Techniques de Test pour les Convertisseurs Analogiques/Numériques
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Projet, ELE 6306 (Test de systèmes électroniques) Techniques de Test pour les Convertisseurs Analogiques/Numériques I.Benamrane, M. Hamine, École Polytechnique de Montréal - Département de Génie Électrique – AUT2004 Résumé • Ce projet présente des techniques de test proposées dans la littérature, pour tester les circuits analogiques et mixtes, en particulier les convertisseurs analogiques/numériques; parmi ces techniques il y’a quelques-unes basées sur le test industriel (externe), d’autres utilisant des structures d’autotest intégré (BIST). Ce travail tient compte aussi d’une technique de génération de rampe linéaire, en utilisant l’auto-calibration dans le but de générer un signal analogique précis à l’intérieur du circuit à tester. • 1. Introduction De nos jours, les circuits intégrés (CI) utilisés en industrie sont généralement mixtes, c'est-à-dire composés d’une partie analogique et une autre numérique. L’élément charnière entre ces deux parties est le convertisseur Analogique/Numérique (CAN). L’évaluation de ces circuits analogiques et mixtes passe alors obligatoirement par le test de ce convertisseur, ce qui peut être une tâche très difficile. Le problème principale provient du fait que la plus part des circuits mixtes sont testés en mode fonctionnel. Cela nécessite des ressources de test externes extrêmement coûteuses, ce qui le rend à la fois très cher et très compliqué à réaliser. Pour contourner cette difficulté, des solutions attractives consistent à développer des structures de tests intégrés BIST (built in self test), dans lesquelles la génération de signaux de tests et l’analyse des résultats sont performés à l’intérieur du circuit. Test intégré nécessitant des ressources matérielles tels que Bist avec CNA, HBIST et MADBIST. Test intégré ne nécessitant pas de ressources matérielles tels que BIST utilisant la technique du LSB et la technique OBIST. Finalement, on conclura notre travail par un exemple de génération de signaux linéaires de test intégrés, soit un générateur de rampe linéaire. 2. Test industriel des CAN Pour les convertisseurs analogiques/numériques, comme pour la plus part des circuits analogiques et mixtes, le test se fait généralement selon l’approche fonctionnelle. Ce type de test sert seulement à vérifier certaines fonctionnalités du circuit et non pas la détection de présence de défauts au niveau de la structure du circuit. Le test fonctionnel s’avère très fiable mais peut être très long et très coûteux à réaliser. En industrie deux types de tests sont couramment utilisés pour tester ces convertisseurs. 2.1 Test par analyse spectrale Le principe est d’envoyer un signal sinusoïdal sur l’entrée du CAN, appliquer une transformée de fourrier rapide (FFT : Fast Fourrier Transform) sur une longueur T finie et analyser la réponse du circuit dans le domaine fréquentiel. Ainsi, on pourra évaluer les distorsions et bruits introduits par la quantification. L’opération d’échantillonnage s’effectue comme le montre la figure (1). Dans la deuxième partie de ce travail, on élabore les techniques du test industriel des CAN qui d’habitude se font à l’externe et se basent généralement sur une analyse fonctionnelles de ses paramètres. Ces paramètres se divisent en deux groupes. : • • Paramètres statiques tels que l’erreur de gain, l’erreur d’offset et la non-linéarité différentielle et intégrale. Ces paramètres sont généralement analysés en utilisant la technique du test par histogramme. Paramètres dynamiques tels que le rapport signal sur bruit plus distorsion (SINAD : signal-to-noise and distortion ratio), la dynamique de codage (SFDR : Spurious-free Dynamique Range) ou le taux de distorsion harmoniques (THD), le jitter et le taux de distorsion par intermodulation (IMD). Ces paramètres sont généralement évalués en utilisant une analyse spectrale basée sur une transformée de fourrier rapide FFT. Par la suite, des techniques de test interne seront introduites. Ces techniques se divisent en deux catégories : Figure 1. Analyse fréquentielle d’une sinusoïde Il existe deux techniques d’analyse spectrale : • • technique "single tone", technique "dual tone". 