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测试模块电路一种针对多级串联模拟电路的可测性设计技术

0 引言
集成电路的生产成本以测试开发、测试时间以及测试设备为主。模拟电路一般只占芯片面积的10%左右,测试成本却占总测试成本的主要部分。所以,削减模拟部分的测试成本将有利于芯片的设计与生产。数字电路有很多成熟的可测性设计技术(design fortest,DFT),模拟电路测试还未发展到如此成熟,缺乏完善的模型进行自动化测试。随着集成电路的发展,混合信号芯片功能越来越复杂,但芯片I/O口数量跟不上芯片发展的规模,导致很多电路节点变得不可控制或(与)不可观察,加大了测试工作的难度。
典型模拟电路有放大器、滤波器等各种线性和非线性电路,通常包含若干串联结构的模块。本文从系统结构出发,针对串联结构电路提出一种可测性设计方案,增加较少的I/O口,使外部测试设备可以控制观察内部的各个模块,这些增加的。I/O数目不随内部模块数目而变化,同时该结构还可以兼容边界扫描技术。

1 系统级的可测性设计
1.1 控制观察模块
控制观察模块(control observe module,COM)的等效模型如图1(a)所示。由开关1、开关2、开关3上的高低电平组成模块工作的指令码(Instruction Code)。如图1(b)分别有透明模式,测试观察模式和测试输入模式。控制这三种模式的指令码分别为010,100,001。可使系统电路和嵌入式模块间建立各种通路连接方式。

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1.2 基本原理
如图2所示,In是原始输入端,Out是原始输出端,在M1(模拟电路模块1)、M2(模拟电路模块2)和M3(模拟电路模块3)之间插入COM,AB1和AB2是测试端口,其中AB1为COM观察输出端,AB2为COM控制输入端,IR(指令寄存器)与COM模式端连接,所有IR串联连接,在clk作用下串行输入指令码,rst为置零端。

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当COM1和COM2为透明模式时,输入In的信号经M1,M2和M3到输出Out,测试整个通路,指令码为O10010:
当COM1为测试观察模式,COM2为测试控制模式时,由通路In→M1→COM1→AB1可以单独测试M1,由通路AB2→COM2→M3→Out可以单独测试M3,指令码为100001;

当COM1为测试控制模式,COM2为测试观察模式时,由通路AB2→COM1→M2→COM2→AB1可以单独测试M2,指令码为001100;
当COM1为透明模式,COM2为测试观察模式时,由通路In→M1→COM1→M2→COM2→AB1可以单独测试M1与M2组成的串联结构,指令码为0101 00;
当COM1为测试控制模式,COM2为透明模式时,由通路AB2→COM1→M2→COM2→M3→Out可以单独测试M2与M3组成的串联结构,指令码为001 010。
对于n个模拟电路模块,通过合适的指令码也可以隔离若干内部模块进行单独测试。

2 DFT结构的具体实现与仿真
2.1 COM模块和指令寄存器的实现
COM模块内部的模拟开关选择双向传输性好的时钟控制CMOS互补门实现。为了有效传输信号,传输门导通电阻不能随输入信号的变化而有太大的波动。它的导通电阻计算如下:

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传输门导通电阻基本不受输入信号的影响。经仿真,该互补开关的-3 dB带宽达到121.8 MHz,可以满足大多数模拟电路的带宽要求。
指令寄存器模块用来实现指令移位传输以及存储的功能,它由D触发器组成的移位寄存单元实现,并且加入了异步置零端。
2.2 整体结构的实现与验证仿真
在模拟电路设计中多级运算放大器的使用很常见,作为验证,模拟电路模块M1~M3选择运算放大器缓冲模块,对电路进行DFT设计,使用Cadence软件,基于0.5 μm CMOS工艺库对该DFT结构进行功能仿真分析。
指令寄存器置零时所有开关断开,输入信号为偏置2 V,振幅1 V的1 MHz正弦波,各输出端被截止。图3是在各种指令码下,电路信号传输的仿真分析,输入信号均能通过特定通路有效传输到指定输出端口。

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3 与边界扫描技术的兼容性
边界扫描测试技术在降低产品测试成本,提高产品质量和可靠性以及缩短产品上市时间等方面有显著的优点,目前在数字电路的测试中已得到很多应用。它也可应用于混合信号测试,图4就是一种混合信号芯片测试方案。本文设计的DFT结构中指令寄存器串接在IEEE 1149.1标准中的扫描寄存器后,共用时钟信号,可以进行联合测试,并且进一步减少了模拟部分额外引出的端口数。

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4 结语
本文针对串联结构的模拟集成电路提出一种可测性设计结构,提高了电路的可控制性及可观察性,实现对电路整体以及内部单一或几个相邻模块的测试。仿真分析证明,该结构简单有效,只需额外引出5个PAD,数目少,灵活性高,不随模块数增加而变化,并可兼容边界扫描技术。不过,在提高可测试性的同时,会在一定程度上增加芯片的面积和功耗。

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