IC測試原理解析(第三部分)

芯片測試原理討論在芯片開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中芯片測試的基本原理，一共分為四章，下面將要介紹的是第三章。我們在第一章介紹了芯片測試的基本原理；第二章討論了怎么把這些基本原理應用到存儲器和邏輯芯片的測試上；本文主要介紹混合信號芯片的測試；接下來(lái)的第四章將會(huì )介紹射頻/無(wú)線(xiàn)芯片的測試。

第三章 混合信號芯片測試基礎

基于DSP的測試技術(shù)

利用基于數字信號處理(DSP)的測試技術(shù)來(lái)測試混合信號芯片與傳統的測試技術(shù)相比有許多優(yōu)勢。這些優(yōu)勢包括：

由于能并行地進(jìn)行參數測試，所以能減少測試時(shí)間；

由于能把各個(gè)頻率的信號分量區分開(kāi)來(lái)(也就是能把噪聲和失真從測試頻率或者其它頻率分量中分離出來(lái))，所以能增加測試的精度和可重復性。

能使用很多數據處理函數，比如說(shuō)求平均數等，這對混合信號測試非常有用

采樣和重建

采樣用于把信號從連續信號(模擬信號)轉換到離散信號(數字信號)，重建用于實(shí)現相反的過(guò)程。自動(dòng)測試設備(ATE)依靠采樣和重建給待測芯片(DUT)施加激勵信號并測量它們的響應。測試中包含了數學(xué)上的和物理上的采樣和重建。圖1中說(shuō)明了在測試一個(gè)音頻接口芯片時(shí)用到的各種采樣和重建方法。

純數學(xué)理論上，如果滿(mǎn)足某些條件，連續信號在采樣之后可以通過(guò)重建完全恢復到原始信號，而沒(méi)有任何信號本質(zhì)上的損失。不幸的是，現實(shí)世界中總不能如此完美，實(shí)際的連續信號和離散信號之間的轉換總會(huì )有信號的損失。

我們周?chē)锢硎澜缟系脑S多信號，比如說(shuō)聲波、光束、溫度、壓力在自然界都是模擬的信號?，F今基于信號處理的電子系統都必須先把這些模擬信號轉換為能與數字存儲，數字傳輸和數學(xué)處理兼容的離散數字信號。接下來(lái)可以把這些離散數字信號存儲在計算機陣列之中用數字信號處理函數進(jìn)行必要的數學(xué)處理。

采樣和重建在混合信號測試中的應用

重建是采樣的反過(guò)程。此過(guò)程中，被采樣的波形(脈沖數字信號)通過(guò)一個(gè)數模轉換器(DAC)和反鏡象濾波器一樣的硬件電路轉換為連續信號波形。重建會(huì )在各個(gè)采樣點(diǎn)之間填補上丟失的波形。DAC和濾波器的組合就是一個(gè)重建的過(guò)程，可以用圖2所示的沖擊響應p(t)來(lái)表示。

由一個(gè)數據序列重建連續時(shí)間波形

混合信號測試介紹

最常見(jiàn)的混合信號芯片有：模擬開(kāi)關(guān)，它的晶體管電阻隨著(zhù)數字信號變化；可編程增益放大器(PGAs)，能用數字信號調節輸入信號的放大倍數；數模轉換電路(D/As or DACs)；模數轉換電路(A/Ds or ADCs)；鎖相環(huán)電路(PLLs)，常用于生成高頻基準時(shí)鐘或者從異步數據流中恢復同步時(shí)鐘。

終端應用和測試考慮

許多混合信號的應用，比如說(shuō)移動(dòng)電話(huà)，硬盤(pán)驅動(dòng)器，調制解調器， 馬達控制器以及多媒體音頻/視頻產(chǎn)品等，都使用了放大器，濾波器，開(kāi)關(guān)，數模/模數轉換以及其它專(zhuān)用模擬和數字電路等多種混合信號電路。盡管測試器件內部每個(gè)獨立電路非常重要，同樣系統級的測試也非常重要。系統級測試保證電路在整體上能滿(mǎn)足終端應用的要求。為了測試大規模的混合信號電路，我們必須對該電路的終端應用有基本的了解。圖3所示是數字移動(dòng)電話(huà)的模塊圖，此系統擁有許多復雜的混合信號部件，是混合信號應用很好的一個(gè)例子。

