Conception et test d`un VCO en anneau par des méthodes de test

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Abstract— Dans cet article, un oscillateur en anneau tension contrôlé
(VCO) est présenté, ainsi que plusieurs méthodes de test pour tester ce
VCO. La topologie du VCO proposée permet d’obtenir une large plage
fréquentielle allant de 13 Hz à 407 MHz, ce qui est difficile à obtenir avec
un VCO conventionnel. Plusieurs méthodes de test sont exposées, mais trois
méthodes de test parmi celles-là ont été appliquées au VCO. Les deux
méthodes utilisées sont les tests statique et dynamique. La troisième
méthode est Idd RMS fonctionnel. Les résultats des trois méthodes de test
nous montre que le test Idd RMS fonctionnel offre un meilleur taux de
couverture, 74 %, en comparaison, respectivement des tests statique et
dynamique, 66 % et 68 %.
I. INTRODUCTION
n oscillateur tension-commandé (VCO) est considéré comme
un des modules les plus importants dans les circuits
analogiques et numériques et a reçu plusieurs attentions ces
dernières années. Son importance nécessite donc l’utilisation
d’une technique de test fiable et efficace pour la détection des
fautes.
La conception d'un oscillateur d'anneau exige de relier un
nombre impair d’inverseurs et de connecter la sortie du dernier
avec l’entrée du premier inverseur. Puisque la fréquence
d'oscillation est déterminée par le nombre d'étages et que le délai
dans chaque étage est très petit pour un inverseur, typiquement
les fréquences réalisées sont de plusieurs centaines de MHz à
GHz en technologie 0.8m. Pour réaliser une basse fréquence
en sortie, le nombre d'étages doit être très grand, mais beaucoup
de recherches ont été faite pour augmenter le délai dans chaque
étage au lieu d'augmenter le nombre d'étages [1, 2, 3]. Le VCO
en anneau proposé est dédié entre autre à une application
biomédicale. Elle demande une large plage fréquentielle et une
très faible fréquence d’horloge pour un émetteur ultrasonique.
Pour tester le VCO proposé, nous allons appliqués les
méthodes de test suivantes : le test de courant d’alimentation
[8], Les méthodes de test numérique (DFT) : le test statique et le
test dynamique [5, 6].
La section 2 présente la conception du VCO proposé. Les
différentes méthodes de test sont expliquées dans la section 3,
les tests et les résultats sont montrés dans la section 4, et la
conclusion se trouve dans la section 5.
II. CIRCUIT SOUS TEST
Un VCO en anneau conventionnel [3] est réalisé par des étages
de N inverseurs (N est un nombre impair), avec un mécanisme
de contrôle du courant passant dans ces inverseurs.
Habituellement, nous utilisons un transistor PMOS pour
contrôler le courant de la partie supérieur et un NMOS pour
contrôler le courant de la partie inférieure de l’étage inverseur.
Supposons que les capacités parasites Cg de la grille des
transistors de NMOS et de PMOS sont égaux, la fréquence
d’oscillation peut être définie tel que
τ
N
fosc
2
1
= (1)
où  est le délai pour un étage, peut être défini par
ctrl
gosc
I
CV
= τ (2)
où Vosc est l'amplitude d'oscillation, et Ictrl est le courant de
contrôle. Des deux équations ci-dessus, nous pouvons en déduire
gosc
ctrl
osc CNV
I
f2 = (3)
D’après l’équation (3), il est évident de voir que la fréquence
d'oscillation peut être contrôlée par la variation du courant de
contrôle, en supposant que le nombre d'étages N et Cg sont fixes.
L'avantage de cette configuration est que la fréquence
d'oscillation peut varier dans une large plage fréquentielle en
changeant la valeur du courant de contrôle. Cependant, quand
Ictrl est très petit, il est difficile d’avoir le même courant entre la
partie supérieure et inférieure de l’inverseur. De plus, un faible
courant engendre une lente oscillation de tension et ne permet
pas d’avoir une amplitude d’oscillation maximum.
Dans [2], une méthode proposée consiste à ajouter une
résistance contrôlable à l'entrée de chaque étage. Cette méthode
produit une augmentation du délai, comme représenté dans la
figure 1. Le délai de chaque étage peut être calculé à partir de la
figure 2, où gm est la transconductance de chaque inverseur et Cg
est la capacité parasite des transistors de NMOS et de PMOS.
