（通信与信息系统专业论文）高速并行光互连芯片的测试与验证分析.pdf

摘要 随着现代板级通信的速率越来越高，基于电互连技术的传输架构，由 于其本身存在的缺陷，已经逐渐不能满足需求，于是，“光进铜退”的呼声 也就变得越来越高。在这种背景下，众多研究机构均投入了大量的人力物 力进行相关技术的开发，并希望制定属于自己的光互连器件和标准。因此， 对光互连器件的测试验证工作，变得越来越严峻，也越来越受到企业、研 究机构的重视。 目前，在芯片测试这个行业中，测试验证手段也基于芯片的不同而多 种多样，具体来说，主要分为两个方面：数字芯片的测试验证和数模混合 芯片模拟芯片的测试验证。数字芯片的测试，其大体经过了功能测试、通 过电路拓扑结构进行结构测试、可测性设计( d e s i g nf o rt e s t ) 这三个阶段， 尤其是基于e d a 工具的可测性设计方法；而对于数模混合芯片等的测试验 证，很大一部分工作还是要依赖于昂贵的仪器来完成，或使用大量的集成 电路工程师来进行相关模拟芯片的可测性设计，这样既增加了成本和难度。 依据项目的需求，本论文需要对自主研发的光互连芯片，完成相应的 测试和验证工作。在本文的功能测试工作部分，基于信号完整性分析的理 论，完成了高速p c b 的设计，并将仿真结果和测试结果进行对比；在功能 验证部分，不使用传统的昂贵的仪器，丽采用数字测试的方法，依据f p g a 芯片来产生高速的数据码流，根据工程设计对资源的要求，而且考虑到设 计人员读相关芯片的熟悉程度，选择了x i l i n x 公司的x c 5 v f x 3 0 t 作为 设计的使用芯片，另外，基于本次通信对协议的要求，选用x i l i n x 公司 的a u r o r a 协议作为通信标准，目前已经完成到基于f p g a 芯片的方案开发 阶段，并进行了逻辑仿真分析。 通过对测试板的测试分析，表明本设计所完成的高速p c b 满足所测试 的光互连芯片的测试需求。在对验证板的验证分析过程中，基于f p g a 设 计的，利用v e r i l o gh d l 进行描述的协议，在仿真分析中，满足系统的需求。 关键词：信号完整性，测试、f p g a ，a u r o r a ，仿真分析 a b s t r a c t w i t ht h er a t eo fm o d e r nb o a r d l e v e lc o m m u n i c a t i o n si n c r e a s i n g ，b e c a u s eo ft h e i n h e r e n td e f e c t so ft h et r a n s m i s s i o nf r a m e w o r kb a s e do ne l e c t r i c a li n t e r c o n n e c t i o n t e c h n o l o g y , h a sg r a d u a l l yf a i l e dt om e e tt h ed e m a n da n d ”l i g h to fc o p p e rr e t r e a t ” a l s ob e c o m e sp o p u l a r m a n yr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v ei n v e s t e dal o to fm a n p o w e r a n dr e s o u r c e st o d e v e l o pt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e sa n dw i s ht od e v e l o pt h e i ro w n o p t i c a li n t e r c o n n e c td e v i c e sa n ds t a n d a r d s t h et e s ta n dv e r i f i c a t i o no ft h eo p t i c a l i n t e r c o n n e c tc h i pb e c o m em o r es e v e r e ，a n dm o r ea n dm o r ee n t e r p d s e s ，r e s e a r c h i n s t i t u t e sp a ym o r ea t t e n t i o nt oi t c u r r e n t l yt e s t i n ga n dc e r t i f i c a t i o nt o o l so f t h ec h i pa l s ov a r i e db a s e do nd i f f e r e n t c h i p s ，s p e c i f i c a l l y , i sd i v i d e di n t ot w oa r e a s ：d i g i t a lc h i pt e s t i n ga n dv a l i d