（电气工程专业论文）集成开关电流电路测试技术研究.pdf

集成开关电流电路测试技术研究 摘要 开关电流( s w i t c h e dc u r r e n t ，s i ) 技术是2 0 世纪8 0 年代末提出的一门完全采用 数字c m o s 工艺技术的模拟取样数据信号处理技术，它利用m o s 晶体管在其栅 极开路时通过存储在栅极氧化电容上的电荷维持其漏极电流。开关电流技术不需 要线性电容和高性能的运算放大器，可与标准数字c m o s 工艺兼容，而且，它还 具有低电压、高速、宽带、小面积等优点，自问世以来就引起了国内外相关学者 的高度关注，并得到了较快发展。开关电流技术是继开关电容技术之后的一种新 的模拟取样数据信号处理技术，同时也是数字模拟混合集成v l s i 实现的一个重 要发展方向。 在开关电流电路的测试方面几乎是空白，现有的模拟电路测试方法并不适合 开关电流电路。目前有很少的关于开关电流测试的文献，讨论测试原理、过程以 及b i s t 和d f t ，如开关电流四乘幂滤波器振荡能力的测试方法，基于直流信号 的开关电流流水线结构a d 转换器的测试方法，利用改变时钟顺序将二分电路结 构重组为串连电流镜结构并将输入与输出直流信号进行对比的方法。提出的方法 都只适用于某一特定电路结构和只能测试部分电路功能或特定结构，对于参数性 故障或缺陷、估计信号的容差等都讨论不多。 本文分析和总结了已有开关电流测试方法，开发了开关电流非理想因素行为 模拟软件系统，研究了开关电流测试用故障模型，提出了几种测试理论，主要工 作包括： 1 系统研究了开关电流非理想特性，讨论了各类仿真工具在开关电流电路仿 真分析中的优缺点，提出一种基于s i m u l i n k 的系列行为仿真模型，可以在短时 间内在高级别对s i 系统进行行为仿真。模型考虑了调制器各种非理想因素， 如电荷注入误差、输入输出电导比误差、调整误差噪声误差等以及晶体管模型参 数与误差的关系。 2 研究了当前模拟电路测试的困难。针对开关电流电路的构成方式及全晶体 管结构特点，提出一种较为完整的故障模型，可用于多种测试方法。研究了m o s 管参数群组的方式并进行了实例分析。介绍了开关电流仿真软件a s i z 及其基本 功能及特点。 3 研究了开关电流电路的节点分析与基于跨导的灵敏度分析，可以在电路设 计过程中为设计的精确性提供优化的参数选择并对性能结果进行预测。针对开关 博士学位论文 电流电路的失配效应与电流定标误差引起的电路性能偏差，在给定的跨导随机误 差的条件下计算了绝对或统计偏差，进一步获得误差容限，可将其用于成品电路 的测试。对开关电流电路的失配效应进行了实例测试。 4 提出一种适用于开关电流电路的伪随机测试方法。讨论了伪随机测试技术 在开关电流电路中测试中的应用。对伪随机激励信号的产生及其与被测开关电流 电路z 域传输函数的适配进行了分析，论述了基于相关函数分析在性能空间到识 别信号空间中可接受容差空间进行容差范围映射的方法，以及测试技术的相对可 置信度分析。 5 提出了一种基于时域与频域中多尺度小波分分解及神经网络非线性映射 归纳的对模拟集成开关电流电路进行故障缺陷测试的方法。包括以下步骤：针对 典型故障情况，以选择的正弦信号作为激励信号，电路输出的信号在时域和频域 中分别采样作为神经网络训练样本；利用开关电流电路结构特性，采用群组灵敏 度分析选择确定测试缺陷点；为降低神经网络的复杂性，采用小波多尺度分解对 各类响应数据进行预处理，产生故障细貌后在输入神经网络；神经网络用于将不 同的缺陷响应结果分类、识别。测量待测电路的实际电压信号，将其输入训练好 的神经网络模型，完成故障测试与识别。 关键词：开关电流技术；滤波器；测试；伪随机；时域；频域； 小波分解； 神经网络 m 集成开关电流电路测试技术研究 ab s t r a c t s w i t c h i n gc u r r e n t ( s w i t c h e dc u r r e n ts i ) t e c h n o l o g yi s as i m u l a t i o ns a m p l i n g d a t as i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc o m p l e t e l ya d o p td i g i t a lc m o sp r o c e s st e c h n 0 1 0 9 y w h i c hh a sb e e nb r i n gf o r w a r db yt h el a t el9 8 0 s i tu s e sm o s t r a n s i s t o r st om a i n t a i n i t sc u r r e n tc a p a c i t y ，t h r o u g hs t o r a g et h ed r a i nc h a f g ei nt h eg a t ec a p a c i t a n c eo fi t s o p e ng a t es w i t c h e dc u r r e n tt e c h n o l o g