一款國產SoC器件模擬部分測試技術研究

李明明,趙彥飛,劉思嘉,何忠名,劉 開,于 望

(中國運載火箭技術研究院物流中心，北京 100076)

0 引言

隨著集成電路設計和制造技術的飛速發(fā)展，集成電路從晶體管的集成發(fā)展到邏輯門的集成，再到目前的SoC(System-on-a-Chip)集成。 所謂的SoC又稱為系統(tǒng)單芯片，就是將電腦的一部分或加上其它部分電路放在同一顆芯片內。通常SoC電路會包含數字電路、模擬電路、混合電路等多種電路模塊。由于SoC技術可以有效地降低電子信息系統(tǒng)產品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產品的競爭力，因此它代表著集成電路未來發(fā)展的主要方向。然而隨著SoC功能復雜度的不斷提升，給集成電路測試行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)[1]。

本文提及的電路為一款國產SoC電路，它以SPARC V8處理器為核心，集成多路模擬量與開關量數據采集、多路模擬與數字信號輸出、1553B通訊等多種外設接口的高可靠片上系統(tǒng)(SoC)。內部通過AMBA總線將帶高性能CPU、A/D轉換器、模擬開關、1553B總線控制器、I2C總線控制器、計數器、定時器、UART、通用I/O、PWM輸出等多種功能模塊集成在單一芯片上，適用于測試、實時計算以及控制等領域，有效地實現了電氣系統(tǒng)的集成化、小型化、輕量化、智能化、低功耗。

本文將以這款國產SoC電路為例，測試工程師立足于現有的軟硬件資源，根據設計工程師提供的芯片信息和測試需求，通過合理分配ATE(auto test system)測試資源、自動轉換軟件TDS結合手工編制測試向量、應用A/D轉換器測試和模擬開關測試技術等手段，實現了SoC電路模擬部分——即A/D轉換器和模擬開關的測試研發(fā)。

1 電路模擬部分介紹

由于SoC功能復雜、芯片集成度高，為減少芯片測試、制造和設計之間的差距、提高芯片研發(fā)效率、降低成本，通常采用IP核復用技術——將已經通過驗證的電路功能模塊即IP模塊集成到SoC系統(tǒng)上。如圖1所示，為SoC電路模擬部分即4個A/D轉換器和2路模擬開關的結構圖。該款SoC器件模擬部分包含的A/D轉換器(即AD1、AD2、AD3、AD4)和模擬開關就是IP核產品。IP核類產品的引入，保證了SoC器件中A/D轉換器和模擬開關的各項性能指標，并為測試工程師提供了詳盡的技術資料，從而提高了Soc模擬部分測試調試的效率。同其它SoC產品相同，該款器件集成了多種類型的電路，如果在封裝過程中把每個獨立的邏輯信號都作為管腿引出來，無疑是不現實的，因此管腿復用技術可以解決此問題。復用通道的不同功能是通過運行不同的邏輯時序來實現的。如圖1所示，對于被測電路來說，模擬開關3和模擬開關4的最低位分別復用成為AD3和AD4的模擬輸入端，這從硬件上確保了4個ADC的模擬信號輸入端都對應到電路的相應管腿。在實際測試過程中，測試工程師通過在向量中施加一定的邏輯時序，可以選通某一個A/D轉換器并進行各種功能和參數測試[2]。同理，模擬開關部分也是通過此方法，選通某一個模擬開關并進行功能和參數的測試。

2 自動測試系統(tǒng)資源的分配

該款SoC電路測試所采用的自動測試系統(tǒng)即ATE，型號為A575，它是由美國泰瑞達出品的高級混合信號測試系統(tǒng)。該測試機臺在混合信號集成電路即A/D、D/A轉換器等電路測試方面表現出眾，然而同目前流行的SOC測試系統(tǒng)相比，A575系統(tǒng)能夠提供的直流DC源(本文涉及使用的A575有5個直流源)、數字通道(128個數字通道)、任意波形發(fā)生器(兩組AWG)都很有限。因此若要實現該款電路模擬部分的測試，測試工程師需要合理地規(guī)劃和分配ATE的硬件資源。