2.1.1 Technique ‘single tone’ Cette technique présentée dans [4], consiste à appliquer une sinusoïde de fréquence pure à l’entrée du convertisseur et l’on analyse dans le spectre les différentes composantes fréquentielles. La figure 2 donne un exemple de spectre obtenu pour un signal d'entrée sinusoïdal pur. illustre l’histogramme obtenu en utilisant un signal triangulaire et sinusoïdal pour un CAN idéal. Figure 2. Analyse spectrale ‘single tone’ Cette technique permet d’obtenir le rapport signal sur bruit avec distorsion SINAD, le taux de distorsion harmonique THD, la dynamique de codage SFDR et le jitter du convertisseur testé. 2.1.2 Technique ‘dual tone’ Lorsque le signal d’entrée n’est pas une sinusoïde pure, mais une somme linéaire de plusieurs sinusoïdes de fréquence F1 et F2, on parle alors d’analyse dual-tone. Cette technique permet de mettre en évidence tous les phénomènes d’inter-modulation générés par la conversion de ce signal composite. La figure 3 représente un exemple de spectre obtenu avec la technique "dual tone". Figure 3. Analyse spectrale ‘dual tone’ Figure 4. Test par histogramme Généralement, on utilise soit un signal sinusoïdal ou triangulaire pour former notre histogramme. La technique par histogramme linéaire (triangulaire), s’avère plus intéressante en terme d’économie de mémoire pour enregistrer l’histogramme idéal. L’histogramme au complet peut être représenté avec seulement deux équations, une correspondante à la valeur idéale des codes du milieu et l’autre correspondante à la valeur idéale des codes extrêmes. Un autre désavantage de l’histogramme sinusoïdal est que ce dernier est plus compliqué à exploiter due à la distribution non uniforme causé par le signal d’entrée. Quand au signal triangulaire, chaque code doit démontrer une densité égale. À cause de sa densité uniforme, il sera facile d’extraire des expressions simples pour les paramètres du CAN. Les détails sur ces calculs sont donnés ci-dessous : • Erreur d’offset : l’offset en (LSB) est proportionnel à la différence entre la valeurs des deux codes extrêmes. • Erreur du gain : le gain en (LSB) est simplement donné par le ratio entre la valeur mesurée du code du milieu et la valeur idéale. Nous pouvons observer la présence de raies aux fréquences i.F1 + j.F2 (i et j entiers) qui s'ajoutent aux harmoniques des composantes du signal d’entrée aux fréquences k1.F1 et k2.F2 (k1 et k2 entier) : ce sont les raies d'inter-modulation. Avec cette technique de test "dual tone", il est donc possible de déterminer le taux de distorsion par inter-modulation IMD. avec : 2.2 Test par Histogramme Cette technique externe proposée dans [3] et [4] est considérée la plus populaire pour tester les CAN. Elle est basée sur une analyse statistique de combien de fois un code numérique apparaît à la sortie du CAN afin de déterminer les paramètres caractéristiques du CAN. Pour cela, on applique un signal analogique à l’entrée du convertisseur et on enregistre la fréquence d’apparition des codes à la sortie du CAN. Ces échantillons enregistrés forment ce qu’on appelle un histogramme pour être comparé à un histogramme de référence. Les résultats des comparaison sont procédés afin de déterminer les paramètres du CAN tel que, l’erreur du gain, l’erreur d’offset, la non-linéarité différentielle et intégrale ainsi que les codes manquants. Le signal à l’entrée du CAN peut être en général sinusoïdale ou linéaire (rampe ou triangulaire) La figure 4 • Erreur DNL : La non linéarité différentielle en (LSB) d’un code i donné est donnée par la différence relative entre la valeur mesurée et idéale. • INL : La non linéarité intégrale en (LSB) d’un code i donné est exprimée comme une somme cumulative de tous les codes précédents. Le schéma du test par histogramme est donné à la figure 5 Figure 5. Test par histogramme Inconvénients: Les deux techniques de test présentées précédemment se font à l’extérieur du circuit sous test (DUT), ce qui nécessitent du matériel de test sophistiqué et coûteux en même temps, ce qui a poussé d’aller chercher de nouvelles techniques de test pour réduire le coût soit l’intégration du circuit de test sur la même puce que le circuit à tester. Il s’agit donc du test intégré (BIST). Ce dernier est généralement composé de générateur de signal de test ou de stimulus et d’analyseur de signature. Dans ce qui suit, quelques techniques du test intégré seront présentées. 