数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究

1、数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究 湖南大学硕士学位论文数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究姓名胡湘娟申请学位级别硕士专业电路与系统指导教师何怡刚20210818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本钱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本钱上测试和可测性设计的理论与技术已经成为领域中的一个重要研究方向它们在理论和实践

2、中都有十分突出的价值本文从集成电路根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根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芯片实现了一个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拟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

3、设计和仿真的语言进行介绍指出用语言来设计的根本流程和中扩展的新概念同时也介绍了混合信号测试总线标准在中的应用本文最后介绍了测试混合信号电路的原理并且介绍了参与研发的基于的集成电路及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本钱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 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

4、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当作者签名日期砂年月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存使用学位论文的规定同意学校保存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局部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保密口在 年解密后适用本授权书不保密团请在以上相应方框内打作者签名期蒯年月日导师签名期川年月石日硕士学位论文第章绪论本课题研究的背景目的在世纪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

5、的产品已经成为全球性的开展趋势针对这新的一轮开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设计产业开展的目标系统级芯片 设计芯片技术的迅速开展得益于产业内部的细致分工近年来出现的技术正是芯片产业分工的表达从芯片开展历史来看世纪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世纪年代开始有了分工半导体工艺设备和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世纪年代工艺

6、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缺乏以供其饱和运行因此开始承接对外加工继而由局部到全部对外加工形成了加工和设计的分工芯片产业的这一次分工再加上工具开展为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世纪年代的这次分工是芯片开展过程中的一次重要分工极大地推动了芯片产业的开展在这一时期一般的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公司己不能使其饱满运行到世纪年

7、代测试也成为独立产业别离出去到目前测试方法的种类很多从测试的目的来分有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测试和测试电平测试和电流测试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在数字电路领域功能和性能之间有比拟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根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

8、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那么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局部的规模一般仅占整个芯片中极小的局部但是对该局部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局部电路的测试纵观半导体的开展历程集成工艺一直按照摩尔定律开展但每个晶体管的制造本钱呈现持续下降的趋势它的单位功能制

9、造本钱以每年平均的比例下降然而测试本钱却以每年平均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本钱将低于其测试本钱芯片的测试本钱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研究集团报告称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到达了亿美元测试费用那么更高按照国际半导体技术开展蓝图的研究到年晶体管的测试本钱要大于其制造本钱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

10、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本钱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开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根本特征是内嵌核和诸如之类

11、的核心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拟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局部都被数模混合电路技术所取代当前超过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开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

12、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本钱主要来自于电路测试本钱的影响特别是模拟电路测试占了测试本钱的大局部据国外报道称在一个混合信号芯片内仅占硅片面积的模拟局部的测试本钱已占整个芯片测试本钱的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局部和数字局部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根底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

13、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拟薄弱随着混合信号集成电路技术的迅猛开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开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国内外研究状况过去的几十年中数字电路测试开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 这样一个过程其迅速开展应当归功于故障模型的建立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

14、发生机理适用于多种工艺提出可测的特点年提出模型世纪年代性设计的概念出现了和内建自测试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首先在其中使用了移位存放器来辅助测试第一个商业化可测性设计的解决方案是由在年提出来的到了世纪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等进入世纪年代以后由于集成电路工艺的开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开展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这些工作在一定程度上缓解了集成电路测试长期

15、以来没有标准的窘境对测试开展起了巨大的推动作用使得更多的厂商采用可测性设计有利于不同厂商提供芯片的可测性设计能够集成到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开展出现了越来越多的这些很大局部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本钱功耗性价比等都到达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工具有很多特别是目前研究的热点可以被芯片提供商也越来越多芯片价格越来越廉价越来越多的使用数字系统设

16、计方法自顶向下变得越来越简单了远远先进于基于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开展那么相对落后的多其原因有两个一是模拟电路集成度低开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 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和测后模拟诊断 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

17、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局部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参加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局部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

18、测试技术相结合的根底上的目前对于混合信号电路的研究比拟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拟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年通过的标准委员会的标准虽然提供了一种与数字电路 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标准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

19、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那么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来描述混合电路这种相似的结构数字靠号输入数字电路模块号输入模拟电路模块帆模拟叫卜模拟电路模块号输入模拟电路模块图混合信号电路结构图从图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

