（电路与系统专业论文）数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着芯片规模的不断扩大，设计和制造过程中所产生的各种问题都导致芯片 测试的难度和成本越来越高，传统的测试模型和测试方法显得难以胜任，测试开 销急遽增加。在模拟及混合信号电路领域，由于电路形式及处理信号的独特性， 测试理论相对落后，使得测试难度更大。尤其是当前，s o c 系统设计和深亚微米 工艺都带来了新的问题，测试正逐渐成为设计的瓶颈，研究人员要花更多的精力 在如何降低测试成本上。测试和可测性设计的理论与技术已经成为v l s i 领域中 的一个重要研究方向，它们在理论和实践中都有十分突出的价值。 本文从集成电路基本测试理论和测试方法开始，逐步深入地对系统级模数混 合信号芯片的可测性进行研究。首先，对系统级芯片进行可测性分析，从基本的 故障模型开始，对故障的分类、故障模拟、测试向量生成及其算法等方面进行初 步的分析，然后对可测性设计进行深入的研究，包括专项设计、扫描设计、边界 扫描测试、内建自测试技术，并且使用f p g a 芯片实现了一个b i s t 的例子，其 包括测试向量发生器、被测内核和特征分析器。通过对被测内核注入故障，然后 对正常电路和注入故障后的电路分别进行仿真来说明b i s t 的正确性和有效性。 接着，对混合信号电路测试进行了专门的探讨，通过对模拟电路的仿真策略和混 合信号的仿真策略进行比较来说明混合信号电路设计和仿真的困难性，并且对用 来描述混合电路设计和仿真的v h d l a m s 语言进行介绍，指出用v h d l a m s 语 言来设计的基本流程和v h d l a m s 中扩展的新概念，同时也介绍了混合信号测 试总线i e e e l l 4 9 4 标准在v l s i 中的应用。本文最后介绍了d s p 测试混合信号电 路的原理，并且介绍了参与研发的基于d s p 的集成电路及p c b 板的智能混合信 号电路与系统测试仪的软硬件设计。总之，具有低廉的测试成本、尽可能高的故 障覆盖率和高度可靠的混合信号芯片的可测性设计方法将是系统级芯片进一步发 展的要求。 关键词：可测- 胜设计；混合信号测试；扫描测试：内建自测试 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e ，i n t e g r a t ec i r c u i ta n d s y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x t r a d i t i o n a lt e s tm o d e l sa n d t e s tm e t h o d sa r e n o tc o m p e t e n tf o rt h et i m e s r e q u i r eo na c c o u n to ft h eg i g a n t i ct e s te x p e n s e i nt h e f i e l do fa m s ( a n a l o gm i x e ds i g n a l ) ，d u et ot h ec i r c u i tf o r ma n dp e c u l i a r i t yo ft h e s i g n a l ，t e s tt h e o r yf a l l i n g b e h i n dr e l a t i v e l y e s p e c i a l l yp r e s e n t ，s o c ( s y s t e mo nc h i p ) d e s i g na n dd e e ps u b m i c r o np r o c e s sh a v eb r o u g h t t h en e wp r o b l e m t e s tw i l lb et h e b o t t l e n e c ko fd e v e l o p m e n to fs o cs y s t e m t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ft e s t i n ga n d t e s t a b l ed e s i g nh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o ni nv l s if i e l d ，a n di ti s m u c hm o r ev a l u a b l ei nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h eb a s i ct e s t i n gt h e o r ya n dm e t h o d ，a n dt h e ng e t sam o r e d e e pr e s e a r c hi n t ot h et e s t a b i l i t yo fs y s t e ml e v e lm i x e d s i g n a lc h i p f i r s t ，a n a l y