yd o e sn o tr e q u i r es w i t c h i n gl i n e a rc a p a c i t a n c e a n dh i g h p e r f o r m a n c eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r sa n dc o m p a t i b l ew i t h s t a n d a r dd i g i t a l c m o sp r o c e s sc o m p l e t e l y i ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fl o w v o l t a g e ，h i g h 。s p e e d ， b r o a d b a n d ，s m a l ls i z e s i n c ei ta d v e n tr e l a t e ds c h o l a r so fh o m ea n da b r o a da r ea r o s e d h i g hd e g r e eo fc o n c e r n ，a n dh a sb e e nr e l a t i v e l yr a p i dd e v e l o p m e n t s w i t c h e d c u r r e n t t e c h n o l o g yi san e w s i m u l a t i o ns a m p l i n gd a t as i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yf o l l o wt h e s w i t c h e d c a p a c i t o rt e c h n o l o g y ，a sw e l la sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to f d i g i t a l a n a l o gh y b r i di n t e g r a t e dv l s ii m p l e m e n t a t i o n h o w e v e r ，c o n c e r n i n gt h et e s t i n ga s p e c t ，t h et e s tt e c h n i q u e sp r o p o s e df o ra n a l o g c i r c u i t sa r en o tr e a d 订ya p p l i c a b l et os ic i r c u i t s t od a t e ，l i t t l eh a sb e e np u b l i s h e do n t h et e s to f 钳c i r c u i t s l i t e r a t u r e sd e s c r i b er e c o n f i g u r a t i o no fs ib i q u a d r a t e sf i l t e r sf b r t e s t ，b u i l t i ns e l f t e s t ( b i s t ) s c h e m e ，d e s i g nf u n c t i o nt e s t ( d f t ) ，t e s t i n gm e t h o d s b a s e do nt h ed cs i g n a lp i p e l i n es t i c t u r ea ds w i t c h i n g c u r r e n tc o n v e r t e r r e s t r u c t u r i n go fc u r r e n tm i r r o rs t r u c t u r eu s ec l o c kc h a n g ea n dc o n t r a s tb e t w e e nt h e d ci n p u ts i g n a l sa n do u t p u t t h ep r o p o s e dt e c h n i q u e ss u f f e ro fb e i n ga p p l i c a b l eo n l y t os o m es p e c i n cs t 九j c t u r e s ，a n dt h e s em e t h o d so n l yu s ed ca n dl o w - f r e q u e n c y p a r a m e t e r sf o ri m p l i c i tf u n c t i o n a lt e s t i n g ，t h et o l e r a t er a n g ea n df a 订u r eo re r r o ri n p a r a m e t e r sh a v en o tb e e nd i s c u s s e d