3.1.2 Technique HBIST (Hybrid Built-In Self Test) La figure 7 montre cette technique proposée en [5], [6] et [7], elle est basée sur une structure BIST avec CNA et un processus de traitement numérique (DSP) pour les circuits mixtes. La figure 8 illustre la méthode de test qui est similaire à celle du BIST numérique pour l’analyse de la signature. Les vecteurs de test sont générés par un registre (LFSR) pseudo-aléatoire (test structurel) et sont appliqués à l’entrée du CNA pour les convertir en un signal analogique. Ce dernier s’applique ensuite à l’entrée du CAN à tester. L’unité ‘DSP’ analyse et compare en même temps la signature générée à la sortie du CAN avec celle en mémoire. Le DSP est configuré de façon qu’il contienne les paramètres attendus du CAN sous test. 3. Techniques de test intégré des CAN Figure 7. Circuit de test typique Dans une structure BIST, il faut tenir compte de la surface du BIST et celle du circuit à tester. Pour cela, les études ont classé deux structures de test intégré soient : des structures dépendantes de ressources matérielles initiales (CNA, DSP, ...) et d’autres ne nécessitant pas de ressources matérielles. Figure 8. Structure HBIST 3.1 Test intégré nécessitant des ressources matérielles initiales 3.1.1 Technique BIST avec CNA Cette technique proposée en [2] et [3], nécessite un CNA pour tester le CAN, elle est basée sur la définition d’une marge obtenue par plusieurs simulations dans le but de définir les deux histogrammes pour la valeur maximale et la valeur minimale de la dispersion des paramètres du CAN, la différence des deux histogrammes définit la marge maximale (gabarit) comme illustré à la figure 6. 3.1.3 Technique MADBIST (Mixed AnalogDigital Built-In Self-Test) Cette technique proposée en [7], est basée sur la structure HBIST développée avec (CAN Σ-∆ et CNA Σ-∆), soit un ajout d’un générateur de sinus numérique et un modulateur pour générer un signal analogique sinusoïdal précis. Les premières étapes du diagramme de test sont réservées pour vérifier les éléments du circuit MADBIST: • 1ere étape, on teste seulement le convertisseur CAN tout en en fermant la boucle à l’aide d’un multiplexeur comme le montre la figure 9. Le signal, provenu du générateur d’oscillation, est modulé en PDM (Pulse Density Modulated), et est appliqué directement à l’entrée du CAN, le bruit est éliminé par le filtre anti-repliement (AAF) tout en gardant à la sortie du filtre un signal sinusoïdal précis excitant l’entrée du CAN. La sortie numérique du convertisseur CAN sera traitée par le DSP tout en séparant le signal du bruit à l’aide d’un filtre numérique. Figure 6. Construction du gabarit de test Le gabarit construit permet d’évaluer tout histogramme à la sortie du CAN à tester qui peut être bon si son histogramme est inclus dans le gabarit, sinon il est considéré défectueux. Figure 9. Test de ADC (AAF : Filtre anti-repliement) • 2e étape : après le test du CAN, on vérifie le convertisseur N/A en passant la boucle par le filtre de lissage par l’intermédiaire du multiplexeur comme le montre la figure 10. L’entrée du CNA est attaquée par le signal provenu de l’unité de DSP, et sa sortie est envoyée directement vers le convertisseur A/N Le DSP caractérise le CNA et même le filtre de lissage tout en séparant le bruit du signal grâce à son filtre numérique (FIR, IIR, ...). convertisseur et mesurer l’intervalle de temps entre chaque commutation du bit de poids faible (LSB). Pour évaluer ces intervalles, on utilise un compteur qui est incrémenté sur chaque transition du bit LSB, à la prochaine transition la valeur du compteur est comparée à la valeur idéale obtenue avec un convertisseur parfait. La différence de ces deux valeurs donne les valeurs du NLD et NLI. Ces valeurs seront comparées avec les valeurs max et min données dans les spécifications du convertisseur. Cela permet de juger si le convertisseur respecte bien les spécifications. La figure 12 montre le diagramme du test pour cette technique. Figure10. Test du CNA • Étape suivante: Après le test du CNA, c’est l’étape de test du circuit externe (DUT) connecté entre l'entrée et la sortie du MADBIST, ce test est montré par la figure 11. Le test réalisé est fonctionnel puisqu’il dépend des paramètres du circuit sous test, soient le rapport signal sur bruit, le taux de distorsion et le gain. Figure 11. Test du DUT (structure MADBIST) Les paramètres rapport signal sur bruit, gain et taux de distorsion (harmonique, par inter-modulation) du CAN peuvent être évalués au niveau DSP. Inconvénients: Les éléments ajoutés de la structure MADBIST demandent une surface peu grande. Le test ne vérifie pas tous les paramètres du circuit sous test (offset, NLI, NLD) pour le CAN. Figure 12. Test des non-linéarités 3.2.2 Technique OBIST Cette technique de test proposée dans [8] peut être appliqué à n’importe quel circuit analogique et