嵌入式半導(dǎo)體器件混合信號測試策略

 混合信號技術(shù)給當(dāng)今的半導(dǎo)體制造商們帶來了很多新挑戰(zhàn),以前一些對數(shù)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(dǎo)致器件無法使用。為確保這些新型半導(dǎo)體器件達(dá)到“無缺陷”水平,需要開發(fā)新的測試策略、方法與技術(shù)。本文詳細(xì)討論混合信號半導(dǎo)體器件測試技術(shù)基本構(gòu)建模塊,并以實(shí)例介紹混合信號的系統(tǒng)化測試方法。

近年來出現(xiàn)了很多新的半導(dǎo)體產(chǎn)品,如可以用于無線通信、過程控制以及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的所謂嵌入式半導(dǎo)體器件就是其中一種,它將模擬和數(shù)字電路結(jié)合到一個(gè)器件內(nèi),這種技術(shù)又稱為混合信號技術(shù)。簡單地說,嵌入式半導(dǎo)體器件是作為整機(jī)系統(tǒng)一個(gè)有機(jī)組成部分的半導(dǎo)體器件,可以提供控制、監(jiān)測和其它輔助功能。混合信號技術(shù)將數(shù)字和模擬半導(dǎo)體器件組合到一個(gè)封裝內(nèi),實(shí)現(xiàn)這種嵌入式器件的功能,其中數(shù)字電路部分完成處理,并負(fù)責(zé)與其它數(shù)字器件的通信,而模擬部分則通過分析和產(chǎn)生連續(xù)信號與“現(xiàn)實(shí)”世界相聯(lián)系。

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

由于混合信號器件通常都包含從一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號(模擬到數(shù)字或數(shù)字到模擬),混合信號技術(shù)給當(dāng)今的半導(dǎo)體制造商們帶來了很多新挑戰(zhàn),以前一些對數(shù)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(dǎo)致器件無法使用。為確保這些新型半導(dǎo)體器件達(dá)到“無缺陷”水平,需要開發(fā)新的測試策略、方法與技術(shù)。本文詳細(xì)討論混合信號半導(dǎo)體器件測試技術(shù)基本構(gòu)建模塊,并以實(shí)例介紹混合信號的系統(tǒng)化測試方法。

近年來出現(xiàn)了很多新的半導(dǎo)體產(chǎn)品,如可以用于無線通信、過程控制以及實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的所謂嵌入式半導(dǎo)體器件就是其中一種,它將模擬和數(shù)字電路結(jié)合到一個(gè)器件內(nèi),這種技術(shù)又稱為混合信號技術(shù)。簡單地說,嵌入式半導(dǎo)體器件是作為整機(jī)系統(tǒng)一個(gè)有機(jī)組成部分的半導(dǎo)體器件,可以提供控制、監(jiān)測和其它輔助功能?；旌闲盘柤夹g(shù)將數(shù)字和模擬半導(dǎo)體器件組合到一個(gè)封裝內(nèi),實(shí)現(xiàn)這種嵌入式器件的功能,其中數(shù)字電路部分完成處理,并負(fù)責(zé)與其它數(shù)字器件的通信,而模擬部分則通過分析和產(chǎn)生連續(xù)信號與“現(xiàn)實(shí)”世界相聯(lián)系。

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

由于混合信號器件通常都包含從一種信號轉(zhuǎn)換成另一種信號(模擬到數(shù)字或數(shù)字到模擬),所以我們將用一個(gè)簡單的混合信號器件??模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來對這些策略、技術(shù)與方法進(jìn)行討論,說明混合信號器件測試的步驟和方法。有了一些基本認(rèn)識后,就可將其擴(kuò)展并應(yīng)用到當(dāng)前先進(jìn)的嵌入式半導(dǎo)體器件中,如數(shù)字濾波器、音頻/視頻信號處理器及數(shù)字電位計(jì)等。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件測試包括基本參數(shù)測試(連續(xù)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)測試和線性測試。動(dòng)態(tài)參數(shù)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(shù)字波形)和重現(xiàn)(利用數(shù)字輸入建立模擬信號)能力。線性參數(shù)則相反,描述的是器件內(nèi)在特性,主要關(guān)注數(shù)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(xì)說明。