t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ee x i s t i n ga n a l y s i sa n dt e s tm e t h o d so fs w i t c h i n g c u 盯e n t c i r c u i t s ，d e v e l o p e d as y s t e ms i m u l a t i o ns o r w a r eo ns w i t c h i n gc u r r e n t n o n i d e a lf a c t o r s ，i n v e s t i g a t et h ef a u l tm o d e l0 fs w i t c hc u r r e n tc i r c u i t s ，s e v e r a lt e s t t h e o r yp u tf o n v a r d i t sm a i nt a s k sa r e ： 1 i n v e s i t i g a t e n o n i d e a lc h a r a c t e r i s t i c so fs w i t c h e dc u r r e n t c i r c u i t s s y s t e m a t a c i a l l y ，d i s c u s s e dt h es h o n c o m i n g so fv a r i o u ss i m u l a t i o nt 0 0 1 sf b r t h es w i t c h c u r r e n tc i r c u i ts i m u l a t i o na n a l y s i s ac o m p l e t es e to fs i m u l i n km o d e l sb a s e do n n o n i d e a lo fs w i t c h e d c u r r e n tc i r c u i ti sp r e s e n t e d ，w h i c ha l l o we x h a u s t i v eb e h a v i o r a l s i m u l a t i o n so fs w i t c h e dc u r r e n tt ob ep e r f o r m e d t h ep r o p o s e ds e to fm o d e l st a k e s i n t oa c c o u n t sm o s to ft h es im e m o r yn o n i d e a l i t i e s ，s u c ha sc h a r g ei n je c t i o ne r r o r s ， c o n d u c t a n c er a t i oe r r o r s e t t i i n ge r r o r k t cn o i s e ， a n dad e s c r i p t i o no ft h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e ne r r o ra n dp a r a m e t e r so fm o s f e ti sp r e s e n t e d 、 2 r e s e a r c ho nt h et e s td i f n c u l t i e so nc u r r e n ta n a l o gc i r c u i t ，a l m a ts w l t c h c u r r e n tc i r c u i tf o r ma n dt h ee n t i r es t r u c t u r eo ft r a n s is t o r s ，am o r ec o m p r e h e n s l v e t a u l t m o d e l i sp u tf 0 朋a r d ，w h i c hi sa p p l i c a b l ef o rm u l t i f o r mt e s tm e t h o d s c h o h o r tm o s p a r a m e t e r si ss t u d i e da n da n a l y z e di n i n s t a n c e t h eb a s i cf u n c t i o n sa n df e a t u r e so t s w i t c h i n gc u r r e n ta s i zs i m u l a t i o ns o f ! t w a r ei si n t r o d u c e d 3 s w i t c h e dc u r r e n tc i r c u i to nt h en o d a la n a l y s i sa n dt h es e n s l t l v l t ya n a i y s l s b a s e do nt r a n s c o n d