N
Fig. 1 VCO avec résistance variable
Fig. 2 Approximation du délai pour un VCO avec une résistance contrôlable
Le délai  de chaque étage peut être approximativement comme
suit :
m
Vmg
g
RgC )1(
+
= τ (4)
et la fréquence d’oscillation est :
)1(2 Vmg
m
osc RgNC
g
f+ = (5)
De l'équation (5) nous pouvons voir que la fréquence
d'oscillation peut être changée en variant la valeur de la
résistance RV, en supposant que Cg et gm sont constants. Ainsi
avec une grande valeur de RV, une basse fréquence d'oscillation
peut être obtenue en utilisant des transistors de faibles tailles et
moins d'étages d’inverseurs. La résistance contrôlable peut être
réalisée avec des transistors PMOS ou NMOS, comme proposé
R. Chebli (1069323), M.F. Navong (1270506)
Conception et test d’un VCO en anneau par des méthodes
de test numérique (DFT) et analogique
U

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dans [4]. La résistance d'une porte de transmission peut être
contrôlée par ses tensions Vp et Vn. Habituellement Vp est égale
à VDD – Vn pour une raison de symétrie. Étant donné que le délai
de chaque étage est égal à la résistance de cet étage multipliée
par la capacité d'entrée de l’étage suivant, de même que la
méthode ci-dessus qui permet de changer le délai en ajoutant une
résistance contrôlable, on peut également obtenir un oscillateur
de fréquence variable en additionnant une capacité contrôlable.
Dû à la capacité supplémentaire CC connecté en parallèle avec la
capacité parasite Cg de l'inverseur, le délai pour un étage devient
m
Cg
g
CC
+
= τ (6)
et la fréquence d’oscillation est égale à
)(2 Cg
m
osc CCN
g
f+ = (7)
La capacité contrôlable peut être réalisée par un
transistor NMOS dont le substrat est connecté à la masse, sa
source et son drain sont reliés à une tension de contrôle (VC),
comme représenté sur la figure 3.
VDD
Vc
IN OUT
Fig. 3 Un étage du VCO avec une capacité contrôlable
Le diagramme bloc du VCO proposé, est montré dans la figure
4. Il est composé de cinq étages de cellule de délai, (D1 à D5)
reliées par une boucle et suivies d'un diviseur, et deux inverseurs
qui agissent comme un buffer. Afin d'obtenir une large plage
fréquentielle, la méthode conventionnelle est combinée avec la
méthode de résistance contrôlable [1]. Pour une faible fréquence
d'oscillation, un transistor NMOS est ajouté à chaque cellule de
délai agissant comme une capacité contrôlable.
Fig. 4 Schéma du VCO proposé
La figure 5 montre un étage du VCO proposé. Il se compose
d'un inverseur avec le courant contrôlé par un transistor NMOS
M1 en cascade, une porte de transmission comme résistance
contrôlable et un transistor NMOS comme capacité contrôlable.
En changeant seulement une tension de contrôle séparément, la
fréquence d'oscillation peut être changée selon l'équation (3), (5)
et (7) respectivement.
Vctr
VDD
Vp
Vn
M1
M2
M3
M5
M4 M6
Vc
Fig. 5 Cellule de délai combinant les méthodes de courant variable, résistance et
capacité
Comme mentionné ci-dessus, l'inconvénient du VCO
conventionnel est que lorsque le courant de contrôle est très
faible afin d’obtenir une oscillation de basse fréquence, cela
crée également une lente oscillation de tension et ne permet pas
d’avoir une maximum amplitude d’oscillation. En somme, le
niveau haut et le niveau bas du signal d’oscillation ne sont pas
égaux en basse fréquence. Afin d'éviter ce problème, un diviseur
par deux est utilisé à la fin de la boucle. Il est basé sur une
bascule flip flop dont sa sortie inversée est redoublée à son
entrée, comme représenté sur la figure 5. La bascule est activée à
chaque front montant de l'entrée. Par conséquent, le duty cycle
est toujours de 50 %, indépendamment de la fréquence. En
outre, elle divise la fréquence d'oscillation par deux. Dans le cas
où on opère en basse fréquence, les temps de montée et de
descente sont relativement lents, ce qui empêche au diviseur de
fonctionner correctement. Pour remédier à ce problème, on
utilise un circuit de buffer qui se compose d'un ensemble
d'inverseurs. Les inverseurs après la bascule sont utilisés dans le
même but. Finalement, un multiplexeur, basé sur une porte de
transmission et un signal de contrôle, est utilisé pour contrôler le
fonctionnement du VCO en basse ou en haute fréquence, en
utilisant ou non le diviseur, respectivement.