s i so f t h es y s t e ml e v e lc h i pt e s t a b i l i t yi ss t a r t e df r o mt h eb a s i cf a u l tm o d e l ，a n dap r i m a r y a n a l y s i si sm a d eo nf a u l tc l a s s i f i c a t i o n ，f a u l ts i m u l a t i o n ，t e s tg e n e r a t i o na n da l g o r i t h m t h e nad e e p e rr e s e a r c hi sm a d eo nt e s t a b i l i t yo fd e s i g n ，i n c l u d i n ga dh o ed e s i g n ，s c a n t e s t ，b o u n d a r ys c a nt e s t ，b u i l d i ns e l f - t e s t a ne x a m p l ei sa l s op r o p o s e dt o d e m o n s t r a t e b i s tb a s e do nf p g a ，i n c l u d i n gm o d u l e so ft e s tp a t t e r ng e n e r a t o r , k e r n e lc i r c u i tu n d e r t e s ta n df e a t u r ea n a l y z e r t od e m o n s t r a t et h ec o r r e c t n e s sa n de f f i c i e n c yo fb i s t , af a u l t i si n j e c t e di n t oan o r m a lc i r c u i t ，a n dt h e nas i m u l a t i o ni sp e r f o r m e do nb o t ht h en o r m a l c i r c u i ta n dt h ec i r c u i tw i t hf a u l ti n j e c t i o n as p e c i a ld i s c u s s i o no nt e s t i n gt h em i x e d s i g n a lc i r c u i ti sp e r f o r m e d ，a n dac o m p a r i s o ni sc a r r i e do u to nt h es i m u l a t i o ns t r a t e g y b e t w e e na n a l o gc i r c u i ta n dm i x e ds i g n a lc i r c u i tt oi l l u s t r a t et h ed i f f i c u l t yi nd e s i g n i n g a n ds i m u l a t i n gt h em i x e d s i g n a lc i r c u i t a l s o ，a ni n t r o d u c t i o nt ot h ev h d l - a m s l a n g u a g ei sm a d e ，w h i c hi su s e dt o d e s c r i b em i x e ds i g n a ld e s i g na n di t ss i m u l a t i o n ， a n dt h ep a p e ri sa l s op o i n t e do u tt h eb a s i cd e s i g nf l o wu s i n gv h d l - a m sa n dt h e e x t e n d e dn e wc o n c e p to fv h d l a m s t h ea p p l i c a t i o no fi e e e l 1 4 9 4s t a n d a r do f m i x e ds i g n a lt e s tb u si nv l s ii sa ls oi n t r o d u c e d 。 