u c t a n c ea r ei n v e s t i g a t e d ，w h i t c hc a np r o v i d ec h o i c ef o ro p t l m l z e d p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h er e s u l t s f o r e c a s ti nt h ed e s i g np r o c e s s b a s e d0 n m i s m a t c he f f e c ta n dc i r c u i tp e r f o r m a n c ed e v i a t i o ne r r o rc a u s e db yc u r r e n t s c a l l n g ， u n d e rt h ec o n d i t i o n so f s t a t i s t i c a le r r o ri sc a l c u l a t t ot e s tc i f c u i tp r o d u c t s g e d v e nt h et r a n s c o n d u c t a n c e r a n d o me r r o ra b s o l u t e o r f u n h e ra c h i e v et h ee r r o rt o l e r a n c e ，w h i t c hc a n b eu s e d 4 ab u i l t i np s e u d o r a n d o ms e q u e n c et e s t i n g f o r t e s t i n g e m b e d d e d s w i t c h e d c u r r e n tf i l t e r si s d e s c r i b e d t h eg e n e r a t i o na p p r o a c ho fp s e u d o 。r a n d o m s e q u e n c ea n dt h em a t c hf o rzf u n c t i o n so fs w i t c h e d c u r r e n tf i l t e r s i sa n a l y z e da n d c a l c u l a t e d b a s e do nt h ec o 盯e l a t i o n f h n c t i o no ft h ep e r f 0 r m a n c es p a c e t o i d e n t i f i c a t i o ns i g n a l ss p a c ea c c e p t a b l et o l e r a n c e ss p a c et o l e r a n c eo fm a p p l n g m e t n o d s i sd i s c u s s e d ，a n dt h er e l a t i v ec o n n d e n c el e v e lo ft e s t i n g t e c h n i c a ll sa n a l y z e d 5 c o m b i n i n gt h et i m ea n df r e q u e n c yl o c a t i o na n dm u l t i p l e _ s c a l ea n a l y s l s o 士 w a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) w i t ht h en o n l i n e a rm a p p i n ga n dg e n e r a l i z i n g o fn e u r a l n e t w o r k a ne f n c i e n td e f e c t o r i e n t e dp a r a m e t r i ct e s t m e t h o df o rs w i t c h e d c u r r e n t i n t e g r a t e dc i r c u i t si sp r o p o s e d i n c l u d et h ef 0 1 l o w i n gs t e p s ：s i n u s o l d a l i n p u tt o t h e a i l a l o gc i r c u i t sa ss t i m u l ia n di t so u t p u tw a ss a m p l e di nf r e q u e n c y a n dt 肌ed o m a l nt 0 c o l l e c tt r a i n i n gd a t af o rn e u r a ln e t w o r k c h o h o ns e n s i t i v i t ya n a l y s i s l sa p p l l e dt o r s