嵌入式半導體器件混合信號測試策略

混合信號技術(shù)給當今的半導體制造商們帶來(lái)了很多新挑戰,以前一些對數字電路只有很小影響的缺陷如今在嵌入式器件中卻可能大大改變模擬電路的功能,導致器件無(wú)法使用。為確保這些新型半導體器件達到“無(wú)缺陷”水平,需要開(kāi)發(fā)新的測試策略、方法與技術(shù)。本文詳細討論混合信號半導體器件測試技術(shù)基本構建模塊,并以實(shí)例介紹混合信號的系統化測試方法。

近年來(lái)出現了很多新的半導體產(chǎn)品,如可以用于無(wú)線(xiàn)通信、過(guò)程控制以及實(shí)時(shí)控制系統的所謂嵌入式半導體器件就是其中一種,它將模擬和數字電路結合到一個(gè)器件內,這種技術(shù)又稱(chēng)為混合信號技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō),嵌入式半導體器件是作為整機系統一個(gè)有機組成部分的半導體器件,可以提供控制、監測和其它輔助功能?；旌闲盘柤夹g(shù)將數字和模擬半導體器件組合到一個(gè)封裝內,實(shí)現這種嵌入式器件的功能,其中數字電路部分完成處理,并負責與其它數字器件的通信,而模擬部分則通過(guò)分析和產(chǎn)生連續信號與“現實(shí)”世界相聯(lián)系。

正是這兩種技術(shù)的混合對半導體產(chǎn)品“無(wú)缺陷”提出了挑戰。向數字電路施加一個(gè)給定的輸入激勵信號會(huì )得到一個(gè)離散且確定可知的響應信號,而模擬信號則不同,給定輸入產(chǎn)生的響應會(huì )在一個(gè)可接受范圍內?；旌闲盘柶骷杼幚砟M和數字兩種格式的信息,將兩種技術(shù)的復雜性糅合在一起,幸好現在已有很多測試策略、技術(shù)與方法,可以實(shí)現器件“無(wú)缺陷”目標。

由于混合信號器件通常都包含從一種信號轉換成另一種信號(模擬到數字或數字到模擬),混合信號技術(shù)給當今的半導體制造商們帶來(lái)了很多新挑戰,以前一些對數字電路只有很小影響的缺陷如今在嵌入式器件中卻可能大大改變模擬電路的功能,導致器件無(wú)法使用。為確保這些新型半導體器件達到“無(wú)缺陷”水平,需要開(kāi)發(fā)新的測試策略、方法與技術(shù)。本文詳細討論混合信號半導體器件測試技術(shù)基本構建模塊,并以實(shí)例介紹混合信號的系統化測試方法。

近年來(lái)出現了很多新的半導體產(chǎn)品,如可以用于無(wú)線(xiàn)通信、過(guò)程控制以及實(shí)時(shí)控制系統的所謂嵌入式半導體器件就是其中一種,它將模擬和數字電路結合到一個(gè)器件內,這種技術(shù)又稱(chēng)為混合信號技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō),嵌入式半導體器件是作為整機系統一個(gè)有機組成部分的半導體器件,可以提供控制、監測和其它輔助功能?；旌闲盘柤夹g(shù)將數字和模擬半導體器件組合到一個(gè)封裝內,實(shí)現這種嵌入式器件的功能,其中數字電路部分完成處理,并負責與其它數字器件的通信,而模擬部分則通過(guò)分析和產(chǎn)生連續信號與“現實(shí)”世界相聯(lián)系。

正是這兩種技術(shù)的混合對半導體產(chǎn)品“無(wú)缺陷”提出了挑戰。向數字電路施加一個(gè)給定的輸入激勵信號會(huì )得到一個(gè)離散且確定可知的響應信號,而模擬信號則不同,給定輸入產(chǎn)生的響應會(huì )在一個(gè)可接受范圍內?；旌闲盘柶骷杼幚砟M和數字兩種格式的信息,將兩種技術(shù)的復雜性糅合在一起,幸好現在已有很多測試策略、技術(shù)與方法,可以實(shí)現器件“無(wú)缺陷”目標。