在測試準備階段，設計工程師需要協同測試工程師，對器件的功能進行詳盡的描述，提供測試要求。測試工程師根據測試需求和參數指標，確定測試機臺，并將測試機臺的硬件指標反饋給設計工程師。鑒于SoC電路功能復雜、引腿數量多、管腿多采用復用形式，因此設計人員需要根據測試人員提供的測試條件起草芯片的測試需求清單checklist。

如本文提及的SoC電路，其checklist內容包含：模擬部分功能結構示意圖、模擬部分測試有關的管腿、可接數字地或模擬地的管腿、芯片所含的電源類型等。如表1所示，為設計人員提供被測電路模擬部分項目清單的部分截圖。

表1 被測電路模擬部分的項目清單

集成電路測試接口板的主要功能是將測試機臺的硬件資源引到測試接口板上，通過將被測器件放入板上配備的高精度插座內，再通過對測試系統(tǒng)的編程控制實現了對被測電路加電、對指定管腿施加輸入時序信號、采集輸出信號等一系列測試操作。測試接口板的性能指標直接影響著被測電路的測試精準性，因此測試接口板是測試系統(tǒng)的重要組成部分。

此款被測電路模擬部分包含了4款A/D轉換器，而測試機臺只能夠提供一個模擬信號源，為確保對所有的轉換器都進行測試操作，且避免使用繼電器而引入的信號失真和誤差，因此在設計測試接口板時，選用了傳統(tǒng)的跳線帽方式進行不同A/D轉換器的切換。這種方式雖然避免了A/D轉換器模擬輸入端之間的相互干擾，但是要完成所有A/D轉換器的測試需要進行4次操作，不利于該產品大批量高效率的測試生產，這也將是測試工程師今后需要改進的地方。在對該電路測試接口板進行布線的時候，測試工程師采用了疊層布線的設計方式，將數字信號和模擬信號、數字源和模擬源、數字地和模擬地分別分層布線，避免了它們之間產生干擾。由于被測電路的數字信號的運行速度高達50 Mhz以上，為保證信號的精度和完整性，數字信號的走線長度盡可能保持一致，并進行阻抗匹配[3]。對于芯片的運行基準——時鐘信號，為確保其純凈度和精準性，在設計接口板時盡可能將時鐘信號單獨布在一層并在其周圍加屏蔽線。此外，測試接口板適配器的選擇也非常重要，除了不能對被測器件造成損傷等基本要求之外，適配器贏滿足被測器件的耐電壓、電流、頻率、溫度等工作條件。為適應大批量的測試生產，適配器的使用次數也應滿足要求。

3 測試向量的生成

在自動測試系統(tǒng)上驗證集成電路功能的主要手段通常是通過運行測試向量來實現的[4]。對于單純的數字電路來說，通常由設計人員提供仿真文件(如VCD、WGL等類型)，測試工程師利用test design software(TDS)等自動轉換軟件將仿真文件轉換成某一型號自動測試系統(tǒng)能夠識別的測試向量文本文件，再經過修改、編譯等操作生成測試向量。對于混合信號集成電路的測試，由于涉及到模擬信號的產生或采樣、時鐘同步、數字信號的采樣和處理等操作，因此如A/D和D/A轉換器等典型的混合信號集成電路的測試向量通常由測試工程師編寫來完成。

本文討論的SoC電路模擬部分，雖然只考慮轉換器和模擬開關的測試實現，但它們都隸屬于一個SoC系統(tǒng)內，通道的復用選擇、A/D轉換器的選通、模擬開關的選擇等操作都需要數字信號的邏輯控制來完成，然而該電路數字信號眾多，手工編寫向量是不現實的，因此該款被測電路測試向量的生成是通過將自動轉換軟件如TDS軟件等和手工編寫相結合的方法來實現的。在對本款SoC模擬部分進行測試向量生成的過程中，首先由設計工程師提供芯片控制部分的仿真文件，測試工程師使用TDS軟件進行轉換，如圖2所示為由TDS軟件轉換后的向量圖形；然后根據選通的模擬模塊性能特征(某一款A/D轉換器或模擬開關)在自動轉換向量文本上手工編寫測試向量；將軟件自動轉換和手工編寫相結合，形成測試向量文本文件，再經過測試系統(tǒng)編譯生成最終的測試向量。