e l e c t i n gt h et e s tm o d e l s t or e d u c ec o m p l e x i t yo f t h en e u r a ln e t w o r k ，t h ec o l l e c t e d d a t aw a sp r o c e s s e db yw tt o d f a w w a v e l e td e c o m p o s i t i o nt op r o c e s st h e f e dt ot h en e u r a ln e t w o r k ，s i m p l i f y i e n e r g yf e a t u r e s ，g e n e r a t ef a u l t f e a t u r e su s i n g r e s p o n s ed r a s t i c a l l yr e d u c e t h en u m b e ro fi n p u t n gi t sa r c h i t e c t u r ea n dm i n i m i z i n gi t st r a i n i n g v 集成开关电流电路测试技术研究 a n d p r o c e s s i n g t i m ef o r d e t e c t i n g h a r d - d e t e c t a b l e c a t a s t r o p h i c d e f 色c t si n s w i t c h e d c u r r e n tc i r c u i t s k e yw o r d s ：s w i t c h e dc u r r e n tt e c h n o l o g y ；t e s t ；f i l t e r s ；p s e u d o r a n d o m ；t i m e d o m a i n ； f r e q u e n c y d o m a i n ；w a v e l e td e c o m p o s i t i o n ； n e u r a ln e t w o r k s ( n n ) 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 氰青埠 日期：矽扩年乡月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： ，) 乖缘 日期：沙驴年么月罗日 飙硝多7 日 博士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着电信、多媒体、移动信息系统等市场的不断扩展，为提高性能和较小尺 寸降低成本，越来越多的混合信号( m i x s i g n a l ) 器件( 将模拟和数字电路集成到 单一芯片上) 被设计出来。电路设计技术己从以往的模拟电路设计技术转化为混 合信号电流路设计技术。尽管许多复杂的数字信号处理电路( d s p ) ，( 如音视 频压缩与解压缩技术) 已被广泛地应用，模拟电路仍在模拟信号处理及接口方面 保留，如：滤波器、采样保持电路、模数数模转换电路、锁相环电路、无线调制 与解调等。在离散时间模拟电路领域，由于开关电流技术适用于低电压、低功耗、 高频条件，无需浮地电容全面兼容c m o s 数字工艺，开关电流技术激发了越来越 多的兴趣【。另一方面也因为它存在一些弱点，而迟迟没有被广泛应用，很多技 术问题还处于探索和改进中，综观这十几年的发展，开关电流技术主要呈现出以 下几个研究领域。 1 基本开关电流存储单元性能的改进 由于开关电流电路具有失配误差、电荷注人误差( 时钟馈通误差) 、输出输入 电导比误差、调整误差、噪声误差等不理想性能，导致开关电流电路的应用受到 很大的限制，因此，如何改善基本开关电流电路存储单元的不理想性能就成为开 关电流技术研究领域中的一个重要课题。时钟馈通问题是影响开关电流电路性能 的最主要因素。近十年来，国际上的研究已出现了很多减少时钟馈通误差的技术 方案，它们包括算法存储单元1 2 】s 2 i 存储单元【3 。l ，零电压开关技术【6 l 、密勒电容 补偿技术【厶9 1 、误差反馈技术【1 0 】以及利用虚假补偿电路i d 5 】等 2 开关电流滤波器 由于开关电流技术不需要线性电容，可以适用于低电压，而且很容易模块化， 所以开发低电压、高性能、可编程、可综合的开关电流滤波器始终是开关电流技 术应用的一个重要领域，开关电流技术最主要的应用是在集成滤波器的实现 【1 6 五引。近年来，开关电流滤波器( s w i t c h e dc u 盯e n tf i l t e r ，简记为s i f ) 的研究迅速 发展，在模拟取样数据处理领域有着取代开关电容滤波器( s w i t c h e dc a p a c i t o r f i l t e r ，简记为s c f ) 的趋势。然而要真正将s i 技术赋之应用并转换为产品，必然 要经历一个不断完善的过程。