5Gbps高速芯片測(cè)試技術(shù)

前言

近年來(lái)，數(shù)據(jù)的大規(guī)模傳輸要求變得越來(lái)越普及。擔(dān)任這些大量數(shù)據(jù)處理芯片的標(biāo)準(zhǔn)接口(Interface)基本上都采用的是高速差分串行傳輸方式。

高速串行數(shù)據(jù)傳送方式有以下的一些特征：

● 數(shù)Gbps的傳送數(shù)率

● 由于是高速傳送，信號(hào)振幅較小，為數(shù)百mV程度

● 小振幅的信號(hào)傳送時(shí)，為了減小噪聲的影響，都采用的是差分傳送方式

● 對(duì)各信號(hào)通道間的相位同步?jīng)]有嚴(yán)格要求

近年來(lái)對(duì)芯片的高速數(shù)據(jù)處理的要求，使得許多芯片內(nèi)部都已經(jīng)搭載了高速IF的功能。但是，也正是由于它的高速性能造成芯片的測(cè)試變得非常的困難。對(duì)這類高速IF芯片的初期評(píng)價(jià)階段，一般采用的是多種計(jì)測(cè)器的綜合評(píng)價(jià)。但是針對(duì)多管腳的高速IF芯片，單純利用計(jì)測(cè)器的測(cè)定，會(huì)面對(duì)許多問(wèn)題。

T6683+5G Option

為了實(shí)現(xiàn)精確的高速差分串行信號(hào)測(cè)試，我們開發(fā)了可以對(duì)應(yīng)最大5Gbps差分信號(hào)的ATE用高速測(cè)試選件。這次開發(fā)的可以提供最大5Gbps的高速專用PE(圖1)，內(nèi)藏于ATE系統(tǒng)中，其包括：64個(gè)高速輸入專用通道+ 64個(gè)高速輸出專用通道的Dr·Cp(驅(qū)動(dòng)·比較)以及10：1的MUX/DEMUX。采用的ATE系統(tǒng)為愛德萬(wàn)測(cè)試的高速SoC測(cè)試系統(tǒng)T6683。T6683擁有1024個(gè)IO通道以外，還有1024個(gè)輸出專用通道。與前面介紹的由計(jì)測(cè)器組成的測(cè)試系統(tǒng)比較起來(lái)，可以容易地控制系統(tǒng)時(shí)序的同步。另外，也可以容易地對(duì)通道間的個(gè)別相位進(jìn)行調(diào)整。表1列出了5G選件的主要技術(shù)式樣。

個(gè)別特殊測(cè)試要求對(duì)應(yīng)XDR

5G選件采用的是10：1MUX，也可以設(shè)定為8：1。由于XDR的Idling狀態(tài)時(shí)的差分輸出的Pos/Neg兩方電壓需要固定為同一值上，5G選件的Pos/Neg的兩輸出電壓可以根據(jù)需要嚴(yán)格地固定在同一電壓值。這個(gè)電壓控制是由8:1模式時(shí)沒(méi)有用到的另外2個(gè)Bit來(lái)進(jìn)行。

高速測(cè)試系統(tǒng)的基本技術(shù)

對(duì)于超過(guò)數(shù)Gbps的信號(hào)處理，高速信號(hào)專用芯片技術(shù)、高速信號(hào)傳送技術(shù)等非常重要。近年來(lái)芯片的設(shè)計(jì)/制造技術(shù)的發(fā)展使得芯片本身對(duì)高速信號(hào)的處理性能有了很大的提高，因此從芯片將高速信號(hào)輸出后的傳送問(wèn)題成為了高速信號(hào)處理的重點(diǎn)。如何能夠把GHz的高速信號(hào)，以最小Jitter及最小衰減的性能在與芯片之間傳送/接收是要面對(duì)的最重要的課題。在下面我們要針對(duì)高速測(cè)試系統(tǒng)必要的基礎(chǔ)要素技術(shù)進(jìn)行探討。

