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IC测试原理解析(第三部分)

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芯片测试原理讨论在芯片开发和生产过程中芯片测试的基本原理，一共分为四章，下面将要介绍的是第三章。我们在第一章介绍了芯片测试的基本原理；第二章讨论了怎么把这些基本原理应用到存储器和逻辑芯片的测试上；本文主要介绍混合信号芯片的测试；接下来的第四章将会介绍射频/无线芯片的测试。

第三章 混合信号芯片测试基础

基于DSP的测试技术

利用基于数字信号处理(DSP)的测试技术来测试混合信号芯片与传统的测试技术相比有许多优势。这些优势包括：

  • 由于能并行地进行参数测试，所以能减少测试时间；
  • 由于能把各个频率的信号分量区分开来(也就是能把噪声和失真从测试频率或者其它频率分量中分离出来)，所以能增加测试的精度和可重复性。
  • 能使用很多数据处理函数，比如说求平均数等，这对混合信号测试非常有用

    采样和重建

    采样用于把信号从连续信号(模拟信号)转换到离散信号(数字信号)，重建用于实现相反的过程。自动测试设备(ATE)依靠采样和重建给待测芯片(DUT)施加激励信号并测量它们的响应。测试中包含了数学上的和物理上的采样和重建。图1中说明了在测试一个音频接口芯片时用到的各种采样和重建方法。

    纯数学理论上，如果满足某些条件，连续信号在采样之后可以通过重建完全恢复到原始信号，而没有任何信号本质上的损失。不幸的是，现实世界中总不能如此完美，实际的连续信号和离散信号之间的转换总会有信号的损失。

    我们周围物理世界上的许多信号，比如说声波、光束、温度、压力在自然界都是模拟的信号。现今基于信号处理的电子系统都必须先把这些模拟信号转换为能与数字存储，数字传输和数学处理兼容的离散数字信号。接下来可以把这些离散数字信号存储在计算机阵列之中用数字信号处理函数进行必要的数学处理。

    采样和重建在混合信号测试中的应用

    重建是采样的反过程。此过程中，被采样的波形(脉冲数字信号)通过一个数模转换器(DAC)和反镜象滤波器一样的硬件电路转换为连续信号波形。重建会在各个采样点之间填补上丢失的波形。DAC和滤波器的组合就是一个重建的过程，可以用图2所示的冲击响应p(t)来表示。

    由一个数据序列重建连续时间波形

    混合信号测试介绍

    最常见的混合信号芯片有：模拟开关，它的晶体管电阻随着数字信号变化；可编程增益放大器(PGAs)，能用数字信号调节输入信号的放大倍数；数模转换电路(D/As or DACs)；模数转换电路(A/Ds or ADCs)；锁相环电路(PLLs)，常用于生成高频基准时钟或者从异步数据流中恢复同步时钟。

    终端应用和测试考虑

    许多混合信号的应用，比如说移动电话，硬盘驱动器，调制解调器， 马达控制器以及多媒体音频/视频产品等，都使用了放大器，滤波器，开关，数模/模数转换以及其它专用模拟和数字电路等多种混合信号电路。尽管测试器件内部每个独立电路非常重要，同样系统级的测试也非常重要。系统级测试保证电路在整体上能满足终端应用的要求。为了测试大规模的混合信号电路，我们必须对该电路的终端应用有基本的了解。图3所示是数字移动电话的模块图，此系统拥有许多复杂的混合信号部件，是混合信号应用很好的一个例子。

    复杂混合信号应用的简单模块图：数字移动电话系统

    基本的混合信号测试

    直流参数测试

    接触性测试(短路开路测试)用于保证测试仪到芯片接口板的所有电性连接正常。

    漏电流测试是指测试模拟或数字芯片高阻输入管脚电流，或者是把输出管脚设置为高阻状态，再测量输出管脚上的电流。尽管芯片不同，漏电流大小会不同，但在通常情况下，漏电流应该小于1uA。漏电流主要用于检测以下几种缺陷：芯片内部不同层之间的短路或者漏电，DC偏差或者其他参数偏移等。这些缺陷最终会导致芯片不能正常工作。过大的漏电流也会引起器件的早期失效使终端系统故障。 通常会进行两次漏电流测试，第一次是给待测管脚施加高电压(和电源电压相近的电压)， 另一次是给待测管脚施加接近零电压(或芯片负电源电压)。 这两种测试分别称作高电平漏电流测试(IIH)和低电平漏电流测试(IIL)。

    电源电流测试

    测试芯片每个电源管脚消耗的电流是发现芯片是否存在灾难性缺陷的最快方法之一。每个电源管脚被设置为预定的电压，接下来用自动测试设备的测量单元测量这些电源管脚上的电流。这些测试一般在测试程序的开始时进行，以快速有效地选出那些完全失效的芯片。电源测试也用于保证芯片的功耗能满足终端应用的要求。

    DAC和ADC测试规格

    DAC和ADC芯片必须执行一些特定的静态和动态参数检测。下一面一一介绍这些指标：

    DAC静态参数指标

  • 分辨率(Resolution)是指DAC输出端所能变化的最小值。
  • 满量程范围(FSR), 是指DAC输出信号幅度的最大范围，不同的DAC有不同的满量程范围。该范围可以是正和/或负电流，正和/或负电压。
  • 最小有效位(LSB)大小是指输入代码变化最小数值时输出端模拟量的变化。
  • 差分非线性度(DNL)用于测量小信号非线性误差。计算方法：本输入代码和其前一输入代码之间模拟量的变化减去1个最小有效位(LSB)大小。
  • 单调性是指如果增加输入代码其输出模拟量也会保持相应的增加或反之的特性。该特性对使用在反馈环电路之中的DAC非常重要，它能保证反馈环不会被死锁在两个输入代码之间。
  • 整体非线性度(INL)是指对一个输入代码所有非线性度的累计。这一参数可以通过测量该代码相应的输出模拟量与起终点间直线之间的偏差来完成。
  • 偏差(offset)是指DAC的输入代码为0时DAC输出模拟量与理想输出的偏差。
  • 增益误差(gain error)是指DAC的输入代码为最大时DAC实际输出模拟量与理想输出的偏差。
  • 精度(accuracy)是指DAC的输出与理想情况的偏差，包括了所有以上的这些错误，有时用百分比来表示。一般情况不直接测量该参数，通过静态错误的计算而得出其结果。