由于混合信號器件通常都包含從一種信號轉換成另一種信號(模擬到數字或數字到模擬),所以我們將用一個(gè)簡(jiǎn)單的混合信號器件??模數轉換器(ADC)來(lái)對這些策略、技術(shù)與方法進(jìn)行討論,說(shuō)明混合信號器件測試的步驟和方法。有了一些基本認識后,就可將其擴展并應用到當前先進(jìn)的嵌入式半導體器件中,如數字濾波器、音頻/視頻信號處理器及數字電位計等。

傳統半導體器件測試包括基本參數測試(連續性、泄漏、增益等)和功能測試(將器件輸出與給定輸入相比較),混合信號測試還要再另外增加兩個(gè)測試,即動(dòng)態(tài)測試和線(xiàn)性測試。動(dòng)態(tài)參數描述的是器件對一個(gè)特定頻率或多頻率時(shí)序變化信號的采樣(從模擬信號中建立數字波形)和重現(利用數字輸入建立模擬信號)能力。線(xiàn)性參數則相反,描述的是器件內在特性,主要關(guān)注數字和模擬電路之間的關(guān)系。下面將對這兩種特性分別作詳細說(shuō)明。

動(dòng)態(tài)測試

模數轉換器的動(dòng)態(tài)特性有時(shí)也稱(chēng)作傳輸參數,代表器件模擬信號采樣和輸入波形的數字再現能力,信噪比(SNR)、總諧波失真(THD)及有效位數等指標可使制造商對器件輸出的“純度”和數字信息精度進(jìn)行量化。新型動(dòng)態(tài)測試技術(shù)產(chǎn)生于上世紀80年代,主要圍繞數字信號處理和傅立葉變換,將時(shí)域波形和信號分別轉換為頻譜成分。這種技術(shù)可以同時(shí)對多個(gè)測試頻率進(jìn)行采樣,效率和重復性非常高。圖1是對一個(gè)普通ADC器件進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)測試的示意圖,圖中可以看到模擬信號在時(shí)域內轉換成數字代碼,然后用傅立葉變換轉換成頻譜。對ADC輸出進(jìn)行傅立葉分析可提供寶貴的性能信息,但如果測試時(shí)條件設置不當得到的信息也會(huì )毫無(wú)意義。為了從器件輸出信號的傅立葉分析中提取有意義的性能參數,在討論FFT結果之前首先需要考慮測試條件,其中包括輸入信號完整性、采樣頻率、一致性及系統測量誤差(假頻、量化及采樣抖動(dòng)誤差)。

輸入信號

對于模數轉換器來(lái)說(shuō),輸入信號的“純度”會(huì )影響數字輸出的性能。輸入信號中的耦合噪聲將轉換為輸出信號數字噪聲,如果輸入信號中有太多噪聲和失真,ADC性能實(shí)際上會(huì )被測試條件所掩蓋。輸入信號的精度和純度最終取決于器件的轉換分辨率,一般來(lái)說(shuō)測試設備的精度要比被測器件高10倍以上。另外可以考慮在輸入端使用濾波器,除去輸入信號之外的噪聲和失真。

采樣與一致性

采樣頻率是采樣時(shí)間的倒數,如果采樣數據點(diǎn)選擇正確,一個(gè)無(wú)限時(shí)序變化信號可用有限幾個(gè)數據點(diǎn)來(lái)表示。通過(guò)奈奎斯特采樣間隔定理,即采樣頻率必須是被測信號頻率的兩倍以上,我們可以獲得正確的采樣頻率范圍,利用采樣點(diǎn)再現輸入信號。在我們所舉例子中,ADC必須以輸入頻率兩倍以上的頻率“運行”或采樣,以便正確地數字化再現出輸入信號,得到有效動(dòng)態(tài)測試結果。

