開(kāi)關(guān)電流電路故障診斷技術(shù)的初步研究

開(kāi)關(guān)電流(SI)技術(shù)是繼開(kāi)關(guān)電容(SC)技術(shù)之后出現的又一種新的模擬采樣數據信號處理技術(shù)。在SC技術(shù)中，需要特殊的雙層多晶硅工藝，而SI技術(shù)則不同，他是一種僅由MOS晶體管和MOS開(kāi)關(guān)構成的采樣數據網(wǎng)絡(luò )，利用MOS晶體管在其柵極開(kāi)路時(shí)通過(guò)存儲在柵極氧化電容上的電荷維持其漏極電流的能力，電容精度要求并不嚴格，不需要線(xiàn)性浮地電容，與數字CMOS工藝相兼容，易于VLSI實(shí)現。此外，SI電路的信號用電流表示，對電壓要求并不嚴格，電路可以在低壓低功耗下工作。由于這些特點(diǎn)，SI技術(shù)引起了國內外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1-6]。由于SI技術(shù)得到廣泛應用，而電子電路都可能有故障存在，這就提出一個(gè)新的課題：怎樣對SI電路進(jìn)行故障診斷。故障診斷是指，在已知網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構、輸入激勵信號和故障下的響應時(shí)，求解故障元件的物理位置和參數。要求求解的結果是惟一的，但有時(shí)卻不能保證。SI測試技術(shù)已有所發(fā)展，故障診斷技術(shù)則剛剛開(kāi)始起步，有不少困難存在，需要一一克服。

1開(kāi)關(guān)電流基本功能塊

1．1 電流存儲單元

電流存儲單元主要利用MOS管柵電容的電荷存儲效應來(lái)實(shí)現電流存儲功能。圖1所示電路，TS1，TS2，TS3是由MOS管構成的開(kāi)關(guān)，受互補時(shí)鐘信號φ1，φ2的控制。在采樣相φ1(處于高電平時(shí))，TSl，TS3閉合，TS2打開(kāi)，對T1管柵源電容充電，建立電壓Vgs，使流過(guò)T1管的電流Id=J+Jin；在保持相φ2(處于高電平時(shí))，TS1，TS3打開(kāi)，TS2閉合，理想情況下，T1管柵電容Cgs無(wú)放電回路，因而Vgs保持不變，流過(guò)T1管的電流保持不變，Iout=－Iin,實(shí)現了電流存儲功能。

1．2延遲單元

延遲單元包含兩個(gè)級聯(lián)的單晶體管電流存儲單元和一個(gè)為取得全時(shí)鐘周期輸出信號而附加的任選附件輸出級。在時(shí)鐘周期的φ2相(跟圖1相同)，輸入信號電流i(n－1)與晶體管T1中的第一個(gè)偏置電流相加。在下一個(gè)時(shí)鐘周期(n)的φ1相，T1保持電流J+i(n－1)，并且在第二個(gè)電流存儲器T2中取樣輸出電流－i(n－1)。在時(shí)鐘周期(n)的φ2相，T2保持電流J－i(n－1)，而輸出電流io1(n)=i(n－1)。在時(shí)鐘周期(n)的φ1相和φ2相期間，任選級輸出電流io2保持在i(n－1)。

1．3積分器模塊

同相無(wú)耗積分器的傳遞函數為：

式中有3項，第一項對應于具有增益常數a/T的無(wú)耗連續時(shí)間同相積分器的頻率響應；第二項(wT/2)/sin(wT/2)是取樣數據積分器與理想響應的偏差；第三項e-jwT/2是剩余相位滯后。

積分器模塊還有同相阻尼積分器，反相阻尼積分器，反相阻尼放大器，通用積分器等。

1.4 微分器模塊
反相微分器的傳遞函數為：

式中，aT是增益常數，sin(wT/2)/(wT/2)是取樣數據微分器響應與理想情況的偏差，e-jwT/2是剩余相位滯后。

微分器模塊還有通用反相微分器，同相微分器，雙線(xiàn)性z變換微分器等。

2開(kāi)關(guān)電流的誤差

2．1 影響故障診斷的誤差

在SI電路中，各MOS管基本上是序貫的，電路中任何一處出現的故障都會(huì )序貫地通過(guò)電路，因此，可在輸出端觀(guān)察電路是否有故障發(fā)生。以電流監測為基礎的模擬電路測試是通過(guò)比較已知的良好源和被測器件的電流特征標記進(jìn)行判斷。通過(guò)了嚴格的參數和功能檢驗的器件或通過(guò)仿真，可獲得良好特征標記。

SI電路屬于模擬電路，他的元件參數具有很大的離散性，即具有容差，由于"容差"事實(shí)上就是輕微的"故障"(只是尚在允許的范圍內)，其影響往往可與一個(gè)或幾個(gè)元件的"大故障"等效，因此導致實(shí)際故障的模糊性，而無(wú)法惟一定位實(shí)際故障的物理位置。

SI電路的非理想性能主要是失配誤差，輸出一輸入電導比誤差，調整誤差，電荷注入誤差，噪聲誤差，而限制故障診斷精度和靈敏度的誤差主要是由于有限的電導和電荷注入引起的[1-4]。本文將重點(diǎn)分析電荷注入誤差。

