Тестирование аналоговых и аналогово-цифровых сигналов с использованием модели

Авторы: Michael L. Bishnell Vishwani D. Agrawal
Перевод с английского: Шигимагин А.В.
Источник: Bushnell - Essentials Of Electronic Testing - Kluwer

«На исследования в тестировании аналоговых и смешанных сигналов сильно повлияли усовершенствования в алгоритмах и методиках цифрового тестирования. Однако цифровое тестирование все еще намного более продвинуто, нежели тестирование аналоговых и смешанных сигналов. Основная причина – это отсутствие широко распространенных принципов тестирования аналоговых и смешанных сигналов »

В настоящее время существует относительно немного инструментальных средств CAD (САПР) для разработки аналоговых тестов, и это обычно делается вручную. Зачастую проблема состоит в том, что функциональные аналоговые тесты, произведенные вручную, не эффективны для производства теста ИС на доступных испытательных устройствах, таким образом, тесты должны быть вновь перепроектированы вручную. Стоимость аналоговых тестеров определена числом цифровых контактов, требуемых для испытательных устройств, и числом аналоговых приборов, добавленных к тестеру для аналогового тестирования. Функциональная цифровая обработка сигналов (ЦОС) основанная на тестовых последовательностях для опытных образцов является достаточно трудоемкой. Также с появлением 22-х разрядных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), гистограмма тестирования которых потребовала бы огромного количества тестовых последовательностей и длительного времени моделирования для сбора достаточных данных для статистического анализа. Следовательно, усовершенствования в тестировании аналоговых и смешанных сигналов необходимы для уменьшения стоимости. Эта глава посвящена структурному тестированию аналоговых схем и для понимания материала необходимы знания алгебраических операций над матрицами, а также методов представления систем неполных дифференциальных уравнений в виде матриц якобиан.
История. Ранние попытки проведения аналогового тестирования  начались в 1990-х годах. Аналоговые схемы зачастую тестировались функционально против их спецификаций, по причине наличия малого количества вводов и выводов и относительно небольшого количества устройств. Тестовые входы генерировались исходя их технических характеристик. Тестовые системы достаточно дорогие по причине наличия большого количества инструкций. Ранние исследования были сосредоточены на дискретных аналоговых схемах т.к. компоненты схем были зачастую ненадежны, в процессе работы возникало много ошибок, и аналоговая диагностика была необходима, чтобы иметь возможность устранить неисправности в схемах.
С появлением смешанных сигналов наблюдаемость аналоговых схем была значительно уменьшена с установкой встроенных АЦП. Обратно, тестируемость аналоговых схем также значительно уменьшилась, если они управлялись встроенными цифровыми схемами. Стандартный  принцип тестирования, основанный на цифровой обработке сигнала, все еще используется в промышленности. С недавних пор, появилось доказательство того, что производители переходят от отдельных цифровых и линейных интегральных схем к смешанным, когда их вынуждают к ценовой конкуренции. Тем не менее, можно ожидать, что гонка разработок в области микроэлектроники будет только набирать темпы. Устройства на кристалле (System-on-a-chip (SOC)) обеспечивают более высокий уровень интеграции по сравнению с традиционными аналогово-цифровыми устройствами. Размещение всей систем на кристалл должно ощутимо сократить количество портов ввода/вывода, таким образом, уменьшая наблюдаемость все более сложных схем. Например, в настоящее время проводятся опыты по установке целых мобильных телефонов и персональных компьютеров на одной интегральной схеме. Это приведет к разработке устройств с малым количеством разъемов, которые будут иметь разъемы ввода/вывода для антенны, клавиатуры, дисплея, микрофона, динамика и аккумулятора. В настоящее время неизвестно, каким образом проводить тестирование внутренних компонент, количество которых быстро растет, с использованием только портов ввода/вывода.