自八十年代末期s i 技术被提出以来，很多文献中都 提出了用于s i f 设计的不同方法，这些设计方法概括起来有两大类：是以滤波 器的传递函数为对象的直接设计方法，具有代表性的是级联设计法和反馈设计法； 集成开关电流电路测试技术研究 二是以无源l c 梯形网络为对象的间接模拟法，包括元件模拟法和运算模拟法。 其中流行的是运算模拟法，就是用s i 技术模拟无源网络中的运算变量，如电感电 流、电容电压、节点电压、回路电流等。这类方法都是利用梯形网络在通带内灵 敏度最低的优点，其代表方法有信号流图模拟法、线性变换法、矩阵法、节点电 压模拟法等。然而，要真正实现高精度的s i f 设计，现实中还存在一些距离，还 需从理论上对s i 电路中非理想因素、改进电路技术以及低灵敏度开关电流滤波器 设计方法进行探讨与研究，这都将为s i f 的研制提供重要的指导作用和较高的参 考价值。 3 开关电流数据转换器 数据转换器是开关电流技术在模拟取样数据信号处理系统中又一个重要的应 用领域目前，在v l s i 系统中实现模数转换器有两种方法，一种方法是取样频率明 显快于奈奎斯特频率，然后采用数字信号处理完成转换，通常称之为过采样，另 一种方法采用模拟电路技术处理信号，其取样速率达到或接近奈奎斯特速率，称 之为奈奎斯特采样。开关电流奈奎斯特频率的刖d 转换器主要有两种结构，一种 是算法或循环a d c ，该技术采用二进制搜索执行模数转换，它的优点是可以采用 非常简单的硬件构成尺寸很小的转换器，主要缺点是其速度相当低，通常限用干 8 k h z 到1 0 0k h 的电话及音频应用1 2 4 1 ，低电压、低功耗是其发展的主要方向。 现已有不少的开关电流应用技术与综合工具正在研究出来，但至今为止，市 场上还没有出现可以商用的开关电流专用仿真工具。开关电容现在能得到广泛的 应用，除了它固有的技术优势外，也得益于有一套专门针对开关电容的c a d 工具， 为了进一步拓展开关电流技术的应用范围，使之真正成为可以和开关电容技术相 媲美的模拟信号处理方法，研究开关电流电路的非线性性能是必要的，这一部分 工作还在不断发展和完善之中，但在开关电流电路的测试方面几乎仍是空白。一 旦开关电流系统被设计和集成为复杂的混合模拟和数字系统后，就必须解决如何 测试得到的电路，这也是目前研究的一项重要课题。 1 2 模拟测试方法 现有的混合模拟电路测试方法并不适合开关电流电路。对于混合信号电路测 试，数字和模拟部分一般分开独立地进行测试。单一数字或模拟电路的测试处理 程序及其设备已经有了相当多的报道和应用。然而，制造商发现大批量生产混合 信号芯片时测试成本特别是模拟电路部分的测试成本影响很大。由于绝大部分混 合信号电路中的模拟电路都是用于模拟信号处理和接口，它们的可利用率就非常 低，因此，添加额外专门用于测试的引脚问题就成了测试模拟电路部分十分严峻 2 博士学位论文 的问题。 测试( t e s t i n g ) 和故障诊断( f a u l td i a g n o s i s ) 是混合信号电路设计与维护的 两个重要的方面。测试是从所有正常电路中区分故障电路，故障诊断是从电路中 区分故障的成分。因此，测试是在电路中检测故障，而故障诊断是检测和定位故 障。如果一个电路能在大规模生产前的表征设计时发现故障，这对寻找故障原因 非常有利。如果故障被证明和定位，电路就可以重新设计避免一般的故障产生。 测试和故障诊断算法已经在数字电路中成功发展应用，然而由于缺乏故障资 料、连续特性以及容差成分，模拟电路的测试与故障诊断被认为是非常困难的课 题。模拟电路测试的困难缘由于模拟电路自身的特点，其挑战性问题是无法进行 精确的计算或测量，电路具有一定范围容差，有限的测量方法，非线性特性等。 即使是一个线性电路，电路参数相对于正常值的偏离也会造成元件变化值与电路 相应值之间的非线性关系。当前流行的s o c 技术，电路的复杂性急剧地增长而测 试可达到性却大大地降低了。现在仍缺少故障模型可以建立故障覆盖与电路性能 的有效联系，仍然急需开发针对模拟仿真的快速有效的计算算法。 现代封装技术完全限制了传统的探针检测模拟电路的应用，随着芯片单位面 积器件数目的增加，为测试单独提供额外的i o 管脚已经不现实。模拟集成电路的 测试已经成为一项极为困难的工作。部分文献f 2 孓3 3 1 提出了一些算法如：预测试模 拟技术、多测试矢量定点模拟技术。多测试矢量定点模拟技术多用于数字测试， 特点是采用最小化在线计算结构。故障诊断就是基于一系列输入激励下获得的测 量数据来进行，每次设定其中一个器件出现短路或开路故障，而其他器件都是正 常的。然而，由于加工工艺的多样化，每个器件值都有可能偏离标称值，因而测 量的值不一定会与故障字典的值一一对应。如果故障测量的结果不能清楚地与正 常电路值区分开，这种方法就是不适宜的。也就是说这种技术成功与否取决于能 否选出与正常电路正确区分的故障信号。 半导体制作技术的迅猛发展使得在单一芯片上集成极大数量混合信号电路成 为可能。一个基于混合信号的数字信号处理芯片，其需要的模拟和混合信号部分 是a d s 、d a s 、p l l s 、o p - a m p s 、和滤波器。电路的复杂性极大地降低了芯片电路 的可控制和可观测性。