见图3.可见：各个管脚的VI曲线对比结果完全一致。

    说明：每个管脚VI曲线对比结果完全重合。红线（当前所测翻新器件VI曲线）和蓝线（事先已学全新器件VI曲线）重合混为一体，最大误差0.2%.管脚12为DM74LS154N接地管脚，VI曲线呈现对地垂直短路形状。管脚24为电源管脚（在下一屏），VI曲线形状特殊。

 

图3    翻新DM74LS154N各个管脚和全新DM74LS154N进行VI曲线对比测试没有丝毫差异

 

    通过调整功能测试信号频率，全新DM74LS154N能够通过功能测试的最高测试频率为1800kHz，而翻新DM74LS154N能够通过功能测试的最高测试频率低于1500kHz，区别明显。翻新DM74LS154N无法在1800kHz测试频率下通过功能测试。见图4.

 

图4    翻新DM74LS154N工作速度明显下降

 

    说明：在测试波形图中，黑色波形为施加的1800kHz测试信号，绿色波形为翻新DM74LS154N实测输出信号（绿色虚框为介于高/低电平之间的状态），红色波形为全新DM74LS154N在1800kHz测试信号下事先建立的标准输出信号。从测试波形图中可以看出，翻新器件的速度明显慢于全新器件。

    如果原先设备上必须用到DM74LS154N器件，通过提高测试频率，能够甄别DM74LS154N器件的新旧性质。即便只能买到翻新器件，亦可劣中选优。

    如果仅仅只是在低频测试环境下进行器件功能测试，例如：测试频率10kHz，全新和翻新DM74LS154N器件必然都能够通过功能测试。采用VI曲线测试也不会发现任何差异，因此也就无法甄别DM74LS154N器件的新旧性质。

 

6.模拟器件检测筛选同样适用

    第三代ZD9610测试仪平台研发的模拟多路复用器功能测试项，也运用了2000kHz测试频率。这项测试表明：2000kHz测试频率绝非只能用于数字器件检测筛选，在模拟器件检测筛选中同样适用。

    例如：模拟多路复用器ADG506AKN和AD7506JN功能相同。见图5.在相同条件下检测，ADG506AKN能够通过功能测试的最高频率为1800kHz,AD7506JN能够通过功能测试的最高频率为500kHz.

    查阅这两个器件的PDF技术资料，ADG506AKN的工作频率明显高于AD7506JN.与实测结果中的最高测试频率相对应。

 

图5    ADG506AKN和AD7506JN这两种模拟多路复用器动态性能测试差异明显

 

    同样，如果将某性能完好的模拟多路复用器所能通过功能测试的最高测试频率作为检测标准，建立标准样板库，就可以严格筛选该类模拟器件。见图6.

 

图6    用户可以自己建立AD7506JN动态性能标准库

 

    可见：2000kHz测试频率具有很高应用价值。不仅仅能够运用在数字器件检测筛选，还可以运用在模拟器件检测筛选。

    2000kHz测试频率在模拟多路复用器检测筛选的应用实践，给今后改进模拟器件功能测试技术带来启发。对于模拟开关、电压比较器、光耦（备注：2018年光耦器件已实现通过2000kHz测试频率进行性能筛选，其他模拟器件也在陆续实现中）等元器件，未来也会引入2000kHz测试频率这种测试形式，对模拟器件的综合性能筛选也提供一种有效的解决路径。

 

7.结语

    大幅提高器件功能测试的测试频率，并非是检测器件动态性能的某个具体参数值，而是以提高测试频率作为一个严格的测试条件，检测筛选器件的综合性能。

    广泛深入的应用实践表明：无论电路板维修，还是元器件筛选，2000kHz测试频率具有极为重要也无法替代的优势。唯有在功能测试时大幅提高测试频率，才能够检测筛选元器件的综合性能，从而发现软故障或工作隐患。

    2000kHz测试频率是对集成电路检测手段的重要突破。对于数字器件和模拟器件都是如此。2000kHz测试频率使集成电路功能测试跨入动态性能测试和综合性能筛选的新阶段。