a t i o na n d m i x e d c h i p a n a l o gc h i pt e s t i n ga n dv a l i d a t i o n t h et e s t i n go fd i g i t a lc h i pi sg e n e r a l l y h a v et h r e es t e p s ，i n c l u d i n gf u n c t i o n a l t e s t i n g 、s t r u c t u r a lt e s t i n gt h r o u g hc i r c u i t t o p o l o g ya n dd e s i g nf o rt e s t ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g nf o rt e s tb a s e do nt h ee d a t 0 0 1 a l a r g ep a r to ft h et e s ta n dv a l i d a t i o nf o rd i g i t a l - a n a l o gh y b r i dc h i p si s t or e l yo n e x p e n s i v ee q u i p m e n tt oc a r r yo u to rd e s i g nf o rt e s tt h r o u g hal a r g en u m b e ro fi c e n g i n e e r sa s s o c i a t e dt oa n a l o g i tn o to n l yi n c r e a s e st h ec o s tb u ta l s ot h ed i f f i c u l t i e s a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，t h e a p p r o p r i a t et e s t i n g a n d v a l i d a t i o nf o rt h eo p t i c a li n t e r c o n n e c tc h i p sa r en e e d e dt ob ed o n ei nt h ep a p e r t h e f u n c t i o n a lt e s ti nt h i sp a p e ri n c l u d e st h et h e o r yb a s e do nt h es i g n a li n t e g r i t ya n a l y s i s ， f i n i s h i n gt h ed e s i g nf o rah i g l l s p e e dp c b a n dc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n a n dt e s t i nt h e f u n c t i o n a lv a l i d a t i o n ，w eu s ed i g i t a lt e s tt oa v o i d i n gt h ec o n v e n t i o n a l e x p e n s i v ee q u i p m e n ta n dg e n e r a t eh i 【g h s p e e dd a t as t r e a mb a s e do nf p g ac h i p a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t sf o rr e s o u r c e sa n da l s ot a k i n gi n t o a c c o u n tt h ef a m i l i a r i t yo ft h ec h i pd e s i g n e r s ，t h ec o m p a n yx i l i n xx c 5 v f x 3 0 ti s c h o s e na st h ed e s i g nc h i p a n db a s e do nt h er e q u i r e m e n t so ft h ea g r e e m e n to f c o m m u n i c a t i o n ，t h ea u r o r ax i l i n xi ss e l e c t e da st h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t a n d a r d sa n dh a sc o m p l e t e dt ot h ed e v e l o p m e n ts t a g eb a s e do nf p g aa n dm a d et h e i i l o g i cs i m u l a t i o n t h et e s to ft h