d e s i g n f o r t e s t a b i l i t y ( d f r ) 和b u i l t i n s e l ft e s t ( b i s t ) 技术已 经成功地在数字电路中引入、发展，提高其可测性。最近，这两项技术延伸到混 合信号电路中提高它们的可控制与观测性。 从概念上讲，可测试性是指在电路内部节点上控制、观测信号的能力混合信 号电路芯片中的数字和模拟电路模块是分开独立进行测试的，每一个模块由一个 3 集成开关电流电路测试技术研究 扫描路径独立开【3 4 ，”】。一个采用数字移位寄存器( d s r ，d i g i t a ls h i rr e g i s t e r ) 的 扫描链加在a d c d a c 以及d s p 内核之间的接口电路上，每个寄存器连接到一个节 点进行读存，扫描链允许数字测试数据并行地加载到寄存器并串行输出。模拟移 位寄存器( a s r ) 能通过s c 或s i 的采样保持( s h ，s a m p i r h o l d ) 电路实现电压或 电流测试数据测量。应指出的是由采用s c s i 的a s r 中运放的偏值电压产生的误差 将会被累计储存。这又推动了另一种消除这种误差可选择的结构的发展一一模拟 多路复用器( a n a l o gm u l t i p i e x e r s ) 。将模拟输入输出结合到模拟多路复用和分离 器的设计概念扩展了模拟测试总线的发展【3 引。 考虑可控制与观察性，故障覆盖率( f a u l tc o v e r a g a ) 是一个数字测试中非常 重要的测试指标。与大量的故障查询不同，模拟电路测试的故障覆盖率概念是： 确保即将应用的正确性能，有多少需要测试的参数。问题转换为应该测试哪一些 参数。实际上模拟电路有许多参数测试，但只有一部分，可称为关键参数( c r i t i c a l p a r a m e t e r s ) 会显著影响电路的行为。这些参数变化产生的错误将会产生一个系统 故障。因此必须研究参数变化与系统故障的关系，列出关键参数。 模拟电路的内建自测试( b u i l t i n s e i ft e s tb i s t ) 技术、策略及对象源于数字 电路并已在i c 级取得成功，正在逐步向磁心存储器( m c m ) 集印刷电路板( p c b ) 级努力- 。但这些在模拟电路中应用很少。随着设计复杂性的提高，越来越多的混 合信号设计受到重视。内建自测试技术将很快成为提高混合信号电路测试，随之 而来的问题是通用模拟芯片需要什么样的故障标准，什么样的b i s t 技术是这种器 件的故障检测所需要的，对于已有的测试技术与方法那些测试对象能够被内建。 特别是模拟电路b i s t 技术应该能够逐步延续到i c 、p c b 以及系统，而且应当与电 流数字b i s t 技术协调兼容。 一些关于在线( o n 1 i n e ) 和离线( o f f - l i n e ) 测试提高模拟电路可测试性和故障 诊断力模拟b i s t 结构已经报道【3 7 。4 5 1 。一个b i s t 结构有五个部分组成：被测电路、 ( u u t ) ，测试产生器( t e s tg e n e r a t o r ) ，输入多路复用器( i n p u tm u l t i p l e x e r s ) ，输 出比较器( o u t p u tc o m p a r a t o r ) 以及时钟电路( t i m i n gc i r c u i t r y ) 。两个额外的 引脚：测试使能端( t e s te n a b l e ) 和故障指示端( e r r o ri n d i c a t o r ) 。这种结构基于 d ac o n v e r t e r 和dc o n v e r t e r 技术，使用一种虚拟工具( v i r t u a l i n s t r u m e n t ) ，具 有良好的数字结构，来产生测试输入，测量相应输出，比较输出结果，不需要实 际的工具。采用适当的综合方法，绝大部分电路进行完全测试只需要一个专门的 测试频率( t e s tf r e q u e n c y ) 和采样点( s i n g l es a m p l e dp o i n t ) ，而且许多测试产生 器产生的测试频率同时可以用于多个被测电路，从而降低制造测试产生器的硬件 成本。这些指导我们开发一种可测试的综合方法，提供一系列参量值以最小数目 4 博士学位论文 的测试频率和采样点完成完整的测试，并提出要产生的通用测试频率。一种基于 统计规律设计概念的可测试性综合方法已经报道，目标是寻找约束空间，一些在 此空间选取的参量值通过最小数目的测试频率和采样点完成完整的测试。 1 3 开关电流电路测试 由于在主要包含数字信号处理及控制模块的复杂的混合信号集成电路中，模 拟一数字接口一般趋向于合并为一个单元，使用同一个电源，这样消除了使用d c d c 转换器构成多重电源的必要性，大大的降低了整个系统的成本【4 6 1 。因此为 了兼容低电压系统，模拟信号处理部分必须能在2 3 v 的电源电压下运行。降低 功耗以及相关联的高速样与量化也是关键因素之一。 