深度解析SOC 中ADC 測試技術(shù)

ADC靜態(tài)測試的方法已研究多年，國際上已有標準的測試方法，但靜態(tài)測試不能反映ADC的動態(tài)特性，因此有必要研究動態(tài)測試方法?動態(tài)特性包括很多，如信噪比(SNR)?信號與噪聲+失真之比(SINAD)?總諧波失真(THD)?無雜散動態(tài)范圍(SFDR)?雙音互調(diào)失真(TMD)等?本文討論了利用數(shù)字方法對ADC的信噪比進行測試，計算出有效位數(shù)，并通過測試證明了提高采樣頻率能改善SNR，相當于提高了ADC的有效位數(shù)?在本系統(tǒng)中使用了AD9224，它是12bit?40MSPS?單5V供電的流水線型低功耗ADC?

1.SOC 測試的復(fù)雜性

隨著設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的 集成，現(xiàn)在又發(fā)展到IP 的集成。近年來已發(fā)展到系統(tǒng)級芯片階段，SOC 設(shè)計技 術(shù)成為設(shè)計的熱點之一。SOC 的設(shè)計模式不同于以往大規(guī)模集成電路的垂直設(shè)計 模式。它的設(shè)計模式是水平的，也就是SOC 集成商選擇不同廠商提供的IP 核來 構(gòu)建芯片系統(tǒng)。這種水平設(shè)計模式一方面縮短了SOC 設(shè)計周期，另一方面卻使 SOC 測試面臨巨大挑戰(zhàn)。IP 核的多樣性帶來測試的復(fù)雜性，就IP 核的設(shè)計形式 而言，有軟核、固核、硬核三種;就電路類型而言，有數(shù)字邏輯核、存儲器核、 模擬/混合核;就功能而言，有處理器核、DSP 核、多媒體核等;就電路可測試 性設(shè)計方法而言，有內(nèi)建自測試(Built-in-Self-Test，BIST)，掃描測試、邊 界掃描測試、測試點插入等;就時鐘而言，有處理器核和DSP 核等需要高頻時鐘 的IP 核，也有外設(shè)控制器等只需要低頻時鐘的IP 核。SOC 的測試必須考慮對多 樣性的支持。測試資源是有限的，外部測試設(shè)備所能提供的測試通道數(shù)，ATE (Automac Test Equipment)的測試通道深度和測試時間以及模擬測試部件都 是“稀缺資源”。因而SOC 的測試必須考慮所有與此有關(guān)的細節(jié)。

2.基于IP 核的SOC 中ADC 的測試技術(shù)

2.1 模擬/混合電路的IP 核測試

模擬/混合電路核的測試技術(shù)還很不成熟，在數(shù)字邏輯電路中廣泛應(yīng)用的測 試向量自動生成技術(shù)(Automac Test Pattern Generaon， ATPG)不能簡單 移植應(yīng)用于模擬電路。這是因為：第一，模擬電路波形的時間和取值都是連續(xù)的， 電路功能依賴于電路拓撲結(jié)構(gòu)和元件的參數(shù)值，電路參數(shù)動態(tài)范圍大，難以建立 故障模型;第二，模擬信號是連續(xù)量，無論是從原始輸入傳遞測試激勵，還是從 被測電路傳出測試響應(yīng)，在傳輸過程中，這些值都有可能被改變;第三，同樣由 于模擬信號的連續(xù)性，測量誤差容易導(dǎo)致誤判。為了提高電路的可測性，為了提 高電路的可測性，常采用三種技術(shù)：第一，功能結(jié)構(gòu)重組，此方法是利用電路的 功能結(jié)構(gòu)經(jīng)過重組而與正常工作模式不同，利用輸出信號判別電路是否發(fā)生錯 誤。典型的方法為晶振測試，即產(chǎn)生某種頻率的振蕩信號，故障電路會改變此振 蕩信號的頻率，通過監(jiān)測信號頻率的變化，觀測到錯誤。第二，插入測試點，例 如在電路中增加電流傳感器，有錯誤的電路會改變電流大小，從而觀測到錯誤。 第三，進行數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換，即在芯片設(shè)計中加入模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器，把 待測電路的模擬輸出信號變成數(shù)字信號，把待測電路的數(shù)字輸入信號變成模擬信 號，從而實現(xiàn)激勵和響應(yīng)的傳播。

2.2 ADC 的測試方法

2.2.1 測試適配器設(shè)計技術(shù)

測試適配器是芯片與測試機連接的關(guān)鍵，在設(shè)計中特別注意布局布線的方 法，盡可能的減小噪聲的引入：ADC 界于模擬電路和數(shù)字電路之間，且通常被劃 歸為模擬電路，為減小數(shù)字電路的干擾，在芯片內(nèi)部都將模擬電路和數(shù)字電路分 開布局;進行測試時為減小信號線上的分布電阻、電容和電感，盡量縮短導(dǎo)線長 度和增大導(dǎo)線之間的距離;為減小電源線和地線的阻抗，盡量增大電源線和地線 的寬度，或采用電源平面、地平面。同樣的，模擬電路的接地層，也要和數(shù)字電 路的接地層分開，并考慮阻抗匹配，如果是差分輸入，要考慮差分對的布線方法， 這樣測試出ADC 的動態(tài)參數(shù)和靜態(tài)參數(shù)才比較理想。

2.2.2 測試實例

2.2.2.1 器件特性

本文測試芯片為一款帶有一個10bit 高速AD 轉(zhuǎn)換器模塊的SOC 芯片，其中 ADC 模塊的特征描述如下：

1) 電源4 組，模擬電源1，2(3.3V，1.8V)。

2) 具有一對差分輸入，共模電壓為1.5V，Vp-p 為1V。

3) 數(shù)字時鐘頻率50MHZ，采樣頻率25MHZ，輸入波頻率2MHZ～36MHZ。

此ADC 的測試，選用Agilent 的SOC 93000 測試系統(tǒng)。由于芯片有一對差分 輸入，共模電壓為1.5 V，Vp-p 為1V， 這意味著模擬輸入電壓范圍是1～2V。 這樣模擬輸入精度就是：

為了能測試這樣精度的芯片，我們需要輸入更高精度的模擬電壓。此次測 試時輸入的模擬電壓精度為：

在測試中為了產(chǎn)生如此高精度的模擬電壓信號(電壓精度為200μV 左右)， 使用了roadband High Speed AWG (500MHZ Sample/s 12-bit)測試硬件。AWG 的具體性能指標見表1。