a tl a s t ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em i x e ds i g n a lt e s tt h e o r yb a s e do nd s p t h ep a p e r a l s op r e s e n t st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ea u t ot e s te q u i p m e n tb a s e do n d s pw h i c hc a nb eu s e dt ot e s ti n t e g r a t e dc i r c u i ta n dp c bb o a r d i nc o n c l u s i o n ，t h e d e s i g nm e t h o do ft e s t a b i l i t y f o r m i x e d s i g n a lc h i pw i t hl o w e rc o s t ，h i g h e r f a u l t c o v e r a g ea n dh i g h e rr e l i a b i l i t yi st h ed e m a n do f f u r t h e rd e v e l o p m e n to fs y s t e ml e v e l c h i p k e yw o r d s ：d f t ；m i x e d s i g n a lt e s t ；s c a nt e s t ；b i s t 1 1 i 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，均己在文中以明确方式标明。本入完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：砂2 年7 月6 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 期：蒯年7 月6 日 期：川年7 月石日 硕士学位论文 第1 章绪论 i i 本课题研究的背景、目的 在2 0 世纪9 0 年代中末期，随着互联网的广泛普及，数字化、个性化、微型 化、低功耗的计算机、通信及消费电子相融合的产品已经成为全球性的发展趋势。 针对这新的一轮发展，集成电路除了要减少特征尺寸、提升工艺技术、增大晶圆 片的直径及完善封装测试的技术之外，更重要的是要改善乃至改变集成电路的设 计方法，以适应集成电路产品创新速度及设计效率的提高。这就是近年来i c 设计 产业发展的目标：系统级芯片s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 设计。 芯片技术的迅速发展得益于产业内部的细致分工，近年来出现的s o c 技术正 是芯片产业分工的体现。从芯片发展历史来看，2 0 世纪6 0 年代的芯片产业确切 地说应该是半导体产业，当时的厂家没有分工，所掌握的技术十分全面。到了2 0 世纪7 0 年代开始有了分工，半导体工艺设备和i c c a d 设备成为独立产业，以其 精湛的专业技术为芯片厂家提供高质量的设备。此时厂家可以有更多的精力用于 产品的设计与工艺的研究。到了2 0 世纪8 0 年代，工艺设备生产能力已经相当强 大，而且费用也十分昂贵，芯片厂家自己的设计己不足以供其饱和运行。因此开 始承接对外加工，继而由部分到全部对外加工，形成了f o u n d r y 加工和f a b l c s s 设计的分工。芯片产业的这一次分工，再加上i c c a d 工具发展为e d a 系统和大 批没有半导体背景的系统设计师提供了直接介入芯片设计的条件。由于系统设计 师来自国民经济的各行各业，因此使得芯片的作用也渗透到各行各业，开拓了芯 片的应用领域，扩大了对芯片的需求。2 0 世纪8 0 年代的这次分工是芯片发展过 程中的一次重要分工，极大地推动了芯片产业的发展。在这一时期，一般的f a b l e s s 都有自己的测试。随着芯片集成规模的提高和产品功能的增加，完成测试所需的 设备已经十分昂贵，到了以秒计价的程度，而且测试能力也非常强大，一个f a b l c s s 公司己不能使其饱满运行。到2 0 世纪9 0 年代，测试也成为独立产业分离出去。 到目前，测试方法的种类很多，从测试的目的来分有a t s p c c d 测试、功能测 试和结构测试、性能测试、老化测试等类型；从测试的内容来分有o n l i n e 测试 和0 i f - l i n e 测试、电平测试和电流测试、i d d q 静态电源电流测试等类型。各种 测试方法均针对一定特性的故障有效。常用的芯片测试方法包括功能测试和性能 测试两个大方向【卜4 】。在数字电路领域，功能和性能之间有比较清楚的界线，功能 指输入输出逻辑值之间的关系，即真值表，而性能基本上专指延迟时间和输出高 低电平值。相对性能而言，数字电路设计者通常倾向于追求功能的完美，测试的 数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 重点也在于检验真值表是否正确。而在模拟及混合信号电路领域，由于输入输出 信号幅值上的连续性，模拟及混合信号电路的功能和性能之间无法很好的割裂开， 尤其是电路性能包括很多方面，测试时必须同时通过这些检验才能保证电路的正 确性。目前，工业界常用功能测试法来对模拟及混合信号芯片进行整体测试，即 将预先写好的功能测试矢量输入自动测试设备( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，a t e ) 中，然后按预定程序依次输入芯片，根据芯片的输出来进行检验，由此来判断芯 片的好坏。