eb o a r ds h o w st h a tt h eh i g h s p e e dp c bd e s i g nm e e t st h e r e q u i r e m e n t so fo p t i c a li n t e r c o n n e c t i o nc h i pt e s t i n g n i k e y w o r d ：s i g n a li n t e g r a t i o n t e s t f p g a a u r o r a s i m u l a t i o na n da n a l y s i s 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：望丞鱼日期：趔兰：理 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：划 武汉理t 人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 随着国际互联网业务的传输速率和高速计算能力的提高，对于带宽的 需求也就变得越来越大。近些年来，各种企业和研究机构都在极力进行拓 展带宽方面，增加信道容量领域的研究。这些研究主要包括通过改善诸如 各种噪声、串扰、功耗等方面，以及其他的一些限制电互连性能的因素。 但是，电互连其本身存在严重的介电损耗、趋肤效应以及信道与信道间的 互扰问题的缺陷，使得于铜导线的传统电互连系统渐渐显得力不从心，于 是，“光进铜退”的呼声也就越来越高。在这种背景下，众多研究机构均投 入了大量的人力物力进行相关技术的开发，并希望制定属于自己的光互连 器件和标准。随之而来的，对光互连芯片的测试验证等工作，伴随着光互 连芯片技术的不断提高而变得越来越严峻【1 。引。 截止目前为止，各种企业和研究机构对芯片的测试方法有很多种，具 体来说，在以测试为目的的方面，主要有功能测试和结构测试、老化测试、 a t s p e e d i 贝0 试、性能测试等等；而以测试的内容来分的话，主要有电平测试 和电流测试、o n l i n e 钡l j 试和o f f l i n e i 澳l j 试、i d d q 静态电源电流测试等类型。 对于不同的故障，各种测试方法的优缺点也大不一样。功能测试和性能测 试这两种方法是常用的芯片测试手段。从芯片的性能来分，数字芯片对性 能和功能之间分的很清楚，输出端的逻辑值之间的关系就是功能，也就是 真值表；而性能则是指延时和输出的电平值，相对于延时这些内容来说， 对数字芯片的测试主要还是集中在对功能的追求，对真值表的判断；而在 模拟芯片方面，功能和性能的界限比较模糊，很难有一个明确的定义，这 主要是由于输入和输出的信号在幅值上都有连续性，尤其是电路的性能里 面含有很多的内容，在具体的测试验证过程中，必须完成这些才能确保芯 片测试的质量【3 5 】【4 羽。 近些年来，数模混合芯片的发展越来越迅速，对验证和测试的工作要 求也越来越高，越来越全面，尽管所测试的这部分芯片只占整体设计的很 武汉理t ：人学硕十学位论文 小一部分，但其测试部分的难度远远超出其规模，更有甚者对数模混合信 号的测试难度还要大于对数字电路的测试难度1 6 堪j 。 从整个半导体行业的发展过程来看，摩尔定律几乎是行业的金科玉律， 它几乎可以预判整个工艺的发展前景，但是对单个的晶体管来说，制造的 成本是一直按照平均每年2 5 一- 3 0 的幅度在下降的，而测试的成本却是以 平均每年1 0 5 的比例提高。芯片的功能越来越强大，其包含的各种子模块 也越来越多，这些直接导致了对最终芯片成品的测试变得更加困难，成本 也更加的高。如果i n t e l 公司的总裁提出的测试摩尔定律还能继续起作用的 话，在将来的一些年里，测试的成本将超过对晶体管的制造材料硅的 投资成本，而且芯片研发成本中测试的份额将会越来越高，甚至会超过研 发的前期投入。按照p r i m e 研究集团的报告，在2 0 0 0 年，芯片制造行业花费 了大约4 9 亿美元在各种测试的设备仪器上，而测试的成本更高。再来看国 际半导体技术发展蓝图( i t r s ，i n t e r n a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a pf o r s e m i c o n d u c t o r s 、l 的研究报告，芯片制造的成本将在2 0 1 4 年开始，低于芯片的 测试成本。那么不难看出，芯片的测试工作已经逐渐变成对芯片设计的企 业的一个瓶颈了。因此，多家芯片制造商都迫切的希望找到一种测试的方 法来降低总体成本，而又能保证质量【2 j 1 6 。1 1 】。 本文是基于数模混合芯片的测试方法，结合相关仪器的使用，来完成 光互连芯片的测试。 1 2 国内外研究的现状和动态 在半导体行业走过的近些年里，数字电路测试的发展速度明显高过模拟和 混合芯片的测试发展，其大体经过了功能测试、通过电路拓扑结构进行结构测 试、可测性设计( d e s i g nf o rt e s t ) 者三个阶段，它的成功，很大部分要归功于 1 9 5 9 年e l d r e d 对s t u c k a t 故障模型的提出。