III. METHODES DE TEST
Étant donné que le VCO est un circuit analogique, les défauts
qui peuvent affecter un circuit analogique sont répartis dans
deux types de fautes :
Les fautes catastrophiques « hard fault », ce sont des fautes dues
à des défauts aléatoires pouvant provoquer des courts-circuits ou
des circuits ouverts. Ils peuvent engendrer des comportements
complètement différents du fonctionnement
normal du VCO. Les fautes catastrophiques sont les suivantes :
a) court-circuit : Grille-Drain, Grille-Source, Drain-Source, b)
circuit-ouvert : Grille, Drain, Source. En pratique, les fautes
catastrophiques de court-circuit sont plus probables que les
autres fautes.
Les fautes paramétriques « soft fault » sont des fautes dûes à
des déviations des paramètres du circuits crées par les variations
du processus de fabrication (W, L, R et C). Elles engendrent des
déviations des sorties en dehors de leur intervalle de tolérance.
Dans la littérature, plusieurs méthodes de test sont décrites pour
le test d’un oscillateur en anneau dont on en résume les
principales dans cette partie :
- Test de courant d’alimentation :
En mode fonctionnel «Operating Idd Test »
En mode non-fonctionnel « Non-operating Idd Test »
- VCOBIST

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- Méthodes de test numérique (DFT) :
Test statique avec VCO reconfigurable
Test dynamique avec VCO reconfigurable
A. Test de courant d’alimentation :
En mode fonctionnel «Operating Idd Test »
Le test de courant d’alimentation en mode fonctionnel est basé
sur la mesure de la valeur moyenne du courant nominale
d’alimentation du VCO en anneau correct. Cette valeur est
comparée avec la valeur RMS du courant d’alimentation d’un
VCO fautif [8]. Pour réaliser cette méthode de test, il faut laisser
osciller le VCO pendant quelques s et mesurer la valeur RMS
du courant nominal. En injectant des fautes catastrophiques, si la
faute est détectée, on doit obtenir une valeur de courant proche
de quelques nA, sinon si la faute n’est pas détectée, on doit
obtenir une valeur proche de la valeur RMS nominale dans un
intervalle de tolérance de ± 20 %.
En mode non-fonctionnel « Non-operating Idd Test »
Le test de courant d’alimentation en mode non-fonctionnel est
basé sur la mesure de la valeur RMS du courant nominale
d’alimentation (de l’ordre de quelques nA) du VCO en anneau
correct. Cette valeur est comparée avec la valeur RMS du
courant d’alimentation d’un VCO fautif (supérieur à 1 A) [8].
Pour réaliser cette méthode de test, il faut laisser osciller le VCO
pendant quelques ns et puis ramener Vctrl à zéro, afin de le
mettre à l’état de repos. La valeur RMS du courant a été
enregistrée pour les cas du circuit correct et circuit fautif.
B. VCOBIST
Le VCOBIST effectue ses mesures de synchronisation à l'aide
de deux oscillateurs en anneaux, l’un (OSC #2) fonctionne
légèrement plus rapide que l'autre (OSC #1), mais les deux
fonctionnent plus lentement que le signal de sortie du VCO sous
test mesuré. Le système de BIST mesure le temps entre deux
fronts d'horloge successifs du signal de sortie de VCO sous-test,
avec un degré de précision élevé [9, 10]. En prenant les mesures
répétées (4k) du même signal, on peut voir si cette période
change dans le temps (jitter). Les spécifications pour les deux
oscillateurs en anneau #1 et #2 utilisés, doivent être respectées
afin de maintenir la précision exigée dans une plage de quelques
psec. La figure 6 montre que OSC #1 commence avec le front
montant de la période de mesure et OSC #2 commence à la fin
de la période de mesure.
Fig.6 Principe de mesure du jitter
Ensuite, nous surveillons la relation de phase entre les deux
oscillateurs tout en gardant le nombre de cycle d’oscillation qui
se produit avant que les deux signaux se coïncident.
La relation de fréquence f = f#1 - f#2 constitue principalement
la résolution du VCOBIST. Les oscillateurs d'anneau utilisés
doivent montrer une fonctionnalité stable et fonctionner à une
faible variation de phase (jitter). Afin d’obtenir les résultats
corrects, on doit les calibrer avant chaque période de mesure.
Les composants de BIST les plus sensibles qui sont les
oscillateurs en anneaux doivent être identiques.