一致性是動(dòng)態(tài)測試第二個(gè)關(guān)鍵的部分,當能對測試信號的生成與采樣進(jìn)行控制時(shí),它可以提供很多東西。一致性采樣主要是為了保證采樣數據包含完整的輸入周期描述信息,使得在有限的樣本中收集到盡可能多輸入信息。一致性采樣定義了測試頻率(Ft)、樣本大小(M)、采樣頻率(Fs)以及測試周期(N)之間的關(guān)系,有如下公式:
M/Ft=N/Fs
這里的M和N為互質(zhì)數。

另外,一致性采樣還可以保證傅立葉變換將采樣數據的頻率成分放入離散頻段中。

量化、假頻與采樣抖動(dòng)

量化誤差指的是從時(shí)序變化信號中可分離出的最小量值信息,以我們討論的ADC測試為例,量化誤差就是最小步距代表的電壓,或建立輸入測試信號的模擬信號源最小分辨率。假頻是由采樣產(chǎn)生的,它將高頻信號認作低頻信號。實(shí)際上當采樣頻率小于信號頻率兩倍時(shí),采樣周期即已違反了奈奎斯特采樣規定,對高頻信號采用低采樣率的結果就好像它是一個(gè)低頻信號。抖動(dòng)誤差是指系統輸入或采樣能力與期望值之間的差異或偏離,換句話(huà)說(shuō),本來(lái)一個(gè)有一定幅度的信號預計在時(shí)間X產(chǎn)生,但由于抖動(dòng)誤差會(huì )使信號比預期的時(shí)間提前或推遲出現；同樣抖動(dòng)誤差也可能在采樣時(shí)產(chǎn)生,原來(lái)規定在時(shí)間X采集數據但實(shí)際卻比預期時(shí)間提前或推遲。量化誤差、抖動(dòng)誤差和假頻都會(huì )使輸入信號失真,在頻譜上出現錯誤信息。

如果測試條件都設置正確,同時(shí)也遵守采樣規則,那么時(shí)基采樣信號經(jīng)傅立葉變換后的頻率部分將提供重要的器件性能參數。圖2是一個(gè)典型的傅立葉變換圖,突出的部分是基本頻率,定義為器件輸入頻率,在這個(gè)例子中是一個(gè)1kHz正弦波,圖中也顯示了在基本頻率倍頻上出現的諧波頻率和最大幅值。對于我們討論的ADC器件,從頻譜可以算出五個(gè)重要動(dòng)態(tài)傳輸特性,分別是信噪比(SNR)、總諧波失真(THD)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、信號與噪聲失真比(SINAD)以及有效位數(ENOB)。

動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、信號與噪聲失真比(SINAD)以及有效位數(ENOB)。

信噪比是輸入信號和噪聲(不包括任何諧波)的功率比,是定義器件內部噪聲大小的基本參數。理論上ADC的信噪比范圍取決于系統的位數,可由下式得出:
SNR=6.02N+1.76db
這里N代表位數

系統內部噪聲會(huì )使偏離或SNR大于理論值范圍,可能造成誤差的原因包括:器件量化誤差、器件內部噪聲和驅動(dòng)/采樣源產(chǎn)生的非線(xiàn)性噪聲。

無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍能對系統失真進(jìn)行量化,它是基本頻率與雜波信號最大值的數量差。雜波通常產(chǎn)生于各諧波中(雖然并不總是這樣),它表示器件輸入和輸出之間的非線(xiàn)性。偶次諧波中的雜波表示傳遞函數非對稱(chēng)失真,一個(gè)“給定”的輸入信號應該產(chǎn)生一個(gè)“給定”的輸出,但由于系統非線(xiàn)性,實(shí)際輸出并不等于預期值,當系統接收到大小相等極性相反的信號時(shí),得到的兩個(gè)輸出不相等,這里的非線(xiàn)性就是非對稱(chēng)的。奇次諧波中的雜波表示系統傳遞函數的對稱(chēng)非線(xiàn)性,即給定的輸入產(chǎn)生的輸出失真對正負輸入信號在數量上都是相等的。