20、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开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局部的测试不仅要考虑导致功能变

21、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匍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那么局限于对国际标准的理解的研究上我国

22、在故障诊断技术的开展始于世纪年代末虽然起步比拟晚但近年来开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与民航大学合作的航空发动机辅助动力装置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

23、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章对可测性设计根本原理进行了阐述首先介绍了可测性的根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章对可测性设计方法进行研究包括

24、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设计了一个的硬件电路通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的有效性第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和混合电路测试标准 进行了介绍对基于的混合信号测试技术进行了研究第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的软件总流程介绍了混合信号电路与系统测试仪中和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

25、结了本文的主要工作和研究重点介绍了芯片测试的开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数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究第章系统级芯片可测性设计分析可测性概述可测性的开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当传统测试中鼓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

26、这一术语首先由等人于年提出来的然而可测性设计的必要性直至世纪年代中期随着集成电路设计的开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国际设计自动化会议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局部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 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

27、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开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开展阶段阶段第一阶段一一特定目标可测性设计以外部测试和特定目标可测性设计为根底即针对特定功能和结构的电路板进行可测

28、性设计判断其是否符合可测性要求假设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硕上学位论文入和测试响应的输出均通过被测设备的端口进行操作对被测对象内部节点的控制和观测那么采用以测试针床为根底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别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那么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

29、描通路扫描置位等第三阶段一一基于边界扫描机制的标准化设计阶段从年年以欧洲和北美会员为主的联合测试行动组织率先开展了边界扫描技术的研究提出了一系列边界扫边界扫描描标准草案年组织和组织共同推出了标准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以下目标测试电路板上不同芯片之间的连接测试芯片及电路板的功能应用边界扫描存放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

30、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拟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鼓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

31、为是不可测的总的来说一个电路是可测的那么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本钱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 故障覆盖率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

32、有该故障类型数目之比用百分比来表示如下儿 亿 一蒜篇燃枷 该电路所存在的故障总数一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一故障如果一个测试集的故障覆盖率到达那么称该测试集为完全测试集但是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本钱因素以便进行取舍获得平衡点可测性设计通

33、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局部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局部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局部组成针对不同局部提出不同的可测性解决方案如图所示硕士学位论文故障表故障模拟器故障注入及模拟无故障网表正常电路故障电路仿真仿真一生 工正常电路 故障电路输出信号 输出信号不同 相同图测试及可测性设计根本流图故障模型故障及表现形式电路中搿

34、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那么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结构故障包括器件开短路连线开短路参

35、数故障电阻值电容值沟道宽度长度等参数变化匹配故障电路中需要精确匹配的器件组之间的参数失配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

36、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存放器传输级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故障等以下介绍最常用的故障模型固定型故障 数字电路中广泛应用的一个故障模型是单固定故障模型它也被称为典型的或标准的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故障记作或固定在逻辑低电平上那么称之为固定故障记作或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

37、便如果一根以上的线在同一时刻固定于逻辑或这样的故障称为多固定故多固定故障是单固定故障模型的直接扩展虽障然理论上可以用穷举法或伪穷举法来测试多固定故障但对超大规模集成电路不适用单固定故障的测试集合中的测试向量却能够检测大局部多固定故障因为多固定故障分析只是需要处理单故障测试集中所不能覆盖的故障即可电路中故障出现的数目是随着线条个数的增加呈指数增长的一个条线的电路可以有 个固定型故障的组合在实际应用中通常仅考虑单固定故障模型一个条线的电路至多有个单固定故障该数目还可以通过故障压缩技术进一步减小据统计实际应用中的电子设备发生单故障的概率是故障总数的一些多故障往往又是相互联系的因此有时也可以当作单故障

38、处理桥接故障 桥接故障是由两个或者多个正常时没有连接的信号之间的短路所导致的故障两种常见的桥接故障为反应桥接故障和无反应桥接故障如果桥接故障创建一个或者多个反应环那么这样的桥接故障称为反应桥接故障如果没有创立反馈称其为无反应桥接故障随着现代电子器件尺寸的减小和门密度的增加桥接故障已经上升为主要的故障类型之一硕七学位论文固定开路型故障固定开路型故障是指由于某种缺陷晶体管处于永久无法导通的状态固定开路故障是一种发生在电路中的特殊故障假设故障使 电路的输出端口处于高阻状态那么称该故障为固定开路故障记为故障故障属于非典型故障它与经典的固定故障有着根本的区别因为它使故障门由原来的组合电路表现出时序的特性