Fig.7 VCOBIST
La figure 7 nous montre le diagramme bloc du VCOBIST. Le
détecteur de coïncidence détecte les fronts montants des signaux
de sortie des deux oscillateurs en anneaux. Il y a deux
compteurs qui comptent les périodes de chaque oscillateur.
C. Méthodes de test numérique (DFT)
Le principe est basé sur le concept de reconfiguration [5, 6].
Ce concept est proposé pour tester le VCO comme une fonction
analogique en mode test. Par contre, la technique présentée ici
propose de modifier le VCO original pour qu'il fonctionne
comme une structure numérique en mode test.
Le principe est la modification du circuit original permet de
l’activer en deux modes distincts : a) le mode fonctionnel, dans
lequel le VCO fonctionne normalement, b) le mode test, dans
lequel le VCO est reconfiguré en une structure numérique
permettant un test efficace.
D’après la figure 8, le VCO se compose de trois parties: (i)
l’étage d’entrée de contrôle de délai, (ii) les étages de gain et
(iii) le buffer de sortie. Un étage de gain dans le domaine
analogique correspond à un inverseur dans le domaine
numérique. Par conséquent, du point de vue numérique, nous
pouvons voir le VCO comme une interconnexion d’inverseurs
et des éléments de contrôle de délai.
L'idée est de modifier la structure initiale de sorte que le VCO
fonctionne comme une chaîne d’inverseurs en mode test. La
méthode propose d'ouvrir la boucle de l’oscillateur en anneau et
de rebrancher le noeud flottant résultant au noeud de la sortie de
l'étage de contrôle.
L’implémentation du DFT illustré à la figure 9, implique alors
simplement d'ajouter deux interrupteurs supplémentaires.
Selon la valeur du signal de test, le VCO reconfigurable
fonctionne comme un oscillateur en anneau à délai contrôlé
(Test = 1) ou comme une série d'inverseurs (Test = 0).
Fig. 8 Représentation symbolique du VCO

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Fig.9 Principe du VCO reconfigurable
1) Test statique avec VCO reconfigurable :
La méthode de test numérique statique consiste à appliquer un
test booléen classique (ou tension statique), qui permet à
vérifier la fonctionnalité logique du circuit. Plus précisément, le
VCO en mode test (Test = 0) correspond à une série de cinq
inverseurs. Le test booléen consiste donc à vérifier qu’un 0
logique en entrée donne un 1 logique en sortie et inversement.
2) Test dynamique avec VCO reconfigurable :
Le test dynamique est basé sur l'évaluation de la propagation de
délai des chaînes d’inverseurs au lieu des tensions statiques [5].
Le principe du test dynamique consiste à appliquer un signal
carré dissymétrique sur l'entrée des chaînes d’inverseurs et à
mesurer le temps au niveau bas du signal de sortie comme
illustré sur la figure 10. Ce temps mesuré a été identifié comme
un paramètre de test efficace de la caractérisation du
comportement dynamique et statique de logique du VCO. En
effet, ce temps peut être exprimée comme : tL(OUT) = tH(IN) +
(tLH - tHL), où tLH et le tHL sont les délais de propagation
dynamique.
Fig.10 Test dynamique avec VCO reconfigurable
Le stimulus de test d'entrée est un signal carré dissymétrique qui
permet la distinction entre les niveaux bas et haut des signaux
d’entrée et de sortie du VCO reconfigurable. La décision de
déclarer un circuit fautif ou correct est prise en comparant la
valeur mesurée à la valeur nominale selon un intervalle de
tolérance de ± 10 %.
IV. TEST ET RESULTATS
A. Test fonctionnel
La conception a été faite en utilisant la technologie 0.8m
5V/400V CMOS/DMOS fourni par Dalsa Semiconductor. La
simulation a été effectuée avec Spectre sous la plateforme
CADENCE. La figure 11 montre respectivement les
caractéristiques transitoires du VCO à la fréquence de 13 Hz et
de 407 MHz. La figure 11(a) montre la courbe transitoire
symétrique de la sortie après avoir utilisé le diviseur, à la
fréquence très basse de 13 Hz, ce qui est très difficile d’obtenir
avec d'autres VCOs.