对于近年来出现的数模混合系统芯片，其测试要求则更加全面，测试 难度也更大，虽然芯片中的模拟及混合信号电路部分的规模一般仅占整个芯片中 极小的部分，但是对该部分的测试难度却与其规模不成正比，甚至对混合信号电 路的测试难度要远远高于对数字部分电路的测试。 纵观半导体的发展历程，集成工艺一直按照摩尔定律发展，但每个晶体管的 制造成本呈现持续下降的趋势，它的单位功能制造成本以每年平均2 5 - - 3 0 的 比例下降，然而测试成本却以每年平均1 0 5 的比例提高。随着芯片上所含功能 块数目的增加，对最终产品的测试也变得越来越困难，花费代价也越来越高。根 据美i n t e l 公司总裁提出的测试摩尔定律，未来几年硅晶体管的硅投资成本将低于 其测试成本。芯片的测试成本占整个芯片研发费用的比重将会越来越大，甚至超 过前期研发的投入。p r i m e 研究集团报告称，2 0 0 0 年半导体行业在数字集成电路 和系统级芯片的测试仪器上的花费达到了4 9 亿美元，测试费用则更高。“按照国际 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 rs e m i c o n d u c t o r s ) 的研究，到2 0 1 4 年晶体管的测试成本要大于其制造成本【l 。3 】。对集成电路的测试 已经成为集成电路生产厂家一个非常重要而且非常关键的环节了。测试行业面临 着巨大的挑战，尤其是对于数模混合芯片的测试系统的要求提出了更高的要求。 集成电路制造商希望找到一种测试方法，既能确保产品高质量，又能使成本合算。 目前，数字电路的设计和测试技术已经很成熟了，尽管数字电子系统和数字 设计技术的应用领域相比模拟系统仍在进一步扩大，但许多电子系统仍然必须具 有模拟器件，这是因为客观世界的信号大多是模拟的，数字系统也可能要输出模 拟信号。由于通讯和消费类电子市场的迅猛发展，越来越多的数模混合信号的设 备被设计出来，各厂商推出的高集成度数模混合信号器件层出不穷，现在的系统 级芯片是在单个芯片上实现一个系统所需要的信号采集、转换、存储、处理和输 入输出( i o ) 等功能电路，是在单个芯片广泛采用预先设计好的知识产权( i p ) 模块，通过各种重用技术而快速开发出来的集成电路。系统级芯片的基本特征是 内嵌c p u 核和诸如d s p 之类的核心i p 、一定容量的存储器、强大的信号和数据 处理能力、具有片内操作系统和应用软件、采用软件硬件协同设计等。与传统芯 片相比较，系统级芯片具有更高的性能、更小的电路板的尺寸、更低的功耗、更 高的性价比、更快的上市时间等特点。这些设备主要用于多媒体，无线网络方面 2 硕士学位论文 和一些便携式数据系统。很多传统上使用模拟电路技术的应用现在大部分都被数 模混合电路技术所取代。当前，超过6 0 的集成电路芯片内包含有数模混合信号 电路，并且随着集成电路技术的进步，数模混合电路所占的比例还将进一步扩大。 随着技术的快速发展和市场竞争的加剧，电子产品市场寿命相对于开发周期 变得越来越短，测试对电子产品的上市时间、开发周期的影响将越来越大。所以 测试在整个电子产品的生命周期中是非常重要的。 在混合信号电路的生产和使用中，测试问题也至关重要。生产商发现大量数 模混合集成电路产品的成本主要来自于电路测试成本的影响，特别是模拟电路测 试占了测试成本的大部分。据国外报道称，在一个混合信号芯片内，仅占5 硅 片面积的模拟部分的测试成本已占整个芯片测试成本的9 5 。仅对模拟电路进行 测试或者仅对数字电路进行测试的产品和设备己经被广泛的生产和使用，但是， 对混合信号电路的测试面临诸多困难，因为混合信号电路是作为一个整体来测试 的，模拟部分和数字部分之间存在相互约束。现行的对数模混合电路的测试是建 立在对数字电路和模拟电路分别进行单独测试的基础上。 当前及未来越来越多的集成电路设计中包含了数模混合信号电路，而对混合 信号电路的测试在理论研究和工程实施中都比单纯的数字电路或模拟电路困难， 并且在高效和自动化的模拟与数字混合信号电路可测性分析方法这方面比较薄 弱。随着混合信号集成电路技术的迅猛发展和广泛应用，尽快开发出高效的数模 混合电路的仪器成为当务之急，并且相关测试问题已倍受国际学术界和产业界的 关注。为使我国的混合信号集成电路技术跟上日新月异的国际微电子发展的步伐， 开展相关测试理论与方法的研究不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的应用 价值。 1 2 国内外研究状况 过去的几十年中，数字电路测试发展较快，逐步经历了功能测试、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 ) 这样一个过程，其迅速发展 应当归功于s t u c k a t 故障模型的建立。s t u c k a t 故障模型是目前应用最为成功的 故障模型，具有简单、高效( 能够映射到多种故障发生机理) 、适用于多种工艺 的特点。1 9 5 9 年e l d r e d 提出s t u c k a t 模型，2 0 世纪7 0 年代c h e r r yh i l l 提出可测 性设计的概念，出现了s c a n 和内建自测试( b i s t ) 技术。