動(dòng)態(tài)測試

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性有時(shí)也稱作傳輸參數(shù),代表器件模擬信號采樣和輸入波形的數(shù)字再現(xiàn)能力,信噪比(SNR)、總諧波失真(THD)及有效位數(shù)等指標(biāo)可使制造商對器件輸出的“純度”和數(shù)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(jì)80年代,主要圍繞數(shù)字信號處理和傅立葉變換,將時(shí)域波形和信號分別轉(zhuǎn)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(fù)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(nèi)轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼,然后用傅立葉變換轉(zhuǎn)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(shè)置不當(dāng)?shù)玫降男畔⒁矔?huì)毫無意義。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(shù),在討論FFT結(jié)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(tǒng)測量誤差(假頻、量化及采樣抖動(dòng)誤差)。

輸入信號

對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說,輸入信號的“純度”會(huì)影響數(shù)字輸出的性能。輸入信號中的耦合噪聲將轉(zhuǎn)換為輸出信號數(shù)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(zhuǎn)換分辨率,一般來說測試設(shè)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(shù),如果采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)選擇正確,一個(gè)無限時(shí)序變化信號可用有限幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來表示。通過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(xiàn)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(yùn)行”或采樣,以便正確地?cái)?shù)字化再現(xiàn)出輸入信號,得到有效動(dòng)態(tài)測試結(jié)果。

一致性是動(dòng)態(tài)測試第二個(gè)關(guān)鍵的部分,當(dāng)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(shù)據(jù)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(shù)。

另外,一致性采樣還可以保證傅立葉變換將采樣數(shù)據(jù)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(rèn)作低頻信號。實(shí)際上當(dāng)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(guī)定,對高頻信號采用低采樣率的結(jié)果就好像它是一個(gè)低頻信號。抖動(dòng)誤差是指系統(tǒng)輸入或采樣能力與期望值之間的差異或偏離,換句話說,本來一個(gè)有一定幅度的信號預(yù)計(jì)在時(shí)間X產(chǎn)生,但由于抖動(dòng)誤差會(huì)使信號比預(yù)期的時(shí)間提前或推遲出現(xiàn)；同樣抖動(dòng)誤差也可能在采樣時(shí)產(chǎn)生,原來規(guī)定在時(shí)間X采集數(shù)據(jù)但實(shí)際卻比預(yù)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(xiàn)錯(cuò)誤信息。

如果測試條件都設(shè)置正確,同時(shí)也遵守采樣規(guī)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(shù)。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(xiàn)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?jiǎng)討B(tài)傳輸特性,分別是信噪比(SNR)、總諧波失真(THD)、無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、信號與噪聲失真比(SINAD)以及有效位數(shù)(ENOB)。

動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)、信號與噪聲失真比(SINAD)以及有效位數(shù)(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(nèi)部噪聲大小的基本參數(shù)。理論上ADC的信噪比范圍取決于系統(tǒng)的位數(shù),可由下式得出:
SNR=6.02N+1.76db
這里N代表位數(shù)

系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部噪聲和驅(qū)動(dòng)/采樣源產(chǎn)生的非線性噪聲。

無雜散動(dòng)態(tài)范圍能對系統(tǒng)失真進(jìn)行量化,它是基本頻率與雜波信號最大值的數(shù)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性。偶次諧波中的雜波表示傳遞函數(shù)非對稱失真,一個(gè)“給定”的輸入信號應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)“給定”的輸出,但由于系統(tǒng)非線性,實(shí)際輸出并不等于預(yù)期值,當(dāng)系統(tǒng)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,這里的非線性就是非對稱的。奇次諧波中的雜波表示系統(tǒng)傳遞函數(shù)的對稱非線性,即給定的輸入產(chǎn)生的輸出失真對正負(fù)輸入信號在數(shù)量上都是相等的。

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

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(xiàn)時(shí)序變化信號的能力,相比之下,線性測試關(guān)注的則是器件內(nèi)部電路的誤差。對ADC來說,這些內(nèi)部誤差包括器件的增益、偏移、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)誤差,這些參數(shù)說明了靜止的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的情況,主要關(guān)注具體電平與相應(yīng)數(shù)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(shù)字代碼并不能告訴多少有關(guān)器件的信息,它僅僅說明這個(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(zhuǎn)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(shù)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(shù)或模擬輸入電壓與對應(yīng)數(shù)值輸出代碼間存在一個(gè)固定的偏移。通常計(jì)算偏移誤差方法是測量第一個(gè)數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換或“零”轉(zhuǎn)換的電壓,并將它與理論零點(diǎn)電壓相比較。增益誤差是預(yù)估傳遞函數(shù)和實(shí)際斜率的差別,增益誤差通常在模數(shù)轉(zhuǎn)換器最末或最后一個(gè)傳輸代碼轉(zhuǎn)換點(diǎn)計(jì)算。