mixte selon l’approche structurelle ou fonctionnelle. Elle consiste à forcer le circuit sous test à osciller. La fréquence d’oscillation qui est reliée aux paramètres structurels et fonctionnels du circuit est évaluée. La déviation de cette fréquence d’oscillation par rapport à la valeur nominale indique le circuit fautif. Cette méthode a été appliquée avec succès sur un grand nombre de circuit analogiques et mixte parmi eux le convertisseur analogique/numérique et a démontré sa capacité de détection de fautes catastrophique ainsi que paramétriques. Ainsi, la technique OBIST introduit le CAN dans une boucle et le force à osciller autour de codes prédéterminés. La fréquence d’oscillation des deux bits les moins significatifs du CAN sous test permet de déterminer les paramètres importants du circuit tel que, le temps de conversion, les non-linéarités différentielles et intégrales. La figure13 montre la structure de test basé sur l’approche de boucle. Cette structure est composée d'un bloc numérique, de deux générateurs de courant, d'un interrupteur et d'une capacité de charge. Le bloc numérique commande l'interrupteur pour charger la capacité avec un courant i ou – i et fournir au convertisseur un signal triangulaire dont la fréquence dépend des caractéristiques fonctionnelles à évaluer. 3.2 Test intégré ne nécessitant pas des ressources matérielles initiales 3.2.1 Technique BIST utilisant la technique du bit LSB Cette technique proposée en [1] utilise les propriétés du bit du poids faible pour déterminer les paramètres du convertisseur. Le principe est de générer une rampe linéaire à l’entrée du Figure 13. Test basé sur l’oscillation du CAN On vient de voir quelques techniques du test intégré qu’on utilise pour tester les convertisseurs A/N. Il existe encore d’autres techniques, sauf qu’on s’est limité à introduire les plus utilisées en industrie. Le grand défi reste à savoir comment générer un signal de test à l’intérieur du circuit à tester. C’est ce qu’on va voir dans la prochaine section. La précision de la pente dépend de la variation du courant Ic et l’amplitude dépend de la durée T. Le circuit de courant Ic proposé en [4] est basé de miroir de courant avec excursion maximale. Or, la linéarité et l’amplitude de la rampe générée ne peuvent être satisfaites lors de la variation du courant Ic, la figure 17 illustre cette problématique. 3.3 Génération internes de signaux de tests Les techniques de génération de stimuli et d’analyse de signature internes sont plus complexes et nécessitent des circuits spécifiques. Généralement les générateurs de stimuli comprennent: - Des oscillateurs programmables (générateurs numériques). - Des registres pour génération pseudo-aléatoire suivis des CNA. On se limite d’étudier les générateurs de rampe linéaire pour tester les CAN par histogramme. Deux contraintes devront être strictement respectées en terme de qualité du signale, soient : l’amplitude et la précision de la pente qui causent des erreurs de gain et non-linéarité dont les figures 14 et 15 illustrent l’histogramme mesuré en présence de ces erreurs. Figure 17. La pente de la rampe La solution proposée est d’ajouter un circuit de compensation (auto-calibration) qui permet la comparaison des deux tensions et l’ajustement de la tension Vfinale par le contrôle de Ic comme le montre la figure 18. Figure 18. Circuit de compensation Figure 14. Erreur due à l’amplitude Deux solutions ont été proposées en [4], l’asservissement numérique et analogique, la 1ère, basée sur un CNA et un compteur/décompteur, est illustrée par la figure 19, son diagramme fonctionnel est décrit à la figure 20. Figure 15. Erreur due à la précision de la pente Le principe de génération de pente linéaire (rampe) peut se faire soit par intégration d’une tension constante ou par charge et décharge de capacitance. La 2e idée paraît la bonne puisqu’une capacité a besoin uniquement d’une source de courant pour être chargée et déchargée. Alors que la méthode d’intégration de tension constante, nécessite un Ampli-OP, ce qui est très demandant en terme de surface. La figure 16 montre le principe de base pour la charge et décharge de capacitance. La pente est proportionnelle au temps et est déterminée par l’équation (1) ; la charge et la décharge de C sont commandées par les interrupteurs S1 et S2, donc ils déterminent la durée et la pente de la rampe. Figure 19. Circuit de compensation Figure 20. Diagramme fonctionnel (1) La tension de contrôle Vctr augmente par le comptage jusqu’à ce que la sortie Vout soit égale à la valeur attendue Vref, en ce moment là, Vctr oscille autour d’une valeur égale à (+- LSB) pour asservir la sortie autour de Vref. Inconvénients: Figure 16. Circuit de charge et décharge linéaire de C Les éléments à rajouter (CNA et Compteur), demandent plus de surface. Une solution est proposée pour réduire la surface est d’utiliser un CNA cyclique (série) et un compteur/décompteur classique tel que montré à la figure 21. 