圖2 TDS轉換后向量圖形

4 測試技術的應用

4.1 A/D轉換器測試技術的應用

A/D轉換器電路是一款將模擬信號轉換為數字信號的電路。A/D轉換器的作用是將時間連續(xù)、幅度連續(xù)的模擬量轉化為時間離散、幅度也離散的數字信號。因此，在對A/D轉換器電路的測試就是對轉換器模擬輸入端口加載動態(tài)或靜態(tài)波形，電路完成信號轉換后，在對數字輸出端口的信號進行采樣計算的過程[5]。

該款SoC器件包含4個12位、1 Msps的A/D轉換器電路。作為SoC電路內嵌的IP核，在對模擬部分進行測試時，需要在整個電路系統(tǒng)內通過控制信號選通指定的A/D轉換器并對其進行測試檢測和參數評估。

在對被測SoC內的A/D轉換器進行測試研發(fā)時，測試工程師考量的參數主要有動態(tài)測試參數和線性測試參數。動態(tài)參數主要包括信噪比(SNR)、諧波失真度(THD)等參數。通常情況下，A/D轉換器的動態(tài)參數是利用ATE的任意波形源在被測電路模擬信號輸入端口加載某一個固定頻率的波形，并在數字端采集轉換信號，最后對測試結果進行分析。在對動態(tài)參數進行測試分析的時候，需要將轉換器數字端口輸出的數字信號進行處理，即通過快速傅里葉變換(FFT)將時域信號轉化為頻域信號，再對頻譜信號進行計算和分析。如圖3所示，為一款A/D轉換器測試時應用FFT變換的示意圖。處理后得到的頻域信號，經過信號處理、統(tǒng)計和計算可以得到一些有用的信息(包括噪聲、主頻信號強度、諧波信號、采樣頻率甚至是抖動誤差)。

圖3 A/D轉換器測試時應用FFT變換示意圖

為確保A/D轉換器能夠進行正常的信號轉換工作，能夠獲得完整波形的轉換信號，測試工程師應該嚴格按照Nyquist采樣定律對被測電路加載某一頻率固定周期數的動態(tài)波形(如正弦波)，對信號輸出端口設置合理的采樣點，從而實現在A/D轉換器測試的過程中，采集到的轉換數據能夠包含完整的輸入周期和描述信息[6]。此外，在A/D轉換器測試時應用Nyquist采樣定律還能保證經過傅里葉變換后數據內的頻率成分分布在離散的頻段中，便于測試工程師對頻譜信息進行提取和分析。Nyquist采樣公式如下所示，其中FT為測試頻率、M為采樣數量、FS為采樣頻率、N為測試周期。

為確保信號的一致性和完整性，該款SoC器件內的A/D轉換器測試也使用了Nyquist采樣定律[7]。在進行A/D轉換器動態(tài)參數的測試研發(fā)時，測試工程師使用1.0 Mhz的采樣頻率對采樣周期數為4 096的轉換信號進行處理和計算。具體設置如下式所示，從而保證了A/D轉換器在指定的轉換時間內能夠輸入理想的(反映輸入模擬信號特征的)采樣信號。

A/D轉換器的線性參數包含：增益誤差、偏移誤差、積分非線性(INL)和微分非線性(DNL)誤差，這些參數表征了轉換器對靜止的模擬信號轉換成數字信號的性能。DNL誤差定義為實際量化臺階與對應于1 LSB的理想值之間的差異，INL誤差表示實際傳輸函數背離直線的程度，以LSB或滿量程的百分比(FSR)來度量,由此可見，線性參數主要關注具體電平與相應數字代碼之間的關系。本文將主要討論INL和DNL的測試方法。

對被測SoC器件的某一款A/D轉換器的線性參數進行測試時，在轉換器模擬信號輸入端輸入全幅度的一個周期的斜波，在轉換器數字端口進行采樣，然后將采集到的數據送到計算機系統(tǒng)內進行處理和計算[8]。如圖4所示為A/D轉換器線性參數測試時的統(tǒng)計直方圖。統(tǒng)計直方圖是一種幾何形圖表，它是根據從測試過程中收集來的數據分布情況，畫成以組距為底邊、以頻數為高度的一系列連接起來的直方型矩形圖。測試工程師使用統(tǒng)計直方圖對測試結果進行信號處理和分析，并計算出線性參數INL和DNL。