39、由于电路有着十分广泛的应用因此固定开路型故障也倍受人们的重视故障在电路中因为静态非翻转的逻辑门消耗的泄漏电流非常小可以看作仅消耗静态或二极管反向电流任何有源的桥接短路和一些开路缺陷都会引起电流测试中的静态电流幅度的数量级大于额定静态电流刀在正常情况下电路是不存在直流通路的当出现物理缺陷的时候会变得很高通过测量电路中许多状态的电流可以检测出电路缺陷测试只需器件要将故障激活而不必定位故障信息测试法适合测试它的主要优点是测试生成容易可以覆盖大局部桥接故障和一些开路故障缺点是电路必须设计为具有较低的必须是处于静止状态的时候观测因为任何动态或活动逻辑可以很容易把它掩盖掉延迟故障 当电路的组合延迟超过时钟

40、周期时那么称为延迟故障即电路的稳态行为是正确的但电路不能运行在额定的速度上延迟故障主要考虑电路中信号的动态故障即电路中各种元件的时延变化和脉冲信号的边缘参数的变化等检测延迟故障的目的是使电路在设计的时钟频率下能够正确工作延迟故障模型包括门延迟故障模型和路径延迟故障模型延迟故障主要导致时序配合上的错误对时序电路影响较大们故障注入及模拟故障模拟是指对给定的输入向量用计算机模拟计算电路中存在给定故障时各引线的稳定状态判断所给的向量是否是给定故障的测试码故障模拟应用于电子设计的两个重要方面即用于验证设计的正确性和评估给定的测试码或验证集故障模拟是当前最常用的设计验证手段其可分为功能模拟和时间模拟功能模

41、拟用于检查原型设计的逻辑功能正确性时间模拟用于检查原型设计的时间正确性和确定关键路径模拟时一般是对电路中适宜的节点一次引入一个故障当引入故障后的电路响应与正常的电路相应的响应不同时就称检测到该故障了目前针对模拟与混合信号电路的故障模拟理论方面的工作都是依靠待测电路的特性矩阵来进行的已有的用于模拟与混合信号芯片的模拟工具有数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究等要模拟电路需要获得以下信息描述原型设计的模型元器件库施加给模型的鼓励信号施加鼓励信号后模型的理想响应施加给模型的鼓励信号可以有以下几种描述方式逻辑值波形图伪随机测试向量或典型的模拟过程如下图图典型的模拟过程对不同的抽象级别模拟采用的元器件

42、库也不同功能模拟采用元器件的逻辑函数来表达不需要元器件内部详细的结构信息而结构模拟所采用的库包含了一系列标准单元对每个单元的根本逻辑功能及其延迟信息都做了描述对于晶体管级别需要生产厂家提供的库来进行模拟从测试角度讲在设计的不同阶段都要用到模拟器插入后要对形成的新电路进行模拟以确定结构的效率测试生成后要计算故障覆盖率故障模拟的应用故障模拟是采用故障模拟器对各种不同的设计模型施加测试集进行模拟然后分析有故障和无故障设计模型的响应以到达以下目的测试给定故障的出现条件测试图形生成评估给定的测试集的故障覆盖率生成故障表故障模拟在测试生成中起到很重要的作用其可以用来评估一个测试向量集通常通过故障覆盖率来评

43、估该测试向量的集该故障覆盖率是由测试集所能够检测的故障数目与故障总数的比值得到故障模拟也在测试生成中起到重要作用许多测试生成算法都是面向故障的也就是说这些算法是针对目标故障来测试的当给定故障测试生成的集时故障模拟器从故障列表中选定一个故障然后从测试集中选定输入鼓励施加到设计模型上如果模拟和测试分析说明有故障和无故障的设计模型的响应不同故障出现的条件也相符合那么选定的输入鼓励就是所硕学位论文要寻找的检测该故障的测试向量保存测试向量并将该故障从故障列表中剔除选择下一个故障重新上述过程否那么换另一个输入鼓励直到模拟和分析结果满意为止如果选择的测试集中所有的输入鼓励都不能测出某个故障那么称此故障不可测