但是到了2 0 世纪7 0 年代，c h e r r yh i l l 又提出了可测性设计这个概念，于是出现了内建自测试( b i s t ) 和扫描链的技 术。然后，那个阶段，可测性设计的使用只是局限在少数几个公司，例如，i b m 是第一个将移位寄存器应用在i b ms y s t e m 3 6 0 中来完成辅助测试工作的，但是 首个成熟的解决方案l s s d ，标志着可测性设计进入商业化，是i b m 于1 9 7 8 年 提出来的。再经过了十年的发展，可测性设计开始在工业界中逐步的推广，而 武汉理i ：人学硕十学位论文 同时可测性设计的工具也慢慢出现在设计人员的视野中，如h i t e s t 、c i r r u s 、t e s t d e s i g ne x p e r t 等等。到了2 0 世纪9 0 年代后，基于半导体工艺的发展，芯片的 设计变得非常的复杂，对可测性设计的使用更加的广泛，这同时又进一步促进 了可测性技术的发展，i e e e 标准化委员会陆续的完成了数模混和扫描技术、边 界扫描技术等几种标准的制定。在技术的推广促进了标准的制定的同时，标准 的制定也在一定程度上解决了各个集成电路制造商标准间不兼容的尴尬局面， 它们对测试工作的进步起到了重大的作用f 1 2 - 1 7 】【4 2 1 。 人们在电路的测试部分取得重大进步的同时，集成电路的集成度也越来越 高，而且更多的s o c 开始进入市场，而这些s o c 芯片大部分都是数模混合芯片， 在其性能、体积、性价比、功耗等等都优化到最大程度的时候，却也对测试工 作提出了巨大的挑战1 1 8 2 2 1 。 在数字芯片的测试方面，由于实际的工程应用和设计的理论都已经相对成 熟，而且可以利用的e d a 工具也很多，特别是当前研究特别热的f p g a 芯片， 其供应商也慢慢增加，这意味着价格也变得慢慢的便宜，更多的i p 核可以被测 试人员用在工程当中，其效能，远远高于基于s p i c e 模型的模拟测试方法【2 3 瑚1 。 相对于数字芯片测试工作方面成熟的理论和工程等方面，模拟的测试方法 还是以s p i c e 模型的测试方法为主，同时，模拟部分的测试对仪器的依赖也很 强，如何在这些方面降低成本变得迫在眉睫。 本文所研究的测试方法，采用数字测试方法中基于f p g a 的测试方法，同 时充分利用现有的硬件条件。具体来说，利用f p g a 芯片来产生满足芯片设计 需求的数字信号，从而取代数字信号发生器，在一定程度上缓解了成本的压力， 另外，基于p c b 板的测试方法，减少了对探针台的需求。 1 3 课题来源与论文结构 本课题所研究的内容来源于中国科学院深圳先进技术研究院所承担的2 0 0 6 年国家8 6 3 项目芯片芯片间高速高密度并行光互连关键技术研究相关子课 题。该项目要求主要采用边缘发射激光器和p i n 光探测器，实现可插拔高速高 密度光电收发模块。本文主要是对光互连的高速i c 芯片中的测试和验证进行相 关研究。 本论文的内容安排如下： 3 武汉理：r 火学硕十学何论文 第1 章分析论文的背景、研究意义、光互连技术的研究现状以及本文的主 要研究内容。 第2 章分析光互连芯片的功能实现过程，并基于这个过程的描述给出了测 试的指标，另外还给出了测试和验证的方案。 第3 章主要分析对于光互连芯片测试方案的实现，其中包括硬件设计、仿 真分析以及测试结果的分析。 第4 章分析了在验证方案中f p g a 部分的处理原理、协议分析、仿真结果 分析。 第5 章对全文进行总结，并指出下一步的工作方向。 4 武汉理t 大学硕十学 ： 7 ：论文 第2 章光互连芯片测试与验证系统分析 2 1 光互连芯片的测试参数分析 光互连芯片的系统框图如图2 1 所示： 0 坤叫m 0 出m 图2 1 光互连芯片系统框图 本论文涉及到的光互连芯片主要由以下几个部分组成：激光驱动器、激光 器、光媒质、光探测器、光接收部分。在发射端，为了使激光器工作在发光状 态，需要激光驱动器将输入的电压信号转换为电流信号，作为激光器的触发信 号。激光器输出的光信号，通过光媒质进行传播，其中，光媒质可以是光纤、 自由空间或者波导等，本设计采用的是光纤。光信号在光纤中传播之后，在接 收端被光探测器探测到，将光信号转化为相应的电流信号。光接收部分的主要 作用是将光探测器( p d ) 所输出的电流信号，再转换为电压信号，另外还需要 将其幅度放大到一定水平，满足后端处理对其需求的数字信号标准。电光转换 和光电转换是这个光通信过程中非常重要两个环节，在实际设计过程中的体现 即驱动器和接受器的设计，这两部分直接影响到芯片的性能好坏；但是，光耦 合在设计当中也是需要重视的问题，光源及光探测器都有一定的转换效率，在 进行电光转换和光电转换时，传播媒质与电路模块的接口部分设计会对个转换 效率产生重大的影响，另外，其传播距离受到限制，而要实现远距离的传输就 必然需要输入更大的电流信号，这会直接导致功耗过高的问题：而自由空问传 雌 仁k 武汉理1 j 大学硕十学位论文 输受到的影响因素更多，诸如发送与接受之间的障碍物、光的聚合性等等；而 光波导的设计能够将光的传输路径设计在p c b 内，使光电或电光转换模块与其 接口无须经过其他的材料或部件，而直接进行耦合，因此这种方式能够在很大 程度上提高电与光的转换效率，能够充分利用资源并实现低功耗的目的【1 1 。 