但是那时的可测性设计没 有被广泛使用，应用只局限在几个公司内，如i b m 首先在其i b ms y s t e m 3 6 0 中 使用了移位寄存器来辅助测试，第一个商业化可测性设计的解决方案l s s d 是由 i b m 在1 9 7 8 年提出来的。到了2 0 世纪8 0 年代开始有了一些可测性设计的方法， 并逐步在工业界推广开来，也出现了一些可测性设计的工具，如c i r r u s 、h i t e s t 、 t e s td e s i g ne x p e r t 等。进入2 0 世纪9 0 年代以后，由于集成电路工艺的发展，集 数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 成电路变得异常复杂，可测性设计日益为芯片设计人员所重视，进一步推动了可 测性技术的发展，i e e e 标准化委员会相继完成了边界扫描技术、数模混和扫描技 术等几个测试问题的标准化工作【4 。5 】。这些工作在一定程度上缓解了集成电路测试 长期以来没有标准的窘境，对测试发展起了巨大的推动作用，使得更多的i c 厂商 采用可测性设计，有利于不同i c 厂商提供芯片的可测性设计能够集成到p c b 板 级和电路系统级以上，形成层次化的测试系统。 经过几十年的不懈努力，人们己经在电子电路的测试方面取得了很大的进展， 但是随着电子技术及其工艺技术的快速发展，出现了越来越多的s o c 。这些s o c 很大部分都属于混合信号芯片，其将数字电路模块和模拟电路模块集成在同一基 底上，在其体积、性能、成本、功耗、性价比等都达到最优的同时，却面临着混 合信号电路测试的巨大困难。目前，数字电路在设计理论和实际工程应用中都已 经非常成熟，可以利用的数字系统的e d a 工具有很多，特别是目前研究的热点 f p g a 芯片提供商也越来越多，芯片价格越来越便宜，越来越多的i pc o r e 可以被 使用，数字系统设计方法自顶向下，变得越来越简单了，远远先进于基于s p i c e 的模拟系统和混合信号系统。 与数字电路领域相比，模拟及混合信号电路的测试和可测性设计的发展则相 对落后的多，其原因有两个：一是模拟电路集成度低，发展的速度比数字电路慢， 使得模拟电路测试和故障诊断的研究缺少强有力的外在动力；另外一个很重要的 原因是模拟电路的测试和故障诊断远比数字电路困难，这是由模拟电路本身的特 性决定的【5 7 】。目前模拟电路的测试和故障诊断方法有很多，工业中应用最有效和 最广泛的是故障字典法( f a u l td i c t i o n a r y ) 。模拟电路测试和故障诊断可以依据被测 试电路的仿真是在实际测试之前还是测试之后，分为测前模拟诊断( s b t ， s i m u l a t i o nb e f o r et e s t ) 和测后模拟诊断( s a t ，s i m u l a t i o na f t e rt e s t ) 。测前模拟法 的典型代表是故障字典法。故障字典法既适用于线性电路故障诊断，也适用于非 线性电路故障诊断，但此方法一般只作单故障的诊断，在实际应用时几乎不可能 实现对多故障的诊断。测后模拟法又称为故障分析法或元器件模拟法，它包括元 件参数识别技术和故障证实技术，特点是在电路测试后，根据测量信息对电路模 拟，从而进行故障诊断。为了减少工作量，同时考虑到模拟电路元器件参数互相 影响问题，常采用网络撕裂法( 也称电路切割法) 来提高诊断的效率。神经网络、 专家系统、小波变换和p e t r i 网等在故障诊断中的应用也逐渐向工业应用接近。 数字电路部分的研究已经非常成熟，进入到了可测性设计阶段，通过在设计 的时候加入冗余电路来对设计进行测试，确保设计的可靠性并且提高故障覆盖率。 数字和模拟接口部分的电路，在测试和故障诊断方面有着特殊的要求，它的测试 是建立在模拟和数字测试技术相结合的基础上的。目前对于混合信号电路的研究 比较缺乏，一般都是针对具体的一类器件进行测试的研究，实用的通用实例比较 4 硕士学位论文 少见，没有进行大规模的商业化，其仍然面临着巨大的困难【s 。1 们。尽管很多研究 人员尽力试图把数字电路可测性设计方法的成功经验引进模拟及混合信号电路， 但由于电路产生及处理信号的特殊性，目前还没有形成具有代表性的故障模型和 以此为根据的可测性设计方法，1 9 9 9 年通过的i e e e 标准委员会的i e e e l l 4 9 4 标 准，虽然提供了一种与数字电路i e e e l1 4 9 1 标准相兼容的模拟及混合信号电路的 测试接口，但对可测性设计方法缺少设计意义上的指导，因此，模拟及混合信号 电路的可测性设计仍然无法形成实用的通用标准规范。目前所提出的各种模拟及 混合信号电路可测性设计方法，总结起来主要方向集中在针对电路专项功能和针 对电路一般结构这两个领域内。可测性设计的内容则根据不同研究人员所采用的 测试方法而不同，甚至同类型的电路之间的可测性设计方法也是不同的。 混合信号系统不管是在设计建模还是生产测试方面都十分困难。但一般的混 合信号电路都有十分相似的结构，可以用下面的图1 1 来描述混合电路这种相似 的结构： f 号输入 数字靠 数字电路模块 jlj 号输入 模拟电路 叫d a c 卜 模拟电路 模拟f 模块1 a t ”i - - i 帆l 模块3 号输入 模拟电路 模块- 2 图1 1 混合信号电路结构图 从图1 1 中可以看到，在同一个底片上集成的混合电路，其数字电路模块和 模拟电路模块一般在功能上是分开的，两者通过a d c 、d a c 电路模块进行接口 通信。