一种有效的ADC内建自测试方案

1、一种有效的ADC内建自测试方案 一种有效的ADC内建自测试方案吴光林胡晨李锐（东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京210096） 摘 要：内建自测试是降低ADC电路测试成本的有效方法。通过最小二乘法和斜坡柱状图，我们得出了测试ADC电路的增益误差、失调误差、微分非线性和积分非线性的算法。根据这些测试算法，介绍了一种易于片上集成的内建自测试结构。实验结果表明，该内建自测试方案具有较高的测试精度。关键词：AD；测试算法；内建自测试 在当前，超过60的集成电路芯片内包含有混合信号电路1，这些混合信号电路通常是AD变换器和DA变换器，因此测试AD、DA电路显得越来越重要。然而测试数模混合

2、信号电路并不是一件容易的事，这主要是由于模拟集成电路没有像数字集成电路那样广泛接受的故障模型，目前也没有像数字集成电路可测性设计那样有成熟的可测性设计工具支持。过去几十年，人们在对数模混合信号集成电路的可测性设计研究中，提出了测试AD电路参数的各种算法2，3，在这些算法的基础上，提出了各种各样的内建自测试（BIST）结构，如芯片内同时含有AD、DA的内建自测试结构4，5、基于DSP的内建自测试结构68，显然上述测试方案只能对芯片内同时存在AD、DA或者芯片内集成有DSP的数模混合信号电路的可测性设计，而对于芯片内只有AD或者DA电路的可测性设计就显得无能为力。本文提出的测试AD电路的测试算法能

3、给内建自测试电路带来简化，能够测试独立的AD电路；开发的全数字的内建自测试结构易于片上集成，对被测试电路干扰小，占用芯片面积小，测试精度高。1测试算法AD的输出信号是一些离散的数据点，这些离散数据点的最佳逼近曲线能通过最小二乘法得到。如果AD的输入信号是过原点的斜坡信号，则理想AD转换器输出离散数据的最佳逼近曲线也应该是一条过原点的斜线，并且斜率应该和输入信号的斜率一致，这样通过实际求得的最佳逼近曲线和理想斜线相比较就能得到AD转换器的失调、增益、微分非线性和积分非线性。值得注意的是对于特定斜率的输入的斜线，理想AD转换器输出每个数据点出现的次数应该是一常数，而我们只取这些数据的其中一次来做最

4、佳平方逼近。下面推导最佳逼近斜线yabt的系数a、b的值，从而得到AD转换器的失调、增益；再根据记录两个相邻代码的转换时间得到微分非线性和积分非线性。AD转换器的输出离散数据为y1 y2yi yi1yn，总共的转换时间为tn，yi到yi1的转换时间为ti，利用最小二乘原理有。式（1）通过一个简单的二维矩阵运算就得到最佳逼近斜线yabt的系数a、b的值，其中失调为a，增益为b。按照微分非线性的定义8，第i个代码的微分非线性为其中为平均每个代码的转换时间，t1为第i个代码的转换时间。按照积分非线性的定义8，第i个代码的积分非线性：2内建自测试（BIST）结构本文提出的内建自测试结构如图1所示，包括

5、激励产生电路、控制逻辑和响应分析电路，它突出的优点是采用全数字电路的BIST结构，没有DA转换器和DSP模块。下面具体分析BSIT结构的激励产生电路和响应分析电路。21斜坡信号产生电路用于测试AD转换器的激励信号通常为斜坡信号和正弦波信号8，对于斜坡信号来说，应具有线性好、线性范围宽和信号变化缓慢。对于激励信号产生电路来说，应具有对被测电路干扰小、占用芯片面积小、易于片上集成和自身易于测试等特点。根据这些特点，人们对于激励产生电路的一致的观点是在激励产生电路里尽量少用模拟电路9，这是由于模拟集成电路随工艺变化大，难以测试，而数字电路随工艺变化不大，并且有现成的可测性设计工具支持。本文提出的激励

6、产生电路如图2所示，它包括一个PMOS管、RC网络和一个产生时钟的控制器，它是一个全数字的斜坡信号发生器，易于片上集成，占用芯片面积小，对被测试电路干扰小，电路自身也易于测试。图3给出HSPICE模拟激励电路的波形，由图可见所产生的斜坡信号在0120s都有很好的线性，适于测试满量程为3 V的AD转换器电路。通过调节RC网络和时钟信号可以测试满量程更大的AD转换器，另外通过调整斜坡信号的斜率来提高测试精度和更好地使激励信号适于AD转换器的转换速率。 22响应分析电路对于AD转换器输出的离散数据，需要对其进行存储，然后进行分析运算来得到需要的失调、增益、微分非线性和积分非线性等参数。如用柱状图测试

7、AD的BIST结构3，10。由于在计算失调、增益、微分非线性和积分非线性时需要大量的运算，因此现在大多采用DSP模块作为AD转换器的响应分析电路，显然它对于芯片内本身含有DSP模块的AD测试是可取的，然而对于单独的AD转换器的测试，如果仍然采用DSP模块做响应分析电路，将占用芯片大量面积，增加生产成本。本文提出的响应分析器包括定时器、代码索引单元和数据运算单元，定时器主要用于记录相邻两个代码的转换时间，代码索引单元用于存储AD转换器输出的离散数据点和存储相邻两个代码的转换时间，数据运算单元对存储单元里的值的运算得到增益、失调、微分非线性和积分非线性。与柱状图的BIST结构相比上述响应分析结构需

8、要存储的输出数据量减少，运算更简化，不需庞大的DSP模块就能完成响应分析。3模拟结果采用8位AD转换器的Matlab模型和BIST电路的Matlab模型进行实验，可得出失调、增益、微分非线性和积分非线性分别如下图4、5、6所示。值得注意的是在求失调和增益时，只取输出数据点其中一次来做最佳平方逼近。以上内建自测试方案的测试精度（Taccy），包括AD转换器自身的量化误差和输入斜坡信号的非线性误差如下式。 其中：转换器自身量化误差；为斜坡信号的非线性误差；时间A/D转换器的转换次数；yi为理想输出直线第i点的值；（abxi）为逼近直线第i点的值。通过调整输入斜坡的斜率能够减少量化误差，增加输出数据

9、点可减少斜坡信号的非线性误差，结果测试的精度能控制在5LSB之下。4结论本文提出简化AD电路测试结构的测试算法，用最小二乘法来测试AD转换器的失调和增益，通过记录每相邻代码的转换时间来测试微分非线性和积分非线性。开发出了全数字的内建自测试结构，实验结果表明，本文提出的内建自测试结构具有高的测试精度。 参考文献1The ElectronicsIndustry Yearbook，1999，Cahners ElectronicsGroup2Sunter SK，Nagi NAsimplified polynomialfitting algorithmfor DACand ADC BISTCIn：pro

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