在本项目中，对测试和验证的实现，均是基于发送端测试和验证发送 接收联合测试和验证的顺序。下面，针对8 6 3 项目的设计要求，测试的指标涉 及到发射和接收两个部分，接下来的内容就是对各个部分的具体指标进行详细 的描述。 2 1 1 光互连芯片发射部分测试参数分析 光互连芯片的发射端主要包括激光驱动器和激光器两个部分。由于本设计 采用的激光器是u m l 公司的v c s e l ( 垂直腔面发射半导体激光器) ，因此主要 的设计工作放在激光驱动器方面，而测试参数的关注重点也放在激光驱动器这 方面。 激光驱动器，从其原理来看，类似于一个简单的电流开关，与被数字前端 所定制的输入信号相关，激光器的输出光功率是所接收到的激光驱动器所输入 的电流信号的函数。而由于电流的波动，会很明显的带来激光器上工作温度的 变化。以此类推，在驱动电压上一个很小的波动，都能导致电流和输出功率的 显著变化。由于这个原因，加之电流开关的速度特性，激光二极管能够被电流 驱动。 因此，主要是通过激光驱动器为激光器提供恒定的调制电流和偏置电流， 并通过数字前端产生的串行差分电压信号，控制差分驱动器的开关，从而实现 驱动激光器发光的目的。所以，调制电流和偏置电流的设计将直接决定了所设 计的激光驱动器的性能的好坏，项目设计需求参数中，也很好的反应了它们在 这功能实现方面的重要性。 此次涉及到的激光驱动器依据设计要求，设计单片4 路传输的v c s e l 激光 驱动器；其特征指标参数值为2 m a 的偏置电流和8 m a 的调制电流，两个电流 均要求可调，以满足不同的激光器需求；实现2 5 g b p s 速率的传输；采用1 8 v 电源电压供电；接口采用l v d s 和c m l 兼容的形式；同时达到低功耗的目标。 具体要求见表2 - 1 6 武汉理：1 ：人学硕十学位论文 表2 - 1 发射部分设计目标 规格 目标值 速率 2 5 g b p s 电流 偏置电流 2 m a ：调制电流 8 m a ( 均可调) 功耗 8 0 0 m w 接口逻辑l ，d s 、c m l 通道四通道 在设计的初始阶段，会针对单通道进行分析，至于四通道的考虑，会在下 一阶段芯片的设计过程中增加个数字模块进行控制；一般来说，激光驱动器 的调制电流在2 m a 左右，调制电流不会超过8 m a ，本芯片的设计均大于这个范 围，是芯片的抗干扰能力更强；至于速率，是属于芯片设计的硬性指标，接口 逻辑的选择更多的体现了与市场规范的兼容性。 2 1 2 光互连芯片接收部分测试参数分析 接收端是本次设计需要完成测试的光互连芯片的重要组成部分，其作用主 要是将经光纤或者光波导传输，有了衰减和畸变后的微弱光脉冲信号通过光电 转换、放大以及后续处理转换为与发射端相同对应的数字脉冲信号。本文所谈 到的光互连芯片的结构图如图2 2 所示，主要包括：前端放大电路和后端的两种 放大电路单元。 2 5 g b p s 电流 3 m 一2 0 0 0 u a 功耗 2 0 0 m w 接口逻辑 u 矿d s 、c m l 通道单通道 在接收端的设计指标描述中，本文讨论的是单通道的内容，多通道是相应 数目单通道指标的累加。速率是和接收端相匹配的，是属于硬性指标；电流值 的设置，是根据市场上的激光探测器的参数，以及单位科研力量的能力来进行 调整设置的，接口扩及是通用方式；功耗比较偏大，这样易于在初期设计时， 降低难度。 8 武汉理f ：大学硕十学位论文 2 2 电路系统好坏的评判标准 2 2 1 光互连芯片发射端评判标准 从光互连芯片的发射端的设计要求来看，衡量其设计成功与否的几个重要方 面包括：抖动、误码率、衰减等几个方面。 抖动，是指在时间上的理想零位置左右产生的偏差，这会在水平轴线方向引 起眼图闭合。因此，将在信号相交的位置测量出的信号宽度作为抖动。通过测 量眼图的底部与顶部的传输时间也能够测量出信号的上升和下降时间。 误码率是数字通信系统中单位时间内错误码元数与发送总码元数之比。误码 越多，误码率越大。 衰减是指系统的接收端相对于发射端的信号幅度的减少，衰减越大意味着后 端的输入信号越小，后端的设计也更艰难。 经综合考虑光互连芯片的设计参数与衡量标准，本测试要求设计抖动容限在 2 0 p s ；误码率按照通用的工业标准来设置，确定其指标为不高于1 0 4 2 ；由于输 入端的幅度比较小，故衰减不能大于1 0 。 2 2 2 光互连芯片接收端评判标准 光接收机的技术性能指标是整个数字光纤通信系统技术性能指标的综合体 现。衡量光接收机性能优劣的主要指标是灵敏度、动态范围和时钟抖动。 光接收机的增益，是指输出信号相对于输入信号的幅度的比值。由于接收 机部分是有几种放大器组成，故其最终的增益是主要的测试指标之一，需要着 重关注。 抖动是通信系统的重要性能指标。为保持较小的误码率，判决时应选择最 佳的判决阈值，并在最佳的判决时间进行取样。