為了找到零點(diǎn)與最后一個(gè)轉(zhuǎn)換代碼點(diǎn)以計(jì)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(zhuǎn)換輸出結(jié)果。每次增大輸入電壓都會(huì)得到一些轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換代碼的輸入電壓,計(jì)算出器件偏移和增益。電壓抖動(dòng)法和代碼平均法類似,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(jù)轉(zhuǎn)換代碼和預(yù)期代碼的差對輸入電壓進(jìn)行增減調(diào)整,直到兩代碼之間的差值為零,當(dāng)預(yù)期轉(zhuǎn)換代碼接近輸入電壓或在轉(zhuǎn)換點(diǎn)附近變化時(shí),測量所施加的“抖動(dòng)”電壓平均值,計(jì)算偏移和增益。

非線性微分和積分 與增益和偏移一樣,計(jì)算非線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(fù)搜索,當(dāng)器件位數(shù)較多時(shí)這兩種方法執(zhí)行起來很費(fèi)時(shí)。一個(gè)更加有效計(jì)算INL和DNL的方法是直方圖法,采用線性或正弦直方圖。圖4說明了線性斜升技術(shù)的應(yīng)用,首先使輸入電壓線性增加,同時(shí)對輸出以固定間隔連續(xù)采樣,如圖所示,電壓逐步增加時(shí)連續(xù)幾次采樣都會(huì)得到同樣輸出代碼,這些采樣次數(shù)稱為“點(diǎn)擊數(shù)”,并在圖4底部用直方圖表示。

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

嵌入式半導(dǎo)體系統(tǒng)

很多嵌入式半導(dǎo)體器件由不同的模擬和數(shù)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(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)問題。下面簡單介紹三種器件的測試技術(shù)和策略,分別是數(shù)模轉(zhuǎn)換器、數(shù)字濾波器和數(shù)字分壓器。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相反,它是將輸入端得到的數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換成模擬輸出電壓。實(shí)際上所有前面討論的線性和靜態(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(shù)字處理,然后輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換器,再檢測模擬輸出的電壓波形,由此可計(jì)算出動(dòng)態(tài)參數(shù)(SNR、THD、SFDR和SINAD),對輸出采用傅立葉變換可將其從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域。除了線性誤差是以理想狀態(tài)計(jì)算的模擬輸出電壓為參考外,靜態(tài)和線性參數(shù)(偏移、增益、非線性微分、非線性積分)都可以用模數(shù)轉(zhuǎn)換器同樣的方法計(jì)算。

數(shù)字濾波器顧名思義就是一個(gè)數(shù)字控制的濾波器,其特性參數(shù)(增益、頻率相應(yīng)、相位余量)都是數(shù)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(yīng)上。測試器件的頻率和響應(yīng)增益時(shí),用一個(gè)連續(xù)且含多個(gè)非重疊頻率的多音調(diào)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(shù)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(jì)算出增益,濾波器截止頻率和-3dB點(diǎn)則是通過在這些點(diǎn)上選擇3到4個(gè)輸入頻率,用數(shù)學(xué)方法從每一個(gè)濾波器響應(yīng)頻率的幅值推導(dǎo)這些點(diǎn)而計(jì)算出。數(shù)字濾波器相移的計(jì)算根據(jù)傅立葉轉(zhuǎn)換提供的波形相位數(shù)據(jù),計(jì)算方法是將輸出頻率的相移減去輸入頻率的相移,負(fù)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(fù)延時(shí)。

數(shù)字分壓器是數(shù)字控制的電阻箱,寫入器件的命令和代碼規(guī)定了輸出電阻的大小。與數(shù)字濾波器不同,數(shù)字分壓器混合信號測試集中在它的線性和靜態(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(shù)字分壓器設(shè)定為零的時(shí)候測得的阻值,增益誤差則是滿刻度時(shí)電阻值和理想值(或期望值)之差。非線性微分和非線性積分誤差計(jì)算也可以用于數(shù)字分壓器中,非線性微分誤差指每個(gè)代碼實(shí)際電阻值與理想阻值的偏移,非線性積分誤差則是所有非線性微分阻值差異的累積值。