44、也从故障列表中剔除重复这个过程直到故障列表变空为止其过程如下图图用于选择测试生成目标故障的故障模拟故障模拟也可以用来分析出现故障时候电路的运行操作该点在高可靠性系统中尤为重要因为一些故障可能严重影响系统的运行故障模拟的方法故障模拟主要方法有串行故障模拟 并行故障模拟 推演故障模拟 和并发故障模拟 由于故障模拟时要分析有故障和无故障设计模型的响应因此任何故障模拟都包括一个无故障设计模型的模拟过程串行故障模拟这是故障模拟中最简单的故障模拟方法它包括将无故障电路的模型注入一个特定的故障然后模拟该带有故障的模型针对每一个感兴趣的故障都要进行一次模拟这样每一个故障都要模拟一次这种方法的好处是不需要特殊的

45、故障模拟器但是对于模拟大量故障来说串行故障模拟的方法不切实际的因为该方法需要消耗大量的运行时间并行故障模拟并行故障模拟器的概念是和提出的并行故障模拟中故障注入和处理是并行的其思想是运用数字计算机中逻辑操作的位的并行处理故障注入是指选择要同时处理的故障子集并给模拟程序构造一个识别要处理的故障子集的数据结构模拟过程中数据结构用于生成注入故障的效应对于大量数模混合信号芯片的测试与可测性设计研究故障并行故障模拟能够一次处理个故障是机器字长位要作为无故障电路的标识值能够用与真值模拟同样的时间模拟个故障应用并行故障模拟可以确定测试集中能够被检测的故障因此就可以计算测试集的故障覆盖率反过来故障注入后可以用随

46、机测试向量搜索其可测的故障以缩小故障集推演故障模拟推演故障模拟是于年提出来的故障模拟方法在推演模拟中只模拟无故障电路并且推演所有具有故障的电路的行为由于所有故障电路的电路机构相同因此所有的推演同时进行这样推演故障模拟能够在带有推演过程的真值模拟的单次扫描中处理所有故障当满足模拟条件时推演模拟器具有极高的速度对少于个门的电路并行模拟比推演模拟有效对多于个门的电路推演模拟更好一些并发故障模拟并发故障模拟算法是故障模拟最通用的方法它能处理各种电路模型故障信号状态和时序模型并发故障模拟基于观察到的一种情况即在模拟的大多数时间中在大多数故障电路中的大多数取值与它们在无故障的电路中的取值是一样的模拟处理方

47、法对设计模型施加输入鼓励后如果故障可测那么故障在门电路的输出必可观那么在下一步模拟中按可观性进一步分析该故障的效应否那么舍去该故障按可观性分析其它故障或故障效应并发故障模拟方法综合了并行模拟和演绎模拟的优点比其它算法更快而且使用动态内存分配测试向量生成测试向量生成概述测试生成 技术是集成电路测试理论中的关键技术生成故障覆盖率高长度短的测试序列一直是测试生成技术追求的目标但是其理论和方法的研究还远远赶不上集成电路的飞速开展测试向量的作用是对待测电路中的故障进行激活同时向输出端进行传输测试向量的生成和所采用的测试方法和可测性设计方法是完全联系在一起的当然还包括作为根底的故障模型理想情况下的测试向量

48、应该能够检测到所有的可能出现的物理缺陷并在输出端加以反映通用的测试向量生成流程是用故障模型产生故障列表由测试产生局部对列表中故障进行单独处理一旦测到即将该故障除去同时得到一个测试向量每个产生好的测试向量都用来对剩下的未被检测到的故障进行再次模拟看能否碰巧测出其它故障将能够检测到故障的测试向量整理并简化最后形成的具有硕士学位论文最大范围和最小长度的测试向量集即为该电路的测试向量测试生成按照测试向量确实定与否可分为非确定性测试生成和确定性测试生成确定性测试生成是采用算法程序自动生成测试向量的方法简称为非确定性测试生成由人工进行测试也就是测试人员根据被测对象功能测试经验采用一定的方法生成测试向量另一种是用软件或电路产生随机测试向量对电路进行穷举或伪