模拟及混合信号芯片的可测性设计

Design for testability of analog and mixed signal IC
Zhong Rui Wei Tongli
( M icroelectronics Center, Southeast U niversity, Nanjing 210096, China)
Abstract: AMS ( analog and mixed signal ) IC ( integrated circuit) DFT ( design for testability) methods are classified by test content, test pattern transport ing path, test pattern generat ion and check up manner. These classifications are analyzed and compared based on existing AMS DFT schemes. Structure based DFT method will get primary development since relatively high fault coverage could easily be obtained and calcu lated quantitatively. On test pattern transporting path, test bus based method will lead to standardization more easily. On test pattern generation and check up, built in self test will get extensive application be cause of the significant reduce of test cost. The generation of a sort of uniform AMS IC DFT technique with low test cost and high fault coverage will meet the need of further development on IC design. Key words: analog and mixed signal; design for testability; structure based; specification based; recon figuration; built in self test 从 20 世纪 60 年代开始 , 对模拟及 混合信 号 ( analog and mixed signal, AMS) 电路中分立元件的测 试方法开始进行研究. 随着集成电路芯片的出现和 芯片规模的增大, 芯片的测试成本占整个芯片研发 费用的比重也越来越大, 甚至超过了前期研发的投 入. 工业界常用功能测试法对芯片进行整体测试 , 即 将预先 写好 的功能 测试 矢量 输入自 动测 试设 备 (A TE ) 中, 然后按预定程序依次输入芯片 , 根据芯片 输出来进行检验, 由此来判断芯片的好坏. 功能测试
[ 5]
1
1 1
基于结构和基于性能的可测性设 计
基于结构的可测性设计 基于结构的可测性设计是指针对电路拓扑结
构、 版图和制造工艺等信息来产生故障列表 , 并对 其进行模拟的可测性设计过程 . 故障的产生基于模 型的建立, 包括所反映的故障特性 ( 代表的情况最 多而且模拟花费的代价最小 ) 、 抽象的级别 ( 器件 级、 电路级、 行为级等 ) 和故障模拟方法 ( 功能模拟、 结构模拟 ) 等方面 . 1 1. 1 故障模型 故障模型建立的关键是使尽量多的故障特性 情况得到反映且模拟代价最小 . 故障模型与电路设 计相同, 也包括器件级、 电路级、 行为级等级别 . 文献[ 3] 介绍了一种针对 MOS 开关和采样保 持电容的器件级模型 . 在模型中考 虑设置了参数 R ON 来模拟器件的开路、 短路和性能超出范围 3 种 情况. 该模型在 Motorola MC14573 电路的设计过程 中得到了应用, 对原电路进行了测试前模拟并得出 故障字典 . 在行为级建模中 , 文献[ 4] 用扩展 AMS 性能行 为级建模来精确描述内建自测试结构的行为 . 该方 法为不同的内建自测试结构建立了包含所有 AMS 行为模型的库 , 包括 用 VHDL AMS 描述 的模块级 模型和包含了 AMS 特性的 VHDL 新标准.
摘要 : 对现有模拟及混合信号芯片可测性设计方法从测试内容 、 测试信号传输路径 、 测试信号产 生及检测方式等不同角度进行了分类和分析比较 . 研究指出 , 在测试内容方面 , 基于结构的方法 由于可得到较高的故障覆盖率并容易对其进行量化计算, 因此被认为是今后发展的主要方向 ; 在 测试信号传输路径方面, 基于总线的方法具有较易实现标准化的优点 ; 而在测试信号产生及检测 方面 , 内建自测试可大大降低测试所需代价, 因此有较大的研究应用前景. 统一的低测试代价和 高故障覆盖率的模拟及混合信号芯片可测性设计方法的产生对于芯片设计来说将是进一步发展 的要求和保障. 关键词: 模拟及混合信号; 可测性设计; 基于结构 ; 基于性能 ; 重构; 内建自测试 中图分类号 : TN407; TN453 文献标识码: A 文章编号 : 1001- 0505( 2003) 03 0261 05
263
在模块级基于性能的可测性设计中, 易测性重 构方法得到较多应用, 以增加对内部信号的控制和 检测能力 . 文献 [ 12] 通过附加最小尺寸 MOS 管和 利用开关电容电路中现存的时钟时序的方法来改 变电路测wenku.baidu.com状态下的敏化信号传播路径, 增加了被 测电路的可控性.
[ 9]
在芯片系统级的分区方案中, 基于宏模块的系 统测试方法得到了介绍 . 文献 [ 9] 将系统分为可 用已知方法进行测试的可测性模块和共享测试路 径( 或总线) , 在测试控制模块控制下进行测试 . 将 电路分成模拟、 数字逻辑和存储 3 部分, 对于模拟 部分的测试仍以功能测 试为主; 对 于数字逻辑部 分, 利用通用的故障模型进行结构测试; 对于存储 部分, 最简单的测 试方法包括对每 个存储单元的 0, 1 读写操作, 及单元耦合和数据保持能力测试. 文献[ 10] 提出了一种可提高实时可测性的分 区方案. 芯片被大 致分为模拟/ RF、 数字和电源管 理 3 个子系统. 对于数字子系统 , 采用 FIFO ( first in f irst out) 串行扫描路径等方法进行测试 ; 对于模拟 / RF 子系统 , 用开关矩阵和复用总线对结构进行重 构来进行测试; 对于电源管理子系统则采用增加输 入输出路径的方法进行功能测试. 在模块级的芯片分区方案中, 文献 [ 11] 提出了 模块化划分网络的方法. 将滤波器分解成 biquad 模 块, 通过控制各 biquad 模块与一个内建的电容可编 程 biquad 模块进行输出信号比较来确定各模块的 好坏. 其优点是可以测试出参数故障, 并可以提供 在线和离线 2 种测试模式. 图 1 为芯片系统可测性 结构和可编程 biquad 模块内部结构示意图 .