所以对于此类混合电路采取的主要测试和诊断方式是通过把数字电路模块 和模拟电路模块分开进行单独的测试和诊断。 现有的各种模拟及混合信号电路可测性设计方法从各种角度可以分为不同种 类，如从测试内容分为基于结构和基于性能的可测性设计；从测试信号产生及检 测方式分为基于外置测试和内建自测试的可测性设计；从测试信号传输路径分为 基于总线、基于扫描路径和基于专用路径的可测性设计等。除上述类型可测性设 计方法外，常用的还有基于静态和动态电流测试的方法等【l l 1 2 】。 基于结构和基于性能的可测性设计方法是目前主要研究的内容。其中，基于 结构的方法由于容易对故障覆盖率进行量化计算并能得到较高的故障覆盖率，被 认为是今后发展的主要方向。但由于模拟电路信号有连续多值的特性，对模拟电 数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 路部分的测试不仅要考虑导致功能变化的严重故障，还要考虑导致性能变化的参 数故障，而目前的故障模型仍缺少全面性和实用性，因此对基于性能的可测性设 计的研究仍有相当大的比重。在测试信号传输路径方面，基于总线的方法较容易 实现标准化，因此应用前景较好。在测试信号产生及检测方面，内建自测试由于 可以大大降低测试代价，因此在超大规模集成电路( v l s i ) 匍j 造中必将得到越来越 广泛的应用。目前存在的各种方法均利用了附加可测性设计电路和相应待测电路 之间的特性关系，对待测电路性能都有影响，因而也都有其局限性。 我国数字电路的可测性设计在理论和实践上都取得了一定程度的成果【1 3 】，包 括测试向量生成算法和可测性设计软件等方面，但在模拟及混合信号电路的可测 性设计方面的研究则局限于对国际标准的理解的研究上。我国在故障诊断技术的 发展始于2 0 世纪7 0 年代末，虽然起步比较晚，但近年来发展速度较快，在某些 理论研究方面已和国外不相上下。目前，在一些特定设备的故障研究方面很有特 色，形成了一大批自己的产品。如西安交通大学的“大型旋转机械计算机状态监 测与故障诊断系统一，哈尔滨工业大学的“机组振动微机监测和故障诊断系统一 u j ，a m e c o 与民航大学合作的“航空发动机辅助动力装置( a p u ) 健康监视与故 障诊断系统一等。 本论文是基于数模混合信号芯片的可测性设计方法，针对s o c 测试中存在的 问题进行研究，其目的是为数模混合电路找到高效的可测性方法以及自动诊断的 测试系统。 1 3 本文主要研究内容 现在工业越来越多的集成电路设计中包含有数模混合信号电路，但是混合信 号电路的测试在理论研究和工程实施中都比纯数字或纯模拟电路困难。本文对混 合信号芯片的测试方法及其可测性设计进行了研究，分析了测试策略及测试方法， 重点研究了混合信号s o c 可测性设计方法且进行了仿真实践。最后结合湖南大学 电路系统测试技术研究所研制的混合信号电路与系统测试仪实现了对数模混合电 路的测试。本文结构和各章节内容安排如下： 第1 章：以可测性设计技术目前面临的困难为背景，分析了对数模混合信号 电路测试的重大意义，并对本文的研究内容进行了介绍。 第2 章：对可测性设计基本原理进行了阐述。首先介绍了可测性的基本概念， 以及通用的测试流程，然后分析了在不同抽象层次上对故障建模，以及故障注入 和模拟的策略及方法，研究了测试向量的生成算法，最后对测试结果的变换和分 析做了初步探讨。 第3 章：对可测性设计方法进行研究，包括专项设计、扫描设计方法、边界 扫描技术、内建自测试技术等。并利用f p g a 设计了一个b i s t 的硬件电路，通 6 硕上学位论文 过对正常电路和有故障电路进行仿真来证明了b i s t 的有效性。 第4 章：介绍混合电路的概况，对混合电路的仿真策略进行探讨，并对混合 电路仿真建模语言v h d l a m s 和混合电路测试标准i e e e l1 4 9 4 进行了介绍。对 基于d s p 的混合信号测试技术进行了研究。 第5 章：通过对混合信号电路与系统测试仪的研发说明如何进行混合信号的 测试。分析了混合信号电路与系统测试仪的测试原理，硬件结构框图和下位机核 心d s p 的软件总流程，介绍了混合信号电路与系统测试仪中d s p 和p c 机的通信 设计，包括通信协议的构成、通信软件和硬件的设计与实现，重点研究了硬件设 计、软件实现和测试原理阐述，并进行了具体测试，利用所得数据进行相关的分 析。 结论：系统地总结了本文的主要工作和研究重点，介绍了芯片测试的发展情 况，指出了数模混合信号芯片测试中有待解决的一些问题，为今后在本领域的进 一步研究指明了方向。 7 数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 第2 章系统级芯片可测性设计分析 2 1 可测性概述 2 1 1 可测性的发展 可测性的概念最早产生于航空电子领域。较早的航空电子设备的测试过程通 常采用以分析输入输出端口为主的“黑箱一方式进行。随着电子设备功能和结构 日益复杂，可靠性、维修性要求逐渐增高，“黑箱一方法己越来越难以满足需求。 