而时钟的抖动将使判决偏离最 佳的判决时间，增加误码，这在电路系统的眼图中可以体现出来。 经综合考虑光互连芯片的设计参数与衡量标准，本测试要求设计抖动容限在 2 0 p s ；而增益要求在7 0 d b 以上；由于输入端的幅度比较小，故衰减不能大于 】0 。 9 武汉理i 大学硕士学伉论文 2 3 光互连芯片的测试与验证方案分析 综合接收端和发送端的评估标准，需要对芯片的三个方面进行考察，分别 为误码率、功率和眼图。 参考各种误码仪设计方案之后，基于前期研究的技术基础，选用f p g a 柬 作为误码仪设计的载体，而功率和眼圈都只能采用仪器进行观测。 考虑成本后，设计如下图所示的测试验证系统来完成所需要的测试功能。 由于所设计的光互连芯片的尺寸较小，超出了项目承担单位探针台的测试范围， 故需要依托所设计的p c b 来实现测试功能。其基本测试思路如图所示： 图2 - 3 光互连芯片的测试与验证系统 从总体光互连芯片的测试与验证系统来看，这个系统主要有两个组成部分， 一部分是光电测试板，芯片的一些直流特性等都是通过它去进行测试的；另一 部分是验证板，由它来产生高速的数字码流作为激光驱动器的输入信号，从而 通过示波器等方式柬观察所需测试芯片的具体性能。如果将测试板和验证板集 成在一块p c b 上，这样不仅增加了设计的难度，而且让排查错误的工作量大很 多，由于单位具备相应的些测试仪器条件，故本设计基于模块化的设计思路， 将测试板和验证板分丌束设计，这样将对直流特性和交流特性的分析分开，有 利于设计的实现。对于直流和交流的特性测试，分别如下面内容所讲。 武汉理l ：人学硕十学忙论文 2 3 1 光互连芯片的测试方案 光互连芯片的直流测试方案是基于光电测试板束实现的，其具体实现结构 系统如下图所示。 - - 图2 - 4 光互连芯片的测试方案 由于普通的芯片测试是通过探针台来测试的，而本设计的芯片由于尺寸比 较小，采用基于p c b 的方法来测试。由于信号速率比较高，这样容易带来信号 完整性分析的问题，因此需要详细的仿真、通过示波器的观测，以尽量减少由 于p c b 带来的误差，这是普通的通过万用表等测试方法所实现不了的。从测试 方案结构图可以看出，本测试方案基于信号发生器来产生光互连芯片的激光驱 动器输入信号，在接收端连接示波器通过将观测眼圈和各种仿真结果对比来 获取最终的测试结论，具体的实现方法在第三章中进行详细的说明。 2 3 2 光互连芯片的验证方案 在完成光互连芯片的测试工作之后，下一阶段的工作就是基于x i l i n x 公司 的f p c j a 芯片来完成对芯片的验证工作，本设计具体的验证系统结构图如下图 所示： 圈2 5 光互连芯片的验证方案 武汉理t 人学硕十学位论文 前面的总体分析的时候讲到，验证板的作用是产生高速的数据码流来作为 所测试光互连芯片激光驱动器的输入。在这个过程中，主要涉及到两个方面你 的问题，一个是基于f p g a 来产生高速的数据码流，这里面包含一整套基于f p g a 的丌发流程，具体有工程的建立、信号的优化等等内容；另一个问题就是高速 的信号完整性分析问题，由于高速的数字信号在时钟的上升沿跳变的速率很快， 这样带来的信号幅度的变化很大，随之而来的串扰、反射等问题会更严重。因 此，基于示波器来观测输出信号的过程有两个含义，一方面是了解验证板的p c b 信号完整性分析是否满足要求，另一方面是f p g a 的信号优化是否良好，当然， 前提是基于f p g a 的工程建立完成。基于f p g a 的具体开发过程的完成，是指 从存储器中将事先写入的数据读入到x i l i n x 公司的v i r t e x 5 系列的f p g a 芯片 后，经过一些特定的编码方式，例化一些高速的i p 核使输入码流实现倍频后的 输出，其输出信号通过示波器来观测，判断其是否满足要求，如果满足，则进 入测试验证联合开发过程。关于验证方案的具体实现方法，在第四章中将有详 细的描述。 2 4 本章小结 在本章中，对光互连芯片的结构进行了一个简单的描述，通过对接收端和 发射端功能的实现过程的讲解，对所需要的测试参数进行了相应的说明，从而 为后期的测试和验证方案的展开打下基础。另外，本章还对本文所讨论的光互 连芯片的验证测试联合方案用图形化的方式进行了讲解，并对采用这种手段的 必然性进行了论述，然后对工作中分阶段的内容，即光电测试板的功能及实现 方法、验证板的功能及实现方法等，进行了概述，具体的内容将在后续的章节 中进行详细的说明。 武汉理j f ：人学硕十学位论文 第3 章光互连芯片的测试方案 光互连芯片的测试验证系统第一阶段的工作就是对测试板的设计，从而完 成对光互连芯片的直流特性等内容的测试，进而对芯片功能有一个初步的判断。 本章将依照第二章中所描述的项目各项测试指标的要求，详细分析光互连芯片 的测试过程和测试板的设计。并与所完成的仿真工作，进行结果对比。 3 1 光互连芯片测试方案的设计 在第二章中对总体设计参数的分析，要求设计一个光互连芯片的测试平台， 其中，能为芯片的工作提供稳定的电压，另外，在系统高达1 2 5 g h z 的工作频 率下，能具有较好的电气特性，而不影响最终对芯片功能的j 下常判断。