總諧波失真是輸入信號與系統所有諧波的總功率比,它可提供系統對稱(chēng)和非對稱(chēng)非線(xiàn)性產(chǎn)生的總失真大小。
ENOB=[SNR(dB)-1.76dB]/6.02dB
線(xiàn)性測試

動(dòng)態(tài)測試關(guān)注的是器件的傳輸和性能特征,即采樣和重現時(shí)序變化信號的能力,相比之下,線(xiàn)性測試關(guān)注的則是器件內部電路的誤差。對ADC來(lái)說(shuō),這些內部誤差包括器件的增益、偏移、積分非線(xiàn)性(INL)和微分非線(xiàn)性(DNL)誤差,這些參數說(shuō)明了靜止的模擬信號轉換成數字信號的情況,主要關(guān)注具體電平與相應數字代碼之間的關(guān)系。測試ADC靜態(tài)性能時(shí),要考慮兩個(gè)重要因素。第一,對于給定的模擬電壓,一個(gè)具體數字代碼并不能告訴多少有關(guān)器件的信息,它僅僅說(shuō)明這個(gè)器件功能正常,要知道器件功能到底如何還必須考慮模擬電壓的范圍(它會(huì )產(chǎn)生一個(gè)輸出代碼)以及代碼間的轉換點(diǎn)。第二,動(dòng)態(tài)測試一般關(guān)注器件在特定輸入信號情況下的輸出特性,然而靜態(tài)測試是一個(gè)交互性過(guò)程,要在不同輸入信號下測試實(shí)際輸出。

偏移與增益誤差

器件理想輸出與實(shí)際輸出之差定義為偏移誤差,所有數字代碼都存在這種誤差。在實(shí)際中,偏移誤差會(huì )使傳遞函數或模擬輸入電壓與對應數值輸出代碼間存在一個(gè)固定的偏移。通常計算偏移誤差方法是測量第一個(gè)數字代碼轉換或“零”轉換的電壓,并將它與理論零點(diǎn)電壓相比較。增益誤差是預估傳遞函數和實(shí)際斜率的差別,增益誤差通常在模數轉換器最末或最后一個(gè)傳輸代碼轉換點(diǎn)計算。

為了找到零點(diǎn)與最后一個(gè)轉換代碼點(diǎn)以計算偏移和增益誤差,可以采用多種測量方式,最常用的兩種是代碼平均法和電壓抖動(dòng)法。代碼平均測量就是不斷增大器件的輸入電壓,然后檢測轉換輸出結果。每次增大輸入電壓都會(huì )得到一些轉換代碼,用這些代碼的和算出一個(gè)平均值,測量產(chǎn)生這些平均轉換代碼的輸入電壓,計算出器件偏移和增益。電壓抖動(dòng)法和代碼平均法類(lèi)似,不同的是它采用了一個(gè)動(dòng)態(tài)反饋回路控制器件輸入電壓,根據轉換代碼和預期代碼的差對輸入電壓進(jìn)行增減調整,直到兩代碼之間的差值為零,當預期轉換代碼接近輸入電壓或在轉換點(diǎn)附近變化時(shí),測量所施加的“抖動(dòng)”電壓平均值,計算偏移和增益。

非線(xiàn)性微分和積分 與增益和偏移一樣,計算非線(xiàn)性微分與積分誤差也有很多種方法,代碼平均和電壓抖動(dòng)兩種方法都可以使用,但是由于存在重復搜索,當器件位數較多時(shí)這兩種方法執行起來(lái)很費時(shí)。一個(gè)更加有效計算INL和DNL的方法是直方圖法,采用線(xiàn)性或正弦直方圖。圖4說(shuō)明了線(xiàn)性斜升技術(shù)的應用,首先使輸入電壓線(xiàn)性增加,同時(shí)對輸出以固定間隔連續采樣,如圖所示,電壓逐步增加時(shí)連續幾次采樣都會(huì )得到同樣輸出代碼,這些采樣次數稱(chēng)為“點(diǎn)擊數”,并在圖4底部用直方圖表示。