为此，测试人员以更积极的方式介入测试过程，不仅要承担传统测试中激励生成 和响应分析的任务，而且要成为整个测试过程的主导者和设计者，通过改善被测 试对象的设计使其更便于测试即提高被测对象的可测性。 可测性这一术语首先由f l i o u r 等人于1 9 7 6 年提出来的，然而可测性设计的 必要性直至2 0 世纪7 0 年代中期随着集成电路设计的发展才逐渐被人们认识。目 前在一些重要的国际会议上，如国际测试会议( i t c ) 、国际设计自动化会议( d a c ) 等都有专门的分组会，此外在某些可测性设计领域已经形成了集成电路设计的有 关工业标准。可测性设计己经成为集成电路设计领域中的一个重要的组成部分。 可测性大纲将可测性定义为：产品能及时准确地确定其状态( 可工作、不可 工作、性能下降) ，隔离其内部故障的设计特性。以提高可测性为目的进行的设 计被称为可测性设计( d f t ，d e s i g nf o rt e s t ) 。实际上可测性设计就是通过增加对 电路中的信号的可控性和可观性以便及时、经济的产生一个成功的测试程序，对 芯片测试。 可测性问题包括两个重要的方面，一是要由原始输入信号来控制电路内某个 节点的电平值，以便激活故障和通路上的其他控制信号，这种特性叫做节点的可 控性；另一方面要建立某一条故障敏化通路，使故障能传输到可及输出端，以便 可以观察到故障信号，这种特性叫做可观测性。实际上可控性和可观测性所描述 的就是对产品进行测试时信息获取的难易程度。传统的“黑箱 功能测试方法的 根本缺陷就在于它难以获取有效表征被测对象内部状态的信息。可测性的关键技 术主要包括可测性度量、可测性机制的设计与优化、测试信息的处理与故障诊断。 可测性技术自出现以来，得到了迅速的发展，按可测性机制的特点及出现时 间，大体可以分为以下三个发展阶段： 1 第一阶段一一特定目标可测性设计( a d h o cd f t ) 阶段 以外部测试和特定目标可测性设计为基础，即针对特定功能和结构的电路板 进行可测性设计，判断其是否符合可测性要求，若不满足，通过改善电路的设计 方案来提高其可测性，直至满足要求。它主要采用外部测试方法，测试向量的输 8 硕上学位论文 入和测试响应的输出均通过被测设备的i o 端口进行操作，对被测对象内部节点 的控制和观测则采用以测试针床为基础的在线测试技术。 ， 目前，特定目标可测性设计已逐渐被其他的可测性技术所代替。尽管如此， 对于分离元件较多、复杂程度较低的电路而言，特定目标可测性设计方法仍然是 一种不可或缺的方法。 2 第二阶段一一基于扫描设计的结构化设计阶段 其主要思想是：从可测性的观点出发，对电路结构提出一定的设计规则，使 所设计的电路更容易测试。结构化可测性设计通常采用扫描设计的方法进行，有 多种具体的实施方法，包括：电平敏感扫描设计、扫描通路、扫描置位等。 3 第三阶段一一基于边界扫描机制的标准化设计阶段 从1 9 8 6 年1 9 8 8 年，以欧洲和北美会员为主的联合测试行动组织j t a g ( j o i n t t e s ta c t i o ng r o u p ) 率先开展了边界扫描技术的研究，提出了一系列j t a g 边界扫 描标准草案。1 9 9 0 年，i e e e 组织和j t a g 组织共同推出了i e e e l1 4 9 1 边界扫描 标准【1 4 】，其主要思想是：通过在芯片管脚和芯片内部逻辑电路之间，即芯片的边 界上增加边界扫描单元，实现对芯片管脚状态的串行设定和读取，从而提供芯片 级、板级、系统级的标准测试框架。边界扫描机制可以实现下列目标： ( 1 ) 测试电路板上不同芯片之间的连接； ( 2 ) 测试芯片及电路板的功能： ? ( 3 ) 应用边界扫描寄存器完成其他测试功能，如伪随机测试、特征分析、低 速静态测试等。 边界扫描机制提供了一种完整的、标准化的可测性设计方法。自从边界扫描 标准出现以来，市场上支持边界扫描机制的芯片及设计开发软件与日俱增，其应 用越来越广泛。需要指出的是，边界扫描机制适用于集成度比较高的电路，对于 集成度较低的电路而言，采用结构化可测性设计方法可能会得到更为优化的设计 结果。 2 1 2 可测性的度量 为了衡量数模混合电路故障诊断中某一组测试的有效性，有必要建立可测性 量度。可测性量度有多种多样，大都是基于灵敏度矩阵、图论及电路等理论。 数模混合系统的可测性的概念包括两个含义：一个实电路内的故障是否可以 在有限的激励下在有限的观察点实现检测或定位：另一个含义是如果某个故障在 理论上是可测的，但是产生检测或诊断这个故障的测试向量所需要的时间很长， 导致在实际进行时无法实现，或者检测这个故障需要在一个特定的控制点施加测 试信号，但实际上却无法做到，那么这两种情况也认为是不可测的。总的来说， 一个电路是可测的，则意味着在预定的经费开支和一定的时间内可以产生一个测 9 数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 试向量集，且可以实际予以评估和计算以及实际施加这些测试向量，以便完成预 定故障的检测或定位。一个电路中各个节点的可控性和可测性是不同的，为了科 学地评估它们，必须对它们进行量化，这就是所谓可控性和可测性的度量。