第 33 卷第 3 期 2003 年 5 月
东 南 大学 学 报(
自然 科学版)
JOU RNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY ( Natural Science Edition)
Vol 33 No 3 May 2003
模拟及混合信号芯片的可测性设计
钟 锐 魏同立
( 东南大学微电子中心 , 南京 210096)
故障模拟是指根据故障模型 , 在原始电路结构 ( 包括器件级、 电路级、 行为级等 ) 中插入故障进行 模拟的 过程 . 工 具有 FSPICE, ISPICE, SFA, ELDO, SABER 等. 故障模拟可以分为 测试前模拟和 测试 后模拟两大类. 测试前模拟指在测试之前, 对待测 电路进行各种故障插入并进行模拟, 将输出结果形 成故障字典 , 故障信息则通过 与故障字典比 较得 到. 测试前模拟的目标是要在尽量小的故障字典中 得到较高的故障覆盖率 . 测试后模拟指在对待测电 路进行测试后根据结果来模拟故障的信息 . 相对而 言, 测试后模拟技术在复杂电路中对在线计算的要 求较高, 分辨故障的效率较低 , 因此在这点上测试 前模拟要优于测试后模拟 . 11 3 重 构 重构指在测试状态下对电路拓扑结构进行重 组的过程 . 基于重构的方法在基于结构的可测性设 计中应用较多 . 文献 [ 6] 分类总结了目前出现的基 于重构的方法 , 将其分为易测 性重构和重组 性重 构, 前者是在电路中增加输入输出路径提高其可控 性或/ 和可观性, 后者是将电路在测试状态下进行 结构重组以形成具有其他传输特性的新电路. 笔者 认为 , 前者改变了电路的模块或者整体结构, 因此 可以归入基于结构的方法中 ; 而后者的目的则是在 不影响电路功能和性能的前提下增加对内部信号 的控制和检测能力 , 因此可以归入基于性能的可测 性设计方法中 . 文献 [ 7, 8] 中介绍了 2 种重组性重构的方法 . 文献 [ 7] 的方法是在测试状态下通过控制所有电容 连接方式将滤波器电路变成不同放大倍数的直流 电平放大器, 根据输出电压来计算电路中电容比率 的好坏. 该方法优点是附加电路对电路性能的影响 可以忽略, 激励信号要求简单 ; 缺点是仅考虑了对 电容比率的控制, 其中的运放模块未予考虑, 故障 覆盖率相对较小 . 文献[ 8] 的方法是通过在运放输 出端增加最小尺寸的 MOS 管来对运放进行重构 , 可在测试状态下提供 semi DC 信号输出 , 其优点是 不仅可测试出电容比率 , 而且可测出运放的好坏 . 12 基于性能的可测性设计 基于性能的可测性设计是指在不影响电路功
[ 1]
262
东南大学学报 ( 自然科学版) 11 2 故障模拟
第 33 卷
功统一; 而 AMS 电路的测试方法则由于缺少通用 的电路模型 , 目前仍然处于研究探索的阶段 , 尚未 形成实用的通用标准规范 . 目前的可测性设计的内 容根据不同研究人员所应用的方面和测试的内容 而不同, 但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. 对于现有的各种 AMS 芯片可测性设计方法 , 以文献[ 1] 为代表的分类方法是将其大致上分为基 于冗余技术、 基于 增加待测电路的 可控性和可观 性、 基于改变待测电路关键部分电路结构和内建自 测试等几类 . 笔者认为, 应当从不同角度来进行分 类. 如从测试内容可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可分为基于 外置测试和内建自测试的可测性设计; 从测试信号 传输路径可分为基于总线、 基于扫描路径和基于专 用路径的可测性设计等 . 本文将结合 已有的 AMS 可测性设计方法对上述各种分类进行介绍和分析 , 并对 AMS 可测性设计方法的发展进行了展望.
[ 2]
能和性能的前提下 , 针对电路最后或中间关键点的 输出波形等信息 , 通过增加电路可控性与 / 或可观 性使上述信号引出检测的可测性设计过程 . 该方法 的关键是功能分区策略 , 而输入输出信号的要求则 根据功能分区得出 .
第3期 1 2 1 功能分区
钟
锐 , 等: 模拟及混合信号芯片的可测性设计
收稿日期 : 2002 12 13. 作者简介 : 钟 锐 ( 1975 ) , 男 , 博士生 ; 魏同立 ( 联系人 ) , 男 , 教授 , 博士生导师 , wt l@ seu. edu. cn.
是测试方法中较为基础的一种, 其优点是测试矢量 的生成直观、 简单, 对 ATE 要求较低; 但其致命缺陷 在于测试矢量的故障覆盖率低. 因此, 针对 AMS 芯 片的可测性设计方法研究得到高度重视. 可测性设计是为了降低电路测试费用及/ 或提 高故障覆盖率 , 在电路设计阶 段对原电路进 行修 改, 但不影响其性能的技术方法 . 一套可测性设 计方法的有效性是由其测试效果 ( 如故障覆盖率 ) 等数据决定的 , 而代价是通过芯片面积的增加和对 性能的影响程度计算得到 . 在过去几十年中, 数字 电路经历了功能测试、 电路拓扑结构测试、 可测性 设计的发展过程 , 其关键是 stuck at 故障模型的成