4. Conclusion Figure 21. Circuit de compensation La tension de sortie est donnée par la relation (2), le principe de fonctionnement est basé sur des transferts de charges entre C1 et C2. On cherche à augmenter la précision de la pente de Vout. Celle-ci dépend de la résolution du CNA, pour cela, il faut diminuer le LSB, donc augmenter le nombre de bit, ce qui augmente la surface. (2) ème La 2 solution proposée antérieurement est le cas de l’asservissement analogique, la figure 22 illustre le principe du fonctionnement qui est similaire à celui précédent; sauf que le rapport C2/C1 << 1 pour réduire le maximum possible la variation de la tension de contrôle Vctr. L’équation (3) donne la relation de Vctr en fonction du nombre de cycle. (3) Dans ce projet, nous avons présenté des techniques de test généralement utilisées en industrie pour les circuits analogiques et mixtes, en particulier les convertisseurs analogiques/numériques. Dans un premier temps, nous avons présenté des techniques externes du test industriel tels que l’analyse spectrale et le test par histogramme. Ces deux techniques sont basées sur l’approche fonctionnelle du fait que le test par histogramme permet d’évaluer les erreurs dues à l’offset, au gain, aux non-linéarités et aux codes manquants. Alors que le test par analyse spectrale, permet d’évaluer le taux de distorsion, le SNR et le SINAD. Ensuite, nous avons présenté quelques techniques utilisant des structures intégrées de test fonctionnel et structurel (BIST) telles que : la technique BIST avec CNA, la technique HBIST nécessitant un CNA et DSP, et la technique MADBIST. Il est à noter que ces techniques nécessitent des ressources matérielles initiales citées, ce qui augmente la surface du circuit de test. Une autre alternative est de concevoir des structures de test intégré sans avoir recours à des ressources matérielles, parmi ces structures on note la technique du BIST utilisant la méthode du bit LSB et la technique OBIST. Un grand défi à réussir était comment généré des signaux de test à l’interne. Ce qui a été introduit à la dernière section en utilisant un circuit générateur de rampe linéaire avec un système d’autocalibration afin d’obtenir une rampe ayant une amplitude et une pente précises. Toutes les techniques sont fiables pour tester les CAN, pour certaines techniques du test, les signaux linéaires de test utilisant le système d’auto-calibration sont les plus acceptables. Références Figure 22. Circuit de compensation analogique Ici la précision de la pente dépend directement du rapport C2/C1. Pour réduire la surface, la capacitance C2 est remplacée par la capacitance parasite équivalente aux capacités des portes de transmissions réalisant les interrupteurs S2 et S3, le schéma général du circuit d’auto-calibration analogique de la rampe est donc donné par la figure 23. Figure 23. Générateur de rampe auto-calibrée [1] R. de Vries, T. Zwemstra, E. Bruls and P. Regtien "Built–In Self–Test Methodology for A/D Converters", Proc. Europeen Design & Test Conference, pp. 353–358, 1997. [2] A. Frish and T. Almy "HABIST: Histogram–based Analog Built–In-Self–Test", Proc. International Test Conference, pp. 760–767, 1997. [3] A. Frish and T. Almy "Histogram Based Testing of Analog Signals", US Patent #5793642,1998. [4] Serge Bernard ’’ Test intègre pour convertisseurs analogique/numérique’’these_2001 [5] M. J. Ohletz, “Hybrid Built-In Self-Test (HBIST) for Mixed Analogue/Digital Integrated Circuits,” Proc. 1991 European Test Conference, pp. 307-316, Munich, Germany, April 1991. [6] K. Damm and W. Anheier "HBIST of Nonliear Analog Building Blocks In Mixed-Signal Circuits", Proc. International Mixed–Signal Testing Workshop, pp.257262,1995. [7] B.R. Veillette and G. W. Roberts "Spectral-Based Built-in Self-Test Methods for Mixed-Signal Integrated Circuits" [8] K. Arabi and B. Kaminska "Oscillation Built–In-Self–Test (OBIST) Scheme for Functional and Structural Testing of Analog and Mixed–Signal Integrated Circuits", Proc. International Test Conference, pp. 786-795, 1997.