和前面討論的偏移和增益沒(méi)有多大關(guān)系,非線(xiàn)性微分和積分指代碼轉換與理想狀態(tài)之間的差異。非線(xiàn)性微分(DNL)主要是代碼步距與理論步距之差,而非線(xiàn)性積分(INL)則關(guān)注所有代碼非線(xiàn)性誤差的累計效應。對一個(gè)ADC來(lái)說(shuō),一段范圍的輸入電壓產(chǎn)生一個(gè)給定輸出代碼,非線(xiàn)性微分誤差為正時(shí)輸入電壓范圍比理想的大,非線(xiàn)性微分誤差為負時(shí)輸入電壓范圍比理想的要小。從整個(gè)輸出代碼來(lái)看,每個(gè)輸入電壓代碼步距差異累積起來(lái)以后和理想值相比會(huì )產(chǎn)生一個(gè)總差異,這個(gè)差異就是非線(xiàn)性積分誤差(圖3)。

嵌入式半導體系統

很多嵌入式半導體器件由不同的模擬和數字電路混合而成,利用前面討論的混合信號測試原理,我們可以確保在器件運行過(guò)程中不會(huì )出現問(wèn)題。下面簡(jiǎn)單介紹三種器件的測試技術(shù)和策略,分別是數模轉換器、數字濾波器和數字分壓器。數模轉換器(DAC)與模數轉換器相反,它是將輸入端得到的數字代碼轉換成模擬輸出電壓。實(shí)際上所有前面討論的線(xiàn)性和靜態(tài)測試方法在這里都成立,將正弦波以器件代碼的形式進(jìn)行數字處理,然后輸入數模轉換器,再檢測模擬輸出的電壓波形,由此可計算出動(dòng)態(tài)參數(SNR、THD、SFDR和SINAD),對輸出采用傅立葉變換可將其從時(shí)域轉換成頻域。除了線(xiàn)性誤差是以理想狀態(tài)計算的模擬輸出電壓為參考外,靜態(tài)和線(xiàn)性參數(偏移、增益、非線(xiàn)性微分、非線(xiàn)性積分)都可以用模數轉換器同樣的方法計算。

數字濾波器顧名思義就是一個(gè)數字控制的濾波器,其特性參數(增益、頻率相應、相位余量)都是數字化的,測試主要集中在器件對不同輸入頻率的動(dòng)態(tài)輸出響應上。測試器件的頻率和響應增益時(shí),用一個(gè)連續且含多個(gè)非重疊頻率的多音調信號作為輸入,對器件的輸入輸出信號分別進(jìn)行采樣和數字化處理,并對波形做傅立葉分析。比較每一輸入頻率的輸入信號和輸出信號幅值計算出增益,濾波器截止頻率和-3dB點(diǎn)則是通過(guò)在這些點(diǎn)上選擇3到4個(gè)輸入頻率,用數學(xué)方法從每一個(gè)濾波器響應頻率的幅值推導這些點(diǎn)而計算出。數字濾波器相移的計算根據傅立葉轉換提供的波形相位數據,計算方法是將輸出頻率的相移減去輸入頻率的相移,負相移表示正延時(shí)或輸出波形滯后于輸入波形,正相移表示輸出波形在輸入波形的前面,也即負延時(shí)。

數字分壓器是數字控制的電阻箱,寫(xiě)入器件的命令和代碼規定了輸出電阻的大小。與數字濾波器不同,數字分壓器混合信號測試集中在它的線(xiàn)性和靜態(tài)特性,也即器件所有代碼的理想阻值和最初或最終阻值的差異。偏移誤差就是數字分壓器設定為零的時(shí)候測得的阻值,增益誤差則是滿(mǎn)刻度時(shí)電阻值和理想值(或期望值)之差。非線(xiàn)性微分和非線(xiàn)性積分誤差計算也可以用于數字分壓器中,非線(xiàn)性微分誤差指每個(gè)代碼實(shí)際電阻值與理想阻值的偏移,非線(xiàn)性積分誤差則是所有非線(xiàn)性微分阻值差異的累積值。