具体的 功能框图如下图所示： 图3 1 光互连芯片测试方案功能框图 其中，为了是芯片工作在直流工作点附近，需要外部电路为其提供1 8 v 的 稳压电源；而在芯片的发射部分，需要按照第二章所描述的内容，由外部提供 速率为1 , 2 5 g h z 的信号，作为激光驱动器的激励，通过激光器和机光探测器的 传输后，在接收端进行信号的相关处理之后，通过差分的接口模式输出，利用 示波器进行观察分析。具体的电路实现过程，如下面章节所述。 武汉理丁人学硕士学位论文 3 2 光互连芯片测试的发射部分外围电路设计 在激光驱动器的输入端，峰峰值小于8 0 0 m v 的差分信号作为激励，通过激 光驱动器的调制之后，为激光器提供相应的触发电流信号。发送端的激光驱动 器的信号提供、电源提供以及工作原理如图3 。2 所示： 图3 - 2 激光驱动器工作原理 该驱动电路的供电电压是1 8 v ，输入端的偏置电压是1 2 v ，输入差分信号 摆幅7 0 0 m v - 1 8 0 0m v 的范围。输出端为能激励激光器发光的电流信号。 因为测试条件的限制，没有办法对输出端的电流信号进行直接测试，所以 通过外加电阻接地把不可测量的电流信号转换成可测的电压信号。测试输出端 外围电路见下图3 3 ： i i 。? ? u 。馨； ，u q - - 盏； 1 一 c u e z 口- i i z 地l t 图3 3 输出端外围电路 如图中所示，在所测试的芯片的下部和上部一共有8 个1 8 v 的电压信号， 1 4 毒： a q ? 武汉理l ：人学硕十学位论文 分别对四通道进行供压，左路的四路八个差分信号，作为四通道的差分输入， 上端的其它几种信号作为控制信号，在下端通过外加的几个探头，来分别测试 输出逻辑电流、调制电流、偏置电流，右端的四路输出对应四通道的输出电流 信号 为了确保芯片正常的工作，需要再输出端串联一个电容用来隔断直流信号， 另外还需要外接一个接地的电阻，使输入的电流信号能顺利转变成电压信号。 在这次测试中，会拿测试结果和之前进行i c 设计时完成的各种仿真结果进行对 比，从而评判芯片的性能指标是否满足设计要求。 在这个测试方案中，由于需要1 8 v 的供电，经研究各种1 8 v 的电源芯片， 选用可以固定输出1 2 v 、1 5 v 和1 8 v 的，最大电流输出为5 0 0 m a 的l t 3 0 2 1 芯片来实现电压转换。l t 3 0 2 1 的具体作用是将5 v 的输入电压转换为本芯片的 工作电压1 8 v ，另外，它还具有对极低的等效串联电阻，很好的线性调整特性， 完全能满足本设计的需求。在这个电压转换芯片工作的过程中，为了调节输出 电压，还需要外加两个电阻，作为分压用。其次，l t 3 0 2 1 内部的电压反向保护、 电流限制、反向电流保护等等电路，对本设计的芯片供电起到了很好的保护作 用。具体的电路如图3 4 所示： 图3 4 电源模块电路 3 3 光互连芯片测试的接收部分外围电路设计 在前文中已有描述，接收端的电路结构为跨阻放大器和限幅放大器两个放 大器的串联，在之后的电路中还有一个高速的差分接口。其中，跨阻放大器接 收端的外围电路如图3 5 所示： 鹭 武汉理+ l j 人学硕十学位论文 图3 5 接收端芯片外围电路 从上图的左端电路可以看出，接收端的外围，利用一个接地的电阻将输入 的电压信号转换成电流信号，在通过一个电容将芯片的直流分量和测试设备分 开，在右端的输出电路同样的，也加上一个电容以隔断直流分量。 在高频信号的测试中，通常都会加上电容以隔断直流分量。在高频传输信 号的时候，这些直流分量，一般来讲，都是用作调制，供给例如晶体管等的开 启电压用的。但是在测试中，这些直流分量的存在，会使示波器等测试仪器无 法正常测试直流和交流，所以，在满足直流测试的精确度情况下，经常会尽量 想办法满足交流分量的测试精度要求，故在对直流和交流混合的信号测试时， 需要通过外接电容把直流成分滤掉。另外，高频测试的示波器接口通常只能承 受5 v 以下的低压，直流成分的加入很有可能在操作时和静电混合差生瞬间的大 电流，这种大电流经常成为烧坏测试仪器的原因。 3 4 光互连芯片测试的传输线设计 在高速信号传输的路径中，会有各种损耗，例如反射、串扰等等，它们都 直接决定了所传输的高速信号的质量。传输线的设计是关键。本待测芯片的传 输速率高达2 5 g b p s ，传输线传输信号质量的好坏，还直接影响到对芯片性能好 坏的判断。 本设计中，接收芯片和发送芯片的输入输出端都有单端和差分两种传输端 口，在阻抗匹配方面，选用单端阻抗为5 0 q ，差分阻抗为1 0 0 i f 2 的微带线。为满 足高速信号的传输要求，基板板材选用r f 4 ，经过仿真，其工作频率可以达到 1 6 武汉理r 人学硕十学位论文 本设计所要求的1 2 5 g h z 。 在进行高速板的设计方面，进行板层结构设计的时候，对传输线上所传输 信号的保护也需要重点考虑。一般来说，传输高速信号的线都走内层，而且周 围全部要敷上接地的铜，对于高速信号线的上下层均敷上接地的铜，可以起到 很好的屏蔽作用，这样对抑制串扰很有效。但是，一旦高速信号线走p c b 的内层， 这样必然需要再表层打孔，如果传输线不是很长，孔的存在，从几何结构带来 的电学特性的变化直接表现就是寄生效应越发明显1 2 3 之s l 。 