圖4 A/D轉換器線性參數測試直方圖

4.2 模擬開關測試技術的應用

模擬開關是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據選通端的電平來決定輸入端與輸出端的狀態(tài)。當選通端處在選通狀態(tài)時，電路輸出端的狀態(tài)取決于輸入端的狀態(tài)；當選通端處于截止狀態(tài)時，則不管輸入端的電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開關電路在電子系統(tǒng)中的主要作用是接通信號或斷開信號。在本文討論的SoC器件中，模擬開關主要是完成信號鏈路中的信號切換功能。模擬開關電路的測試參數主要包括：通道選擇功能測試、導通電阻、截止電流、開啟時間、隔離度等。模擬開關的測試可以參照GB/T14028-1992即《模擬開關測試方法》來完成。被測SoC器件包括4個12路的模擬開關，其中兩個模擬開關含在芯片內部，沒有管腿引出來，其功能通過內部信號控制來實現，因此只能對另外兩個模擬開關進行測試研發(fā)。本文將主要針對通道選擇功能和隔離度這兩個參數進行討論。

模擬開關的通道選擇功能主要通過運行測試向量來實現[9]。測試工程師在向量中對各個模擬開關施加不同的邏輯電平，選擇導通某一模擬通路并在輸出端口進行窗口電平比較。值得注意的是，為確保測試能夠覆蓋到所有的開關通道，并能夠識別出哪個開關通道被選通，因此在編制此功能向量時要保證一次只能選通一個模擬通路且其余的模擬通路均處于截止狀態(tài)。這種測試方法在對導通電阻、開啟時間等其它參數的測試時也適用。

隔離度是模擬開關處于截止狀態(tài)時輸入信號對輸出信號的幅度比。通過施加控制信號或者運行某一向量，使得模擬開關處于截止狀態(tài)；在被測的開關的輸入端施加一定幅度和頻率的正弦信號,在輸出端口采集測試結果，最后按照下列公式計算出隔離度KOIRR[10]。本文涉及的模擬開關為IP核，在SoC封裝前已經完成全參數測試，為確保測試生產效率，因此在模擬開關測試未包含隔離度參數。

5 實驗結果與分析

如圖5所示為國產SoC電路模擬部分測試結果的部分截圖。通過大量的生產實驗，我們發(fā)現在正常的工作環(huán)境下，電路中內嵌的4款A/D轉換器和兩款模擬開關被電路系統(tǒng)選通后都能夠獨立地完成工作。4個A/D轉換器之間參數指標差異很小，信噪比達到66 dB以上，有效位達到10位左右，完全滿足SoC器件的工作需求。兩個模擬開關之間的切換完全能夠通過電路系統(tǒng)內控制指令來完成，其開關速度和準確性均能夠滿足SoC器件的工作需求。

圖5 國產SoC器件模擬部分測試部分截圖

經過批量生產，測試工程師發(fā)現電路內嵌的第2個A/D轉換器電路在低溫測試環(huán)境下，有極少數電路(數量<1%)會表現信噪比下降，即使更換測試接口板也無法改善。當測試溫度恢復到常溫后，低溫失效的A/D轉換器恢復正常，由此我們排除了測試接口板的原因。測試工程師將此情況同設計工程師、封裝工藝師進行溝通，爭取在后續(xù)的工作中，不斷完善此SoC器件的設計、封裝工藝、測試解決方案，旨在進一步提升國產SoC電路的各項性能指標。

6 結束語

本文就一款國產SoC器件模擬部分的測試進行了描述。通過測試前，通過對硬件資源進行合理地規(guī)劃和分配、在測試調試過程中運用各種軟件資源和測試方法，完成了這款復雜芯片模擬部分的測試。目前，這個測試項目已經通過用戶的驗收，完成了多個批次的生產任務。因此，目前這種為國產SoC模擬部分提供的測試解決方案能夠滿足各項需求，是合理可行的。然而，隨著集成電路特別是SoC器件的飛速發(fā)展，對電路測試也提出了新的挑戰(zhàn)。超大規(guī)模、功能強大的自動測試系統(tǒng)勢必成為測試SoC器件的主流機臺。此外，為確保批量測試生產的效率，在同一臺ATE上進行SoC器件的整體測試(包括數字信號部分、模擬信號部分、混合信號部分等)是必然和必須的。希望本文能為此提供一點技術幫助。