Techniques de Test pour les Convertisseurs Analogiques/Numériques (CAN)

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1 ELE6306 : Test de systèmes électroniques Projet de cours Techniques de Test pour les Convertisseurs Analogiques/Numériques (CAN) Mhammed HAMINE & Iliasse BENAMRANE Professeur : A. KHOUAS Département de génie électrique Automne 2004

2 Plan 1-Introduction. Problématique Paramètres des CAN 2-Test industriel des CAN. Test par analyse spectrale. Test par histogramme 3-Techniques de tests intégrés des CAN Tests nécessitants des ressources matérielles initiales Technique BIST avec CNA Technique HBIST Technique MADBIST 1

3 Plan (suite) Techniques ne nécessitants pas des ressources matérielles initiales Technique BIST utilisant la technique du bit LSB Technique OBIST Génération de rampes linéaires internes pour le test des CAN 4-Conclusion 5- Questions. 2

4 1- INTRODUCTION La plus part des circuits intégrés (CI) utilisés en industrie sont mixtes(élément analogique et numérique) L élément charnière entre ces deux parties est le convertisseur Analogique/Numérique (CAN). L évaluation de ces circuits analogiques et mixtes passe par le test de ce convertisseur La plus part des circuits mixtes sont testés en mode fonctionnel: très demandant en temps et en argent. Besoin de développer des structures de tests intégrés BIST (built in self test) 3

5 Paramètres des CAN Paramètres statiques : L erreur de gain L erreur d offset Non linéarité différentielle et intégrale Paramètres dynamiques: Rapport signal sur bruit plus distorsion (SINAD) La dynamique de codage (SFDR ) Le taux de distorsion harmoniques (THD) Le taux de distorsion par inter-modulation (IMD) 4

6 2- Test industriel des CAN (externe) Le test par analyse spectral : Signal sinusoïdal à l entrée Appliquer une transformée de fourrier rapide (FFT) sur une longueur T finie Analyser la réponse du circuit dans le domaine fréquentiel. Évaluer les distorsions et bruits introduits par la quantification. Il existe deux techniques d analyse spectrale : technique "single tone", technique "dual tone". Analyse fréquentielle d une sinusoïde 5

7 2- Test industriel des CAN (externe) Technique "single tone" : Sinusoïde de fréquence pure à l entrée Analyser dans le spectre les différentes composantes fréquentielles Évaluer le SINAD, THD, la SFDR Analyse spectrale single tone Technique «dual tone" : Somme linéaire de plusieurs sinusoïdes de fréquence F1 et F2 à l entrée Évaluer les phénomènes d intermodulation IMD générés par la conversion de ce signal composite. Analyse spectrale dual tone 6

8 2- Test industriel des CAN (externe) Le test par histograme : Technique externe la plus populaire pour tester les CAN Basée sur une analyse statistique de combien de fois un code numérique apparaît à la sortie du CAN On applique un signal analogique à l entrée Enregistrer 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. Déterminer l erreur du gain, l erreur d offset, la non-linéarité différentielle et intégrale ainsi que les codes manquants. Test par histogramme 7

9 2- Test industriel des CAN (externe) Le test par histograme (suite): Le signal d entrée peut être sinusoïdal ou triangulaire Histogramme linéaire est plus économique en terme de mémoire pour enregistrer l histogramme idéal (code constant à la sortie) l histogramme sinusoïdale est compliqué à exploiter (distribution non uniforme) Chronogramme test par histogramme 8

10 2- Test industriel des CAN (externe) Inconvénients: Ces techniques de test se font à l extérieur du circuit sous test (DUT). Nécessiter du matériel de test sophistiqué et coûteux en même temps. Demande beaucoup de mémoire pour enregistrer les codes à la sortie. Besoin 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. 9

11 3- Test intégré des CAN Tests intégrés nécessitants des ressources matérielles initiales: Technique BIST avec CNA Technique HBIST Technique MADBIST Tests intégrés ne nécessitants pas de ressources matérielles initiales: Technique BIST utilisant la propriété du bit LSB Technique OBIST 10

12 3- Test intégré nécessitant du matériel initial Technique BIST avec CNA: Définition d une marge de test (Gabarit) Définir 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. Le gabarit construit permet d évaluer tout histogramme à la sortie du CAN à tester: bon si son histogramme est inclus dans le gabarit Sinon il est considéré défectueux. Construction du gabarit de test 11

13 3- Test nécessitant du matériels initial Technique HBIST (Hybrid Built In-Self Test ) Structure BIST avec CNA et un DSP généralisée pour les circuits mixtes. 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 Génération des vecteurs de tests par LFSR Analyse de la signature est similaire à celle du BIST numérique (MISR) Circuit de test typique Structure HBIST 12

14 3- Test intégré nécessitant du matériels initial Technique MADBIST (Mixed Analog- Digital Built-In Self-Test) : structure HBIST améliorée (CNA et DSP, MUX, Modulateur) vérification par diagramme de test en 3 étapes principales Étape 1 et étape 2 réservées pour le test du MADBIST Étape 1 (Test du CAN) générateur de signal analogique sinusoïdal précis modulation en PDM (Pulse Density Modulated) multiplexeur sélecte le signal modulé Bruit éliminé par filtre anti-repliement (AAF) Traitement au niveau DSP Test de ADC (AAF : Filtre anti-repliement) 13