復雜混合信號應用的簡(jiǎn)單模塊圖：數字移動(dòng)電話(huà)系統

基本的混合信號測試

直流參數測試

接觸性測試(短路開(kāi)路測試)用于保證測試儀到芯片接口板的所有電性連接正常。

漏電流測試是指測試模擬或數字芯片高阻輸入管腳電流，或者是把輸出管腳設置為高阻狀態(tài)，再測量輸出管腳上的電流。盡管芯片不同，漏電流大小會(huì )不同，但在通常情況下，漏電流應該小于1uA。漏電流主要用于檢測以下幾種缺陷：芯片內部不同層之間的短路或者漏電，DC偏差或者其他參數偏移等。這些缺陷最終會(huì )導致芯片不能正常工作。過(guò)大的漏電流也會(huì )引起器件的早期失效使終端系統故障。 通常會(huì )進(jìn)行兩次漏電流測試，第一次是給待測管腳施加高電壓(和電源電壓相近的電壓)， 另一次是給待測管腳施加接近零電壓(或芯片負電源電壓)。 這兩種測試分別稱(chēng)作高電平漏電流測試(IIH)和低電平漏電流測試(IIL)。

電源電流測試

測試芯片每個(gè)電源管腳消耗的電流是發(fā)現芯片是否存在災難性缺陷的最快方法之一。每個(gè)電源管腳被設置為預定的電壓，接下來(lái)用自動(dòng)測試設備的測量單元測量這些電源管腳上的電流。這些測試一般在測試程序的開(kāi)始時(shí)進(jìn)行，以快速有效地選出那些完全失效的芯片。電源測試也用于保證芯片的功耗能滿(mǎn)足終端應用的要求。

DAC和ADC測試規格

DAC和ADC芯片必須執行一些特定的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數檢測。下一面一一介紹這些指標：

DAC靜態(tài)參數指標

分辨率(Resolution)是指DAC輸出端所能變化的最小值。

滿(mǎn)量程范圍(FSR), 是指DAC輸出信號幅度的最大范圍，不同的DAC有不同的滿(mǎn)量程范圍。該范圍可以是正和/或負電流，正和/或負電壓。

最小有效位(LSB)大小是指輸入代碼變化最小數值時(shí)輸出端模擬量的變化。

差分非線(xiàn)性度(DNL)用于測量小信號非線(xiàn)性誤差。計算方法：本輸入代碼和其前一輸入代碼之間模擬量的變化減去1個(gè)最小有效位(LSB)大小。

單調性是指如果增加輸入代碼其輸出模擬量也會(huì )保持相應的增加或反之的特性。該特性對使用在反饋環(huán)電路之中的DAC非常重要，它能保證反饋環(huán)不會(huì )被死鎖在兩個(gè)輸入代碼之間。

整體非線(xiàn)性度(INL)是指對一個(gè)輸入代碼所有非線(xiàn)性度的累計。這一參數可以通過(guò)測量該代碼相應的輸出模擬量與起終點(diǎn)間直線(xiàn)之間的偏差來(lái)完成。

偏差(offset)是指DAC的輸入代碼為0時(shí)DAC輸出模擬量與理想輸出的偏差。

增益誤差(gain error)是指DAC的輸入代碼為最大時(shí)DAC實(shí)際輸出模擬量與理想輸出的偏差。

精度(accuracy)是指DAC的輸出與理想情況的偏差，包括了所有以上的這些錯誤，有時(shí)用百分比來(lái)表示。一般情況不直接測量該參數，通過(guò)靜態(tài)錯誤的計算而得出其結果。

ADC靜態(tài)參數規格

滿(mǎn)量程范圍(FSR)的定義與DAC的一樣。

偏差(offset error)是指保證輸出代碼為0時(shí)的理想輸入模擬量與實(shí)際輸入模擬量的偏差。計算方法：輸出第一個(gè)代碼發(fā)生變化時(shí)ADC的實(shí)際輸入模擬值減去1/2個(gè)最小有效位(LSB)大小再減去理想的0代碼輸入模擬值。

ADC的增益誤差(gain error)是指滿(mǎn)量程輸入時(shí)輸出代碼的誤差。計算方法：滿(mǎn)量程輸出代碼加上1 1/2最小有效位(LSB)時(shí)輸入值與滿(mǎn)量程輸出代碼時(shí)輸入之間的差值，再加上偏差(offset error)。

最小有效位(LSB)大小是通過(guò)測量最小的和最大的轉換點(diǎn)后計算得到的。理想情況下，模擬輸入變化一個(gè)LSB值，將引起輸出端變化一個(gè)代碼。