(1)時(shí)鐘(Timing)發(fā)生

(2)測(cè)試系統(tǒng)PE到被測(cè)芯片之間的高速信號(hào)傳送

時(shí)鐘(Timing)的發(fā)生

向量(Pattern)發(fā)生器發(fā)生時(shí)鐘時(shí)，其實(shí)現(xiàn)方法有示于圖2的使用Variable Delay的方法和使用PLL來(lái)發(fā)生的2種模式。一般半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)采用的是VariableDelay方式，計(jì)測(cè)器等脈沖發(fā)生器等處于高速及低Jitter的要求，采用的是PLL方式。圖3是由采用Variable Delay方式，利用T6683發(fā)生的500MHz信號(hào)的XOR方式合成的5Gbps數(shù)據(jù)的波形。各通道的輸出Delay已經(jīng)經(jīng)過(guò)最適化的調(diào)整，但是還是可以看到XOR的輸入Jitter沒(méi)有任何改善顯現(xiàn)在輸出波形中，單純這樣的波形是不能適用于數(shù)GHz的高速信號(hào)傳輸。

因此我們采用的是如圖4所示的低速時(shí)鐘發(fā)生采用Variable Delay方式，高速部采用與低速部保持同步的PLL方式。另外，Jitter Reduce電路的嵌入也可以使得高速部的向量(Pattern)發(fā)生盡可能的不受到低速部的Jitter誤差的影響。

從PE到被測(cè)芯片(DUT)的高速信號(hào)傳送

在實(shí)際測(cè)試中，從ATE的Driver端到被測(cè)芯片(DUT)的信號(hào)傳送過(guò)程，會(huì)遇到如圖6-1所示的Pin-Relay、傳輸線路(同軸線)、接線端子、印刷線路等各影響高頻信號(hào)衰減的問(wèn)題。圖6-2是一般的1GHz信號(hào)用線路的傳輸特性，當(dāng)用它來(lái)傳輸更高頻率的信號(hào)時(shí)，我們可以看到在2.5GHz開始就會(huì)造成較大的衰減損失。這個(gè)衰減如果是超過(guò)10dB以上的話，是很難進(jìn)行正確補(bǔ)償?shù)?。因此為了減小在高頻帶的損失，我們對(duì)上述圖6-1線路進(jìn)行了以下4個(gè)項(xiàng)目的改進(jìn)。

① Pin Relay & DC Relay

② 同軸線

③接線端子(Connecter)

④ 印刷線路

傳輸線路的改善

① Pinout Relay & DC Relay

安裝在測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的信號(hào)輸出/輸入控制部的Relay本身的性能對(duì)最終的波形品質(zhì)有較大的影響?，F(xiàn)在普通使用的Photo-Mos Relay的最大信號(hào)帶寬是1GHz左右，不能達(dá)到傳送5GHz這樣的高頻信號(hào)的要求。因此，我們采用的是愛德萬(wàn)測(cè)試研制開發(fā)的，具有非常好帶寬的小型MEMS Relay。

② 同軸線

為了傳輸這樣的高頻信號(hào)，和普通的同軸線相比，除了需要高精度的阻抗(Zo)特性以外，還應(yīng)當(dāng)具有低損耗、Zo值不受電纜彎曲變形，溫度等外部影響的特性。為了實(shí)現(xiàn)Zo的高精度，(1)同軸線做成盡可能的保持圓心性。(2)最大限地提高同軸線各部分所用材料的尺寸精度、組裝精度，保證實(shí)際Zo與計(jì)算值在最大±0.5Ω的誤差。另外為了提高耐彎曲變形強(qiáng)度，采用了編組絞織屏蔽線及FEP外皮，以使得電線彎曲時(shí)的受力均勻分布，避免線材的直角彎曲，保證了即使受到外力情況下的Zo無(wú)變化。經(jīng)過(guò)φ30mm的S字扭曲試驗(yàn)驗(yàn)證，普通的同軸線的阻抗變化是+3.3Ω，而上述特制同軸線的變化為0.1Ω以下。另外，高頻特性也從-2.5dB@3GHz提高到了-1.8dB@3GHz。同時(shí)，F(xiàn)EP外皮在耐熱性方面也有較大的優(yōu)勢(shì)，使得這種同軸線的最高使用溫度達(dá)到了150℃。