Сложности при тестировании аналоговых сигналов

Проблемы моделирования неисправностей. Выделяют структурные и функциональные аналоговые тесты. Основная разница между ними состоит в происхождении неисправностей и процедуре моделирования. Функциональный тест часто предполагает, что компоненты являются неисправными и генерирует список неисправностей, используя производную и катастрофические неисправности (см. раздел 10.1.). При структурном тестировании используется статистика производственных неисправностей, и список неисправностей может содержать катастрофические или параметрические неисправности.
Аналоговые схемы имеют сложные отношения между входными и выходными сигналами. Многие аналоговые схемы являются нелинейными системами (например, МОП-транзистор, используемый как усилитель). Значения параметров схемы отличаются друг от друга, даже в хороших схемах. Использование детерминированных моделей неэффективно для аналоговых схем. Таким образом, сигнал принимает номинальное значение, а также выделяется диапазон допустимых отклонений от номинального значения. Моделирование и измерение неточности и погрешности при проектировании интегральных схем определяется допустимым отклонением значения сигнала. Наконец, статистические распределения аналоговых неисправностей, как правило, не известно с достаточной точностью, чтобы точно определить неисправность покрытий из тестового набора. Существует возможность того, что аналоговые схемы, содержащие катастрофические неисправности пройдут производственное тестирование.
Ошибки моделирования. Ожидаемые значения сигнала аналоговой схемы рассчитываются на основе моделирования, точность которого ограничена точностью численных значений, используемых в алгоритме моделирования, также моделирование предполагает допущения, касающиеся  точности внешних аналоговых устройств. Кроме того, процесс моделирования приводит к получению лучших результатов по Установление диапазона различных значений.
Погрешности измерений при тестировании. Ошибки измерений при тестировании аналоговых схем возникает из-за смещения аналогового сигнала, влияния нагрузки измерительного зонда на поведение аналоговых схем, а также сопротивления зонда. Кроме того, случайный шум является проблемой, поэтому аналоговые испытательные устройства ограничены в пропускной способности и точности измерений. Для аналогово-цифровых микросхем пересылка значений внутренних аналоговых сигналов к выходным портам может изменить сигнал и работу схемы в целом. Емкостные связи между высокочастотными цифровыми сигналами и аналоговыми сигналами вызывают дополнительные помехи аналоговой схемы. Аналоговое тестирование должно создавать разницу на аналоговом выходе  между исправными и неисправными устройствами, которая лежит за пределами погрешности тестового прибора и автоматического испытательного оборудования (АИО).
Проблемы доступа при моделировании. Цепь представляет собой набор сложных и недоступных внутренних компонент, что ограничивает использование обычного аналогового автоматического испытательного оборудования (АИО).
Погрешности производственного процесса. Различные параметры устройств в больших объемах производства интегральных схем придерживаются статистических законов распределения. Эта разновидность процесса может в значительной степени влиять на значения параметров компонент. Существуют способы аналогового моделирование и конфигурирования схем, чтобы свести к минимуму влияние температуры и градиента диффузии на компоновку схем. Наличие параметрических погрешностей влияет на изменение стоимости компонент. Однако, литература по аналоговому тестированию также описывает изменение выходных параметров, например изменение коэффициента усиления усилителя. Оба вида  правильны, а смысл будет понятен из контекста. Для аналоговых устройств  множественные параметрические неисправности (с участием нескольких незначительных изменений компонент) тем больше, чем больше величина одной неисправности или критической неисправности.
Информационный поток. Сложно тестировать схему путем индивидуального тестирования ее подсхем. Рассмотрим случай аналоговой схемы с двумя каскадами С1 и С2, каждый из которых имеет один вход и один выход, и передаточные функции по напряжению Н1 и Н2. С1 и С2 могут работать неправильно когда тестируются индивидуально из-за несовершенства производственного процесса, который искажает их передаточные функции. Однако, когда каскады соединяются вместе может случиться так, что искажение в Н1 компенсируется искажением в Н2, которое в некотором смысле может быть инверсией искажения Н1. Следовательно комбинация каскадов С1 и С2 фактически работает правильно. И наоборот, по отдельности правильные аналоговые схемы при соединении формируют неправильную схему.

Модели аналоговых неисправностей

Выделяют два вида моделей аналоговых неисправностей:

Катастрофические или устойчивые неисправности, когда происходит замыкание или обрыв в аналоговом компоненте.

Параметрические неисправности или сбои, когда значения аналоговых R, L, C или проводимость транзистора значительно изменяются так, что выходят за рамки допусков, и приводят к неприемлемому  ухудшению характеристик аналоговой схемы. Иногда к катастрофическим неисправностям также относят замыкание на Vss и замыкание на Vdd.

Катастрофические неисправности легко тестировать, а параметрические сложно.
Одиночные параметрические неисправности представляют интерес в модулях, которые состоят из нескольких микросхем и содержат согласующие резисторы или другие важные компоненты, такие как прецизионные индуктивности, используемые в радиочастотных схемах. Линейные аналоговые схемы проектируются таким образом, чтобы характеристики зависели от соотношений параметров компонентов, в таких схемах наибольший интерес представляют множественные аналоговые неисправности. Многие аналоговые схемы спроектированы с учетом принципа отрицательной обратной связи. В них используются операционные усилители, у которых параметры настраиваются с использованием импеданса обратной связи и входного импеданса. Как правило соотношение этих двух импедансов определяет является ли операционный усилитель итегратором, дифференциатором или буфером. Поэтому модель множественных параметрических неисправностей является наиболее полезной в данной ситуации. На рисунке 1 изображена усилительная схема, где первый усилительный каскад состоит из R1, R2 и первого операционного усилителя, второй каскад это высокочастотный фильтр состоящий из С1 и R3, и конечный каскад является низкочастотным фильтром, состоящим из R4, R5, C2 и второго операционного усилителя. Функциональные параметры, которые представляют интерес для тестирования, представлены в таблице 1. Только два из них являются одиночными параметрическими неисправностями, а все остальные множественные. Однако нас не интересуют все  множественные параметрические неисправности. Общее число двойных параметрических неисправностей составляет (72)=21, а общее число тройных  параметрических неисправностей составляет  (73) =35. Тестирование всех возможных вариантов очень дорого и излишне. На рисунке 2 изображен полностью компенсированный операционный усилитель, а существенные неисправности транзисторного уровня приведены в таблице 1.

Таблица 1. Cтруктурные аналоговые неисправности в усилителе и ОУ