(a)
(b)
Fig. 11 Réponse transitoire du VCO : (a) à 13 Hz
avant et après diviseur, (b) à 407 MHz
La figure 12 montre le résultat de la simulation de la fonction de
transfert, fréquence de sortie en fonction de Vctrl. En fixant, la
tension de contrôle de la résistance et de la capacité et en
augmentant Vctrl, la fréquence atteint 407 MHz. La courbe de la
tension de contrôle de 1V à 1.8V, correspondant à la fréquence
d'oscillation de 70 MHz à 300 MHz, est presque linéaire. La
fréquence centrale mesurée est de 225 MHz et correspond à un
Vctrl de 1.5V.
Fig. 12 Fréquence en fonction de la tension Vctrl (DFT)
B. Méthodes de test numériques
1) Test numérique statique
En appliquant ce test pour notre VCO décrit dans le paragraphe
III-C, nous avons injectés des fautes catastrophiques unitaires
pour chaque transistor MOS de la chaîne de cinq étages
d’inverseurs de la figure 13.
La faute de court-circuit est modélisée par une résistance de
100 et la faute de circuit ouvert est modélisée par une
résistance de 100M. Étant donné que l’impédance de la grille
d’un transistor MOS est presque infinie, la faute de circuit
ouvert de la grille du transistor MOS (faute non probable) est
modélisée par un interrupteur, permettant d’isoler la grille du
circuit, comme montré sur la figure 14.
Fig. 13 Schéma de l’étage de gain du VCO (Fig.13 agrandi en annexe)

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Fig. 14 Circuit ouvert sur la grille du transistor M7
La figure 15 montre une faute équivalente avec une résistance de
100M utilisé comme modèle de faute source ouverte et drain
ouvert. Cette faute est comptée comme une seule faute dans la
liste des fautes. Donc, le nombre de fautes est réduit à cinq
fautes au lieu de six par étage d’inverseur.
Fig. 15 Faute équivalente : Source ouverte M8-Drain ouvert M9
Résultats du test numérique statique
Nous avons obtenu 56 fautes détectées sur un total de 85 fautes
(3 transistors par étages d’inverseurs et 5 fautes par transistor).
Ce qui nous permet de déterminer un taux de couverture
TCbooléen = 66 %.
Nous avons appliqué deux vecteurs de test en entrée du VCO :
0 et 1 logique. Le 0 logique correspond à Vss et le 1 logique
correspond à Vdd.
Fig. 16 Faute détectée court-circuit drain-source M7
Fig. 17 Faute non détectée du court-circuit drain-source sur le transistor M9
Pour les deux vecteurs de test utilisés dans la figure 17, la faute
de court-circuit drain-source sur M9 n’est pas détectée. Lorsque
Vin = 5V, Vout = 5V (1 logique) et inversement.
On doit noter que les fautes de court-circuit sur le transistor de
contrôle de courant (contrôle de délai) comme par exemple sur
M9, ne sont pas détectées (fautes difficiles à détecter), car pour
le test statique, ce transistor fonctionne comme un interrupteur
qui transfert le VSS à la source du transistor NMOS de l’étage
d’inverseur.
2) Test numérique dynamique
Pour ce test, nous avons injecté un signal carré dissymétrique de
fréquence de 1MHz, avec un niveau haut de 400ns et un niveau
bas de 600ns (figure 18), et nous avons mesuré le paramètre de
test qui est le temps au niveau bas tL(OUT) du signal de sortie :
tL(OUT) = tH(IN) + (tLH - tHL)
= 400 + (2.4-2.75)
tL(OUT) = 399.65ns
Comme mentionné dans le paragraphe III-C, Ce paramètre de
test servant à la caractérisation du comportement dynamique,
nous permet de prendre la décision de déclarer si la faute est
détectée ou non. Cette décision est prise en comparant la valeur
mesurée à la valeur nominale selon l’intervalle de tolérance de ±
10 %, ce qui correspond à ± 40ns de tL(OUT) calculé pour notre
application.
Fig.18 Signal d’entrée et signal de sortie du circuit correct
Résultat de test numérique dynamique
Nous avons détecté 58 fautes, Comme prévu, le test numérique
dynamique permet de détecter quelques fautes qui ne sont pas
détectées par le test numérique statique. Les deux fautes
supplémentaires détectées sont les fautes de circuit ouvert sur la
source du transistor de contrôle. Le taux de couverture augmente
de TCbooléen = 66 % à TCdyn = 68 %
Fig.19 Faute détectée source ouverte M8 drain ouvert M9
Dans l'analyse détaillée des résultats de la détection de défaut,
on note que la plupart de ces défauts non détectés sont des court-
circuits drain-source dans les transistors de contrôle du courant.
Ces défauts sont considérés comme des fautes difficiles à