传统上，开关电容技术曾广泛地应用在混合信号设计的模拟接口部分【4 7 l ，然 而，s c 电路并不完全兼容数字c m o s 工艺技术，而且随着其技术的进一步发展， s c 技术的缺陷也越来越明显【4 引。开关电容技术需要高质量的线性电容来存储电 荷，这种电容通常是用两层多晶硅来实现的，然而，随着深亚微米工艺的发展， 开关电容所用的第二层多晶硅对于纯数字电路是不需要的。另外，向深亚微米工 艺发展的趋势还导致电源电压减小，直接减小适用于开关电容上的最大电压摆幅， 因而减小它们的最大可达动态范围，同时，电源电压降低，实现高速高增益的运 算放大器也将变得更加困难。 开关电流技术采用电流而不是电压作为媒介的模拟电路因而受到重视。由于 漂移电感( s t r a v i n d u c t a n c e ) 的影响在低电抗的s i 电路中远比在高阻抗的s c 电 路中要小【4 9 巧0 1 ，电流模技术在提高速率方面更有潜力。s i 技术较好的兼容低尺寸 c m o s 技术，这样晶体管就具有很高的截止频率，也就意味着高速。另外，高线 性电容也不需要了。因此混合信号电路中的模拟部分可以采用与数字部分相同的 低成本数字c m o s 工艺通过s i 技术来实现。 在开关电流电路的测试方面，现有的模拟电路测试方法并不适合开关电流电 路。目前有极少的关于开关电流测试的文献，讨论测试原理、过程以及b i s t 和 d f t ，主要是以下几种： 如g e t a y l o r 等提出的一种对开关电流四乘幂滤波器振荡能力的测试方法 【”，5 2 】，由于开关电流基本上是一系列电流镜存储单元构成的电流模结构，根据其 工作原理，电荷从第一个存储晶体管的栅源电容传输到下一个存储晶体管，电路 中任何一处出现的故障都应顺序地通过电路，因而可以在输出端观察到。 集成开关电流电路测试技术研究 w a n g 和、e y 提出一种基于直流信号的开关电流流水线结构a d 转换器的测试 方法，可以有效降低测试时间【5 3 】。但嵌入电路中的器件参数失配会产生新的偏移 电压影响测试精度，需要采用片外高精度电阻进行调节 s a e t h e r 等提出一种利用改变时钟顺序将二分电路结构重组为串连电流镜结构 并将输入与输出直流信号进行对比的方法【5 4 】。这种方式仅适用于特殊的二分电路 结构，时钟的正确转换也是一个相当复杂的问题。 m r e n o v e l l 提出一种b i s t 方法适用于使用相同开关电流存储单元的电路 【5 5 】。在电路内部插入单独的测试时钟电路，并对级联电流镜的输入与输出直流信 号进行比较。 上述方法都只适用于某一特定电路结构和只能测试部分电路功能或特定结 构，对于参数性故障或缺陷、估计信号的容差讨论不多。 1 4 主要研究工作和论文结构 本文对开关电流电路测试方法进行了系统而深入的研究，提出了开关电流非 理想特性行为分析方法，建立了开关电流电路故障模型，提出了新的开关电流电 路测试方法并进行了了验证。 论文的主要研究内容和结构安排如下： 第一章，首先对开关电流技术的背景及应用前景进行了阐述。然后对混合模 拟电路测试基础理论进行概要介绍，特别是当前混合模拟电路测试的主要困难。 随后介绍了开关电流电路测试技术当前的现状。在介绍了国内外对开关电流技术 的基本理论以及测试方法等方面的研究现状后，提出了本文的研究内容和对象。 最后，给出了本文的主要结构和创新点。 第二章，提出了一个完整的m a t l a b s i m u l i n k 模型，可以对开关电流电 路进行时域仿真与频域分析。模型考虑了开关电流主要的各类非理想因素如时钟 馈通、输入输出电导比、设置调整及噪声等。电路设计参数可以有效地映射到仿 真模型因而可以准确的评估电路性能。以两种s i g m a d e l t a 调制器为例对仿真模 型并与实际设计进行了比较验证。 第三章，对开关电流电路故障模型进行了讨论，综合各类m o s 晶体管故障 类型及特点，建立了开关电流电路测试用故障模型，该模型包括三个端点短路、 开路及参数故障模拟，可用于多种测试方法。介绍了开关电流仿真软件a s i z 及 其基本功能及特点。针对开关电流电路全晶体管结构特点，研究了m o s 管参数 6 博士学位论文 群组的方式并进行了实例分析。 第四章，研究了失配效应与电流定标误差引起的电路性能偏差，研究了开关 电流电路的节点分析与基于跨导的灵敏度分析，它可以在电路设计过程中为设计 的精确性提供优化的参数选择并对性能结果进行预测。在给定的跨导随机误差的 条件下可以进一步计算出绝对或统计偏差，从标准曲线加上或减去偏差就可以获 得误差容限，可将其用于成品电路的测试。 第五章，提出一种适用于开关电流电路的伪随机测试方法。讨论了伪随机测 试技术在开关电流电路中测试中的应用。通过适当算法处理随机模式信号，d u t 的脉冲响应可以建立起来并产生识别信号。通过检查对比获得的识别信号与器件 的容差范围可以推断d u t 的正确性而不需要测量其性能参数。这是伪随机测量 的基本原理。本章还讨论了对于伪随机测试信号与被测电路的参数适配性计算， 论述了基于相关函数分析在性能空间到识别信号空间中可接受容差空间进行容差 范围映射的方法，以及测试技术的相对可置信度分析。以切比雪夫响应( o 5 d