差分非線(xiàn)性度(DNL)用于測量小信號非線(xiàn)性誤差。計算方法：兩個(gè)轉換點(diǎn)之間的模擬輸入量之差減去一個(gè)最小有效位(LSB)值。

無(wú)丟碼(no missing code)是指該ADC在實(shí)際情況下能產(chǎn)生多少位輸出。一個(gè)14位的ADC可能被說(shuō)明為”無(wú)丟碼位數為12(no missing codes to 12 bits)”，這就表明此ADC在輸入變化時(shí)，其輸出端的低兩位代碼不會(huì )發(fā)生變化，而只是其它的高12位代碼能發(fā)生變化。

整體非線(xiàn)性度(INL)是指一個(gè)指定代碼中點(diǎn)實(shí)際輸入和理想傳輸函數線(xiàn)上輸入之間的偏差。

ADC的測量精度概念與DAC的相似。

DAC動(dòng)態(tài)參數指標

信噪比(SNR)是通過(guò)給DAC施加一個(gè)滿(mǎn)量程的正弦波數字代碼再分析其輸出波形頻率特性而得到的。DAC的輸出經(jīng)過(guò)濾波濾除基波分量以及所有諧波分量后剩下部分就是噪聲。SNR就是基波分量與所有噪聲分量之和的比值。

信號與噪聲諧波比(SNDR或SINAD)跟SNR的計算方法一樣，只是諧波分量也計算在噪聲內。

全諧波失真(THD)和SINAD相似，但它只包含諧波分量不包括噪聲。在這個(gè)比值計算中，基波分量是分母而不是分子。DAC的輸入為一個(gè)正弦波的數字代碼；其輸出是階梯狀的正弦波輸出，需要通過(guò)一個(gè)濾波器進(jìn)行平滑處理。經(jīng)濾波后的輸出波形再在頻域進(jìn)行分析，尋找與基波頻率相關(guān)的諧波分量。

互調失真(IM)用于測試由兩種頻率互調而產(chǎn)生的非諧波分量的失真。這種失真是由待測芯片的非線(xiàn)性度而引起的。測試該參數時(shí)：先給待測DAC輸入兩個(gè)頻率分量的波形數字代碼，再計算輸出波形中的兩個(gè)頻率之和及之差信號分量。

最大轉換速率(maximum conversion rates)是芯片規格書(shū)指標之一。當DAC的輸入變化時(shí)，其輸出端需要一段時(shí)間才能得到穩定的相應輸出值。最長(cháng)的穩定時(shí)間就是最大轉換速率。

建立時(shí)間(settling)是指輸出值達到并穩定在預定值的+-1/2LSB范圍或某些別的規定范圍之內所需的時(shí)間。

ADC動(dòng)態(tài)參數指標

信噪比(SNR)的概念與運算放大器的概念一樣。和THD測量類(lèi)似，給ADC輸入端加一個(gè)純正弦波，通過(guò)ADC芯片的采樣之后，輸出一組數字代碼。再用數字信號處理算法提取其中的SNR信息。SNR的單位是dB。

總諧波失真(THD)的概念與運算放大器的概念一樣，但他們的測試方法不一樣。給ADC輸入一個(gè)純正弦波，輸出是一組由正弦波采樣而來(lái)的數字代碼，我們再把這些代碼與理想正弦波特性進(jìn)行比較。使用數字信號處理算法提取其中的總諧波失真信息。單位是dB。

信號與噪聲諧波比(SNDR或SINAD)是基波分量與噪聲及諧波失真分量總和的比值，單位是dB。

互調失真(IM)用于測試由兩種頻率互調而產(chǎn)生的非諧波分量的失真。這種失真是由待測芯片的非線(xiàn)性度而引起的。測試該參數時(shí)：先給待測ADC輸入兩個(gè)頻率分量模擬波形，再計算輸出數字代碼中的兩個(gè)頻率之和及之差信號分量。

動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic range)是指ADC輸入信號幅度的最大值與最小值的比值，單位是dB. 理想ADC的動(dòng)態(tài)范圍是20log(2bits-1)。

無(wú)雜波動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)是指基波或載玻分量與其它非基波和載波的最大雜波的頻率分量(可以是諧波或失真波)的比值，單位是dB。

到此為止，我們討論了相對簡(jiǎn)單的存儲器和邏輯芯片的測試技術(shù)，也介紹了復雜混合信號芯片的特殊測試要求。在接下來(lái)的最后一章，我們將介紹射頻/無(wú)線(xiàn)芯片的測試。

參考文獻

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