不同 的量化方法就得到不同的度量方法。 对于一个有潜在缺陷的芯片，一个重要的问题是：测试要进行到什么程度。 因为测试要涉及到测试成本，测试向量生成难度等多方面的问题。评价数字电路 质量的一个衡量标准是故障覆盖率f ( f a u l tc o v e r a g e ) 。故障覆盖率f 的定义：对 于给定的故障模型，测试向量集能够检测到该类型故障数目与电路中可能存在的 所有该故障类型数目之比，用百分比来表示如下： f = 蒜篇燃枷。 亿t ， ，= 一x l i 儿- 7 nz i - 该电路所存在的故障总数一 、- 一7 相同的电路，不同的测试生成方法所产生的测试集的长度不同，故障覆盖率 也不同。高质量的测试向量集应该可以用尽可能少的测试向量检测出尽可能多的 故障。如果一个测试集的故障覆盖率达到1 0 0 ，则称该测试集为完全测试集。 但是1 0 0 的故障覆盖率并不能保证电路无故障，因为生成的测试向量集只是针 对所采用的故障模型所表达的失效进行检验，对其它没有包含进故障模型的失效 并未检测。对一个故障测试的质量进行评估，还必须考虑到测试周期、测试电路 的硅片面积开销、测试所需的附加管脚、测试向量生成的代价以及向被测电路中 插入测试逻辑而影响性能等成本因素，以便进行取舍，获得平衡点。 2 2 可测性设计通用测试流程 到目前为止，模拟及混合信号电路的可测性设计方法仍没有形成一个统一的 模式。各种可测性设计方法都针对不同测试方法中的某个( 或某些) 部分阶段提 出了降低代价的方法。从这一点上来看，建立可测性设计的通用模式可以从通用 测试流程中得到启发【l5 1 。 一个较完整的测试流程应当包括故障模型、故障模拟、结果分析等几个大的 组成部分，同时需要测试向量、工艺参数等外界资料输入。因此，可测性设计流 程中也应当由这些部分组成，针对不同部分提出不同的可测性解决方案，如图2 1 所示。 1 0 硕士学位论文 2 3 故障模型 无故障 网表 正常电路 仿真 1 一 生 正常电路 输出信号 故障表 故障模拟器 故障注入及模拟 故障电路 仿真 工 故障电路 输出信号 不同相同 图2 1 测试及可测性设计基本流图 2 3 1 故障及表现形式 电路中搿不正确 的原因有多方面，其表现形式也多样化。电路的失效是由 于某种原因使得电路不能正常工作。失效按其存在的时间可分为永久性失效和暂 时性失效。永久性失效通常是由于机械性破裂、磨损或错误的制造工艺等原因造 成；暂时性失效则是由于某种外部因素异常，如不正常的工作条件，引起电路暂 时性的失效，其不具有重复性。电路的缺陷指电路因物理方面的原因而改变了其 本来的结构，通常是制造加工条件的不正常或工艺设计有误等原因而造成电路不 正常的物理结构，例如引线的开路、短路等。 一般认为，工艺流程是造成芯片出现故障的主要阶段，故障出现的机理是干 差万别的，不同的工艺、封装给芯片带来的问题是不一样的。在工艺过程中所出 现的真实故障的种类有： ( 1 ) 结构故障：包括器件开、短路，连线开、短路； ( 2 ) 参数故障：电阻值、电容值、沟道宽度、长度等参数变化； ( 3 ) 匹配故障：电路中需要精确匹配的器件组之间的参数失配； ( 4 ) d e l t a 故障：其它的可导致电路发生变化的故障，从局部故障( 如寄生等) 到能导致电路结构发生较大变化的全局故障。 其中每种故障还能再细分，以短路故障为例，门电路输入端短路、输入端之 数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 间的桥接短路、输入输出端之间的短路等等，引起的失效结果会有很大的差异。 2 3 2 故障的分类及其故障模型 要测试分析集成电路，首先要建立集成电路的故障模型。用抽象的模型来表 示缺陷，这种模型就是故障模型。对电路的缺陷先建立失效方式，再映射到逻辑 级别和行为级别上，这就是故障建模。 故障的分类方法有多种。按照故障在电路中时间的长短分为永久性故障和暂 时性故障。按照电路中出现的故障数目，其可以划分为单故障和多故障。 在不同的电路抽象层上建立的故障模型也不同。例如，在寄存器传输级( r t l ) 建立的模型是固定型故障模型，它是数字测试中最流行的故障模型。而在晶体管 级，建立的故障模型是固定开路故障模型。还存在一些不适合任何抽象层次的故 障模型，例如静态电流( i d d q ) 故障等。以下介绍最常用的故障模型： ( 1 ) 固定型故障( s t u c k a tf a u l t ) 数字电路中广泛应用的一个故障模型是单固定故障模型( s i n g l es t u c k a t f a u l t ) ，它也被称为典型的( c l a s s i c a l ) 或标准的( s t a n d a r d ) 故障模型，是被研究和使 用的首个故障模型。固定在逻辑高电平上的称之为固定l 故障( s t u c k a t 1 ) ，记作 $ - a 1 ( 或s a l ) ；固定在逻辑低电平上则称之为固定0 故障( s t u c k a t 0 ) ，记作s a 0 ( 或 s a o ) 。单固定故障模型是一种限制性假设，在任何分析、评估或诊断中，假设同 一时刻只能存在一个故障。这一假设降低了分析的复杂性，使其应用极其方便。 如果一根以