15 3- Test nécessitant du matériels initial Technique MADBIST (suite) Étape 2 (Test de CNA) Génération de vecteurs de test par DSP Sortie CNA filtrée (filtre de lissage) multiplexeur sélecte le signal analogique filtré Traitement au niveau DSP caractérise le CNA et même le filtre de lissage sépare le bruit du signal grâce à son filtre numérique (FIR, IIR,...). Test du CNA 14

16 3- Test intégré nécessitant du matériels initial Technique MADBIST (suite) Étape 3 (Test de DUT) Paramètres évalués au niveau DSP rapport signal/bruit, gain et taux de distorsion (harmonique, par intermodulation) Inconvénients Paramètres non évalués offset, NLI, NLD Éléments (ressources matérielles initiales) à rajouter sont peu nombreux (DSP, CNA, CAN, MUX...) Idée => Test intégré ne nécessitant pas de ressources matérielles initiales Test du DUT (structure MADBIST) 15

17 3- Test ne nécessitant pas de matériels initiales Technique BIST utilisant la propriété du bit LSB: Utilise les propriétés du bit de poids faible pour déterminer les paramètres du convertisseur. Généré une rampe linéaire à l entrée Mesurer l intervalle de temps entre chaque commutation du bit de poids faible (LSB). un compteur est incrémenté sur chaque transition du bit LSB 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. Test des non-linéarités 16

18 3- Test intégré des CAN Technique OBIST Introduire le CAN dans une boucle et le force à osciller autour de codes prédéterminés. Permet de déterminer les paramètres importants du circuit (le temps de conversion, les non-linéarités différentielles et intégrales). Le bloc numérique commande l'interrupteur pour charger la capacité avec un courant i ou i. Signal triangulaire dont la fréquence dépend des caractéristiques fonctionnelles à évaluer. Test basé sur l oscillation du CAN 17

19 3- Test intégré des CAN Génération intégrée de rampe pour tester les CAN Générateurs de rampe linéaire => qualité Deux contraintes L amplitude (erreurs de gain) La précision de la pente (erreurs de non-linéarité) Erreur due à l amplitude Erreur due à la précision de la pente 18

20 3- Test intégré des CAN Génération intégrée de rampe (suite) Principe de génération de pente linéaire Deux méthodes: intégration de tension constant nécessite un ampli-op => surface charge et décharge de capacitance nécessite une source de courant => meilleur Méthode de charge et décharge de capacitance pente est proportionnelle au temps Précision de la pente dépendent des variations de Ic Problématique Variations de courant Ic peut créer une amplitude faible Solution => contrôler le courant Ic ajouter un circuit de compensation (auto-calibration) Deux types: Numérique & analogique 19

21 3- Test intégré des CAN Génération intégrée de rampe (suite) Système de compensation numérique Principe Utilisant CNA et un compteur/décompteur Vctr oscille autour d une valeur égale à (+- LSB) pour asservir la sortie autour de Vref. Inconvénient Diagramme fonctionnel Plus de surface par ajout de (CNA et Compteur) Solution pour réduire la surface Utiliser un CNA cyclique (série) et un compteur/décompteur classique 20

22 3- Test intégré des CAN Génération intégrée de rampe (suite) Système de compensation numérique (suite) Utilisant CNA et un compteur/décompteur Principe basé sur des transferts de charges entre C1 et C2 But: augmenter la précision de Vout diminuer LSB augmenter le nombre de bit Inconvénient augmenter la surface Solution proposée Système de compensation analogique 21

23 3- Test intégré des CAN Génération intégrée de rampe (suite) Système de compensation analogique Principe asservissement similaire (transfert de charge) précision de la pente dépend directement du rapport C2/C1 augmenter la précision diminuer C2 rapport C2/C1 << 1 C2 peut être remplacée par Cgs équivalente des transistors Circuit général d auto-calibration analogique de la rampe Circuit de compensation analogique 22

24 3- Test intégré des CAN Génération intégrée de rampe (fin) Système de compensation analogique (suite) Circuit général d auto-calibration analogique de la rampe ( circuit optimal ) Avantages Précision de la pente est maximale Éviter les erreurs de gain et de non-linéarité Minimum de surface Générateur de rampe auto-calibrée 23

25 Test industriel des CAN. 5. Conclusion Test par analyse spectrale. ( taux de distorsion, le SNR et le SINAD) Test par histogramme (erreurs dues à l offset, au gain, aux non-linéarités ) Techniques de test intégré des CAN Techniques nécessitants des ressources matériels initiales Technique BIST avec CNA Technique HBIST Technique MADBIST Techniques ne nécéssitants pas des ressources matériels initiales Technique BIST utilisant la technique du bit LSB Technique OBIST Génération de rampe linéaire interne pour le test des CAN avec un système d auto-calibration 24

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27 6. Questions 26