    ADC静态参数规格

  • 满量程范围(FSR)的定义与DAC的一样。
  • 偏差(offset error)是指保证输出代码为0时的理想输入模拟量与实际输入模拟量的偏差。计算方法：输出第一个代码发生变化时ADC的实际输入模拟值减去1/2个最小有效位(LSB)大小再减去理想的0代码输入模拟值。
  • ADC的增益误差(gain error)是指满量程输入时输出代码的误差。计算方法：满量程输出代码加上1 1/2最小有效位(LSB)时输入值与满量程输出代码时输入之间的差值，再加上偏差(offset error)。
  • 最小有效位(LSB)大小是通过测量最小的和最大的转换点后计算得到的。理想情况下，模拟输入变化一个LSB值，将引起输出端变化一个代码。
  • 差分非线性度(DNL)用于测量小信号非线性误差。计算方法：两个转换点之间的模拟输入量之差减去一个最小有效位(LSB)值。
  • 无丢码(no missing code)是指该ADC在实际情况下能产生多少位输出。一个14位的ADC可能被说明为”无丢码位数为12(no missing codes to 12 bits)”，这就表明此ADC在输入变化时，其输出端的低两位代码不会发生变化，而只是其它的高12位代码能发生变化。
  • 整体非线性度(INL)是指一个指定代码中点实际输入和理想传输函数线上输入之间的偏差。
  • ADC的测量精度概念与DAC的相似。

    DAC动态参数指标

  • 信噪比(SNR)是通过给DAC施加一个满量程的正弦波数字代码再分析其输出波形频率特性而得到的。DAC的输出经过滤波滤除基波分量以及所有谐波分量后剩下部分就是噪声。SNR就是基波分量与所有噪声分量之和的比值。
  • 信号与噪声谐波比(SNDR或SINAD)跟SNR的计算方法一样，只是谐波分量也计算在噪声内。
  • 全谐波失真(THD)和SINAD相似，但它只包含谐波分量不包括噪声。在这个比值计算中，基波分量是分母而不是分子。DAC的输入为一个正弦波的数字代码；其输出是阶梯状的正弦波输出，需要通过一个滤波器进行平滑处理。经滤波后的输出波形再在频域进行分析，寻找与基波频率相关的谐波分量。
  • 互调失真(IM)用于测试由两种频率互调而产生的非谐波分量的失真。这种失真是由待测芯片的非线性度而引起的。测试该参数时：先给待测DAC输入两个频率分量的波形数字代码，再计算输出波形中的两个频率之和及之差信号分量。
  • 最大转换速率(maximum conversion rates)是芯片规格书指标之一。当DAC的输入变化时，其输出端需要一段时间才能得到稳定的相应输出值。最长的稳定时间就是最大转换速率。
  • 建立时间(settling)是指输出值达到并稳定在预定值的+-1/2LSB范围或某些别的规定范围之内所需的时间。

    ADC动态参数指标

  • 信噪比(SNR)的概念与运算放大器的概念一样。和THD测量类似，给ADC输入端加一个纯正弦波，通过ADC芯片的采样之后，输出一组数字代码。再用数字信号处理算法提取其中的SNR信息。SNR的单位是dB。
  • 总谐波失真(THD)的概念与运算放大器的概念一样，但他们的测试方法不一样。给ADC输入一个纯正弦波，输出是一组由正弦波采样而来的数字代码，我们再把这些代码与理想正弦波特性进行比较。使用数字信号处理算法提取其中的总谐波失真信息。单位是dB。
  • 信号与噪声谐波比(SNDR或SINAD)是基波分量与噪声及谐波失真分量总和的比值，单位是dB。
  • 互调失真(IM)用于测试由两种频率互调而产生的非谐波分量的失真。这种失真是由待测芯片的非线性度而引起的。测试该参数时：先给待测ADC输入两个频率分量模拟波形，再计算输出数字代码中的两个频率之和及之差信号分量。
  • 动态范围(Dynamic range)是指ADC输入信号幅度的最大值与最小值的比值，单位是dB. 理想ADC的动态范围是20log(2bits-1)。
  • 无杂波动态范围(SFDR)是指基波或载玻分量与其它非基波和载波的最大杂波的频率分量(可以是谐波或失真波)的比值，单位是dB。

    到此为止，我们讨论了相对简单的存储器和逻辑芯片的测试技术，也介绍了复杂混合信号芯片的特殊测试要求。在接下来的最后一章，我们将介绍射频/无线芯片的测试。

    参考文献

    Mark Burns, Gordon W. Roberts An Introduction to Mixed-Signal IC Test and Measurement

    Soft Test Inc. The Fundamentals of Memory Test Methodology

    The Fundamentals of Mixed-Signal Testing

    The Fundamentals of Digital Semiconductor Testing

    Anthony K. Stevens Introduction to Component Testing

    Agilent Application Notes 1313

    Agilen Application Notes 1314

    许伟达

    科利登系统有限公司

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