2．2 電荷注入誤差

對圖1所示SI存儲單元，電荷注入誤差主要是由于開(kāi)關(guān)晶體管TS3在關(guān)斷時(shí)(時(shí)鐘的下降沿)，存儲在該晶體管的溝道和襯底中的電荷流入存儲晶體管T1柵源電容，導致Vgs變化所致。該電荷通過(guò)兩種途徑流入T1管的柵：通過(guò)溝道流入或通過(guò)柵源或柵漏重疊電容的饋通方式流入，即通常所說(shuō)的時(shí)鐘饋通效應。

設流人T1柵源電容的電荷電量為△Q，他是開(kāi)關(guān)管TS3的柵襯底和柵源漏重疊電容所存儲的總電荷的一部分，由他引起的柵源電壓變化為△Verr，誤差電流為△Ierr。設C為柵源等效電容，就有△Verr=△Q／C，則：

△Ierr=gm*△Verr

顯然，gm，△Verr同輸入電流和輸出誤差電流存在一定的關(guān)系。

(1)開(kāi)關(guān)管TS3在關(guān)斷期間所產(chǎn)生的電荷量是同其柵和源漏的電位差有關(guān)的，而TS3源漏電位的大小受輸入信號的影響，即這部分電荷注入誤差與信號有關(guān)；

(2)作為T(mén)1管的跨導gm，其非線(xiàn)性的特點(diǎn)(I-V特性為平方關(guān)系)導致了輸出電流偏差。尤其是當輸入信號較大時(shí)，偏差尤其嚴重，如圖5所示。

因此，與信號無(wú)關(guān)的△Q將被轉化為與信號相關(guān)的△I。盡管該誤差與信號的大小有關(guān)，但追根究底，他是由晶體管的非線(xiàn)性造成的，因此被稱(chēng)為與信號無(wú)關(guān)的電荷注入誤差。所以，在對電路進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，只要有效地抑制由△Q引起的△Verr，就能避開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。因為若△Verr=0，gm的大小對輸出電流不產(chǎn)生任何影響。

以上分析表明，與信號有關(guān)的電荷注入誤差是SI電路精度問(wèn)題難以解決的根源。只要能有效抑制該誤差，SI電路精度將得到很好的改善。在高速電路的應用中，由于要求存儲管的跨導盡可能地大，柵積累電容盡可能地小，由△Ierr=gm*(△Q/C)可知，這將導致更大的電荷注入誤差。因此，要消除該誤差，就必須對SI電路基本結構進(jìn)行改進(jìn)。

3故障模型

在晶體管中有兩種故障存在，一種是引起晶體管完全斷路或短路/橋接的嚴重故障；另一種是產(chǎn)品未完全損壞，而是有缺陷，最初可能(或不可能)引起功能問(wèn)題，但在預燒后很可能被損壞，這是非嚴重故障，在嚴重和非嚴重故障之間存在差異。對于開(kāi)關(guān)電流單元，至今未研究后一種形式的故障，研究工作集中在純粹的嚴重故障。使用的故障模型如圖6所示，根據開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或閉合，能將其分成4種不同的嚴重故障：柵源短路(GSS)；柵源短路(GDS)；漏極開(kāi)路(DOP)；源極開(kāi)路(SOP)。

SI電路就是由第二節所述的存儲單元、延遲單元、積分器、微分器組成，構成了濾波器、A/D和D/A轉換器、一般信號處理等，他的結構可用圖7表示。

一個(gè)無(wú)故障源的SI電路，對應于某個(gè)規定的激勵電流產(chǎn)生一個(gè)"標準電流"，然后用圖6的故障模型去模擬該電路中的故障。假定電路一次只有一個(gè)故障，簡(jiǎn)化故障性能的分析。這就是說(shuō)，每個(gè)可能的故障依次注入被測電路的每個(gè)晶體管，再用規定的測試激勵電流進(jìn)行激勵，可找到被測電路的"測試電流"。然后，可從標準電流中減去取樣的測試電流，即為"誤差電流"。從理論上講，如果該電流為非零值，則被測電路有故障。同時(shí)，對應不同的"誤差電流"，可確定故障發(fā)生在電路的某個(gè)模塊中。但顯然，這有些過(guò)分簡(jiǎn)單化，因為SI的非理想性能、仿真模型的不準確性、對測試電路有不利影響的外界條件的變化等，都可能使誤差電流不為零值，或出現交叉，致使不能惟一定位故障發(fā)生的模塊。

4 結 語(yǔ)

目前，對開(kāi)關(guān)電流電路進(jìn)行故障診斷的難點(diǎn)在于：

(1)實(shí)際電路，由于SI的非理想性能，難以確定標準電流的值，就不好區分電路是否有故障；

(2)模擬仿真，對含故障模型的SI電路進(jìn)行PSpice仿真時(shí)，仿真結果很不理想，難以用于故障診斷，這可能是由于MOS管的PSpice模型不夠精確的原因。對SI電路，還可以用Hspice，Asiz進(jìn)行仿真，這是以后研究的重點(diǎn)。