③ 接線端子

為了保證高性能的高頻信號(hào)傳輸，除了保證同軸電纜的傳輸特性，與之相連接用的接線端子的高頻特性也是非常重要的。

④ 印刷線路

當(dāng)被輸送信號(hào)達(dá)到數(shù)GHz程度時(shí)，導(dǎo)線的集膚效應(yīng)會(huì)造成較大的導(dǎo)線損失及誘電損失(tanδ)。當(dāng)信號(hào)的傳輸線路較短的時(shí)候,信號(hào)的損失幾乎體現(xiàn)不出來(lái)，但是在多管腳VLSI芯片的測(cè)試中，其信號(hào)傳輸線最少也有數(shù)十管腳到一百多管腳，Load board上的高速信號(hào)傳送長(zhǎng)度約為15cm到25cm。由于在這種情況下前述線導(dǎo)體損失及誘電損失(tanδ)的影響已經(jīng)不能忽略，因此我們采用了低誘電率、tanδ較小的材質(zhì)來(lái)制作Load Board的印刷線路，達(dá)到抑制信號(hào)傳送損失的目的。

通過(guò)以上①到④對(duì)全體傳輸線路的改善，我們得到了可以達(dá)到4GHz的傳輸特性。而且在2.5GHz附近的信號(hào)衰減也僅為-4dB左右，因此可以通過(guò)本文后述補(bǔ)償方法以使得系統(tǒng)達(dá)到5GHz帶寬的信號(hào)傳送。

傳輸損失的補(bǔ)償

信號(hào)的線路衰減(insertion losses)越大。因此當(dāng)傳輸脈沖信號(hào)時(shí)，表現(xiàn)為信號(hào)上升沿的變形及整體波形的非整合性。前沿的變形是由于我們知道脈沖信號(hào)中包含了全部的奇數(shù)高次諧波成分，在通過(guò)傳輸線路時(shí)由于高次諧波成分的衰減而造成的。由于一部分的非整合性的存在，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生圖形向量(Pattern)造成的時(shí)序錯(cuò)誤(Timing error)。因此需要通過(guò)對(duì)其進(jìn)行一定的補(bǔ)償。圖7所示為在線路中插入與其相反傳輸特性的pre-emphasis電路時(shí)的Jitter仿真結(jié)果，圖8是實(shí)測(cè)波形。由于實(shí)測(cè)波形中含有一定的隨機(jī)Jitter(Random Jitter)成分，雖然Jitter值有一定差異，但是我們同樣可以確認(rèn)到與仿真結(jié)果一樣的Jitter改善效果。

芯片測(cè)試

利用這個(gè)5G高速選件(Option)，我們對(duì)Redwood(5Gbps)、XDR內(nèi)存、PCI-Express高速接口等進(jìn)行了測(cè)試評(píng)價(jià)。

Redwood(5Gbps)

將5G選件自身的輸出通道(Dr)與輸入通道(Cp)對(duì)接起來(lái)對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，這個(gè)高速選件的信號(hào)輸入比較部(Cp)本身雖然為了對(duì)應(yīng)高速接口芯片測(cè)試，其結(jié)構(gòu)為差分輸入比較結(jié)構(gòu)(differential)，但是其也具有單端輸入比較(Single-End)功能。雖然在實(shí)際的高速芯片測(cè)試中并不需要這種單端輸入，但是在許多評(píng)價(jià)解析情況下存在對(duì)這種功能的要求，因此5G高速選件中加入了分別的單端輸入正負(fù)單端(Pos/Neg)比較功能。

XDR

XDR是在目前的高速接口(IF)中唯一采用IO共通使用的接口標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試系統(tǒng)的輸入輸出通道(Dr/Cp)與芯片之間是一種被稱為Fly-by的連接方式?？刂撇捎玫氖潜疚那懊嫠龅膶⒉罘值恼?fù)(Pos/Neg)固定電壓值輸出機(jī)能。

PCI-Express

PCI-Express的基本規(guī)格中對(duì)差分電壓的中間點(diǎn)電壓值有其特殊的要求。對(duì)應(yīng)其規(guī)格要求，在對(duì)PCI-Express進(jìn)行測(cè)試時(shí)，2個(gè)驅(qū)動(dòng)通道(Dr)并列使用作為芯片的1個(gè)輸入。

總結(jié)

針對(duì)高速差分信號(hào)的測(cè)試，愛德萬(wàn)測(cè)試基于高速SoC測(cè)試系統(tǒng)T6683開發(fā)了最大對(duì)應(yīng)5Gbps的高速測(cè)試選件。通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，

1. 技術(shù)驗(yàn)證了現(xiàn)階段各種具有代表性的高速接口芯片的測(cè)試可行性。

2. 開發(fā)成功了數(shù)Gbps以上測(cè)試所需的未來(lái)測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)要素技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方案。