根据测试需要，测试平台的板层结构定为4 层，第一层信号线，第二层g n d ， 第三层电源，第四层g n d 或电源。结构见下图3 6 ： s i n g n a l g n d p o 吧r g n d r f 4 r f 4 r f 4 图3 6 测试板p c b 分层示意图 一般，工程师对传输线的设计，只需要对p c b 设计时用到的相应的线宽、线 长和线距进行确定，其他的如表面绿油和微带线的厚度等，都是由板厂根据用 户的实际需求来加工的。 本设计中关于阻抗匹配的设计和相关参数的提取所采用的软件是p o l a r 公司 的s 1 9 0 0 0 ，p o l a r 是全球p c b 工业中控制阻抗测试系统( c r r s ) 的主导提供商， 其提供的软件在这方面具有很大的优势，而且为广大的p c b 工程师所采用。它利 用边界元法场解算算法所提取的r l c g 参数和双端口和差分的四端口电路的s 参 数，能快速而精确的绘制传输线的结构信息。 基于对传输线一些关键参数的设置，例如频率到1 2 5 g h z 等，利用软件计算 得出传输线的设计尺寸以后，直接利用c a d e n c ea l l e g r o 完成版图的绘制，版图的 设计如图3 7 ： 1 7 武汉理一人学硕十学位论文 图3 8s l w a v c 中的三维版图 从图中可以看出，s l w a v c 提取了各种电气元件的模型，包括电阻、电容、 传输线等的模型。另外，其模型是属十x 、y 、z 三维的模型，可以在本设计中 的多层扳仿真的时候提供更精确的定位。 圈勰勰 武汉理l ：人学硕十学位论文 在进行分析芯片输出端传输线对输出信号的影响情况的时候，在输出端的 传输线上加探头，分析系统在频率i g h z 3 g h z 范围内工作的情况，设置需要查 看的频点为1 0 0 个。仿真得到版图的网格划分模犁如图3 9 。 图3 9s 啪计算仿真的网格划分模型 在s 1 w a v e 的网格化模型后，可毗根清楚的从上图中看出，为了追求模型的 求解的更高精确性，软件自动在关键路径和物理器件多的地方分布更多的网格。 在确定这些后，需要完成对关键路径的s 参数的仿真。由于o u t p l 和o u t n l 这对差 分线的长度为最长。跟周围高速线的距离最短，故它的仿真结果最具有代表性。 本设计选取o u t p l 和o u t n l 差分对作为仿真的对象，仿真结果见图3 1 仉 图3 1 0 板上传输线的s 参数图 在描述本设计传输线的s 参数仿真图中，下面的线表示回波反射系数s 1 1 顶端的仿真曲线为插入损耗系数$ 2 1 。在图中，工作频率在1 g h z ，3 g h z 的是，s l l 都在- 2 0 d b 以下，这就说明由于阻抗的不匹酉己而带来的传输线豹反射很小，几乎 不足1 ，至于$ 2 1 的曲线中，口r 以看到枉1 g h z o g 范围内，其几乎均为0 ，这 武汉理。r ：人学硕七学位论文 也就说明传输线的损耗很小，输入信号基本全功率传输到了输出端。仅从仿真 结果来看，传输线的设计是成功的，至于实际的工艺偏差带来的后果，就不是 这里讨论的内容了。 3 5 光互连芯片测试结果分析 3 5 1 测试系统的仿真 在实际进行测试板的仿真的时候，设计人员所需要考虑的不仅仅是传输线 部分，那相当于是将发射端和接收端的d c 和a c 特性完全的理想化，而对仪器内 部电路对相关测试芯片的影响被忽略，这是不可取的，这里所说的全系统仿真 就是在传输线仿真的基础上，进一步加上相关测试仪器内部电路对传输信号质 量的影响。 对于测试部分来说，就整体信号传输，接收芯片和发射芯片两块的仿真工 作从内容上来讲是完全相同的，在测试系统的仿真部分，这里仅以发射端为例 来分析、接收端的理想状况如下表： ， 表3 1 接收端芯片的d c 特性 s y m b o l p a r a m e t e r t y p i c a lv a l u e u n i t i i na c c o u p l e 1 0 2 0 0 0 v d d1 8 1 8 vv o l t a g es o u r c e1 8v v s sg r o u n d0v 表3 2 接收端芯片的a c 特性 s y m b o l p a r a m e t e r t y p i c a lv a l u e u n i t v o u td i f f d i f f e r e n t i a lo u t p u t5 0 0 m v p - p i m p e d a n c e o u t p u ti m p e d a n c e 5 0 q i m p e d a n c eo u t p u td i f f e r e n t i a l 1 0 0 q b a n d w i d t h 3 d bb a n d w i d t h1 8g h z 从图中的参数可以看出，接收芯片的输出信号为直流分量为1 2 v ，交流峰峰 值为5 0 0 m v 的差分输出电压。为防止电路的直流工作点被拉