高精度混合集成電路直方圖測試討論*

*參與項目：陜西省重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈（群）-工業(yè)領(lǐng)域：高精度模擬與混合信號集成電路頻譜測試技術(shù)研究，受理編號：S2020-YF-ZDCXL-ZDLGY-0297

本文主要通過測試機臺模擬步進DAC，并且步進DAC 比待測器件高出4 bit，這樣ATE 測試機臺能夠?qū)⒁粋€待測ADC 的一個轉(zhuǎn)換碼平均分割16 步進，并且轉(zhuǎn)換16 次。從而待測器件理想情況下每位的轉(zhuǎn)換碼都會重復(fù)出現(xiàn)16 次。直方圖測試就是通過統(tǒng)計每個碼點出現(xiàn)的次數(shù)，與理想情況下碼點出現(xiàn)的次數(shù)來計算靜態(tài)參數(shù)值。

1 直方圖法參數(shù)計算

零點誤差( E_Z ) 與增益誤差（ E_G ）

圖1 以柱狀圖表示每個轉(zhuǎn)換碼點的次數(shù)。假設(shè)被測器件是n 位，ATE 測試機臺內(nèi)部的DAC 是n+4 位。

在計算時，先利用ATE 測試機臺采集每個轉(zhuǎn)換碼i=1到i=2ⁿ?2，重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)。我們記錄轉(zhuǎn)換次數(shù)為H。假設(shè)每一位轉(zhuǎn)換碼在ATE 出現(xiàn)的次數(shù)為H_(i )。有

在直方圖測試法下有：

V_ZST是數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換碼從00..00 到00..01 時的模擬值。

V_FST是使數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換碼從11..10 到11..11 的模擬值。根據(jù)待測ADC 靜態(tài)參數(shù)LSB_DOUT 準計算公式

ADC的零點誤差：

同理增益誤差E_G：

其中， H_[IDEAL] 直方圖測試法中理想狀態(tài)ADC 的輸出數(shù)碼對應(yīng)的機臺步進的次數(shù)。

1.2 差分非線性誤差 (DNL) 與微分非線性誤差 (INL)

根據(jù)V_FST、V_ZST的定義，在直方圖測試法下有：

由式(4)(5)相減可以得出

根據(jù)A/D 靜態(tài)參數(shù)LSB_DUT準計算公式

Code Center_[i ]為轉(zhuǎn)換碼中心是指當(dāng)數(shù)字輸出為i時，其1/2 碼寬對應(yīng)的模擬輸入值。

Code Center_[0]是數(shù)字轉(zhuǎn)換輸出i = 0的，Code Center_[0]就是V_ZS。

零點的INL值有

理想的零點INL_[0]=0

當(dāng)i = 2ⁿ?1(最大值)時，可得

根據(jù)ADC靜態(tài)參數(shù)傳統(tǒng)計算公式得

當(dāng)0 < i < 2n ?1時，根據(jù) ADC 靜態(tài)參數(shù)標準計算公式得

可得

可得直方圖測試法INL_{[i ]}的計算公式

2 測試技術(shù)實現(xiàn)

本文選取AD7656BSTZ 型號芯片進行測試分析，分別使用傳統(tǒng)定義法測試和基于直方圖法測試兩種測試方法進行ATE 測試，并分別用這兩種測試方法進行算法編寫代碼，分別計算零點誤差、滿量程誤差、差分非線性誤差、積分非線性誤差。圖2 是器件實物和理想轉(zhuǎn)換示意圖。

圖2 理想轉(zhuǎn)換示意圖

2.1 基于傳統(tǒng)定義法實現(xiàn)測試

圖3是基于ADVANTEST T6575 測試16 位轉(zhuǎn)換碼對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值，采樣點選取了65 536 個點。該芯片為補碼輸出，下圖為ATE 測試補碼輸出和轉(zhuǎn)換后測試輸出值。ATE將測試的65 536 個轉(zhuǎn)換值抓取到數(shù)組中進行傳統(tǒng)定義法計算得出E_Z、E_G、DNL、INL 分別為-0.03%FS、0.02%FS、-1.5LSB、1.2LSB。

圖3 定義測試AD7656BSTZ轉(zhuǎn)換碼

2.2 基于直方圖法實現(xiàn)測試

圖4 圖5 是基于ADVANTEST T2000 測試轉(zhuǎn)換輸出和DNL測試結(jié)果。計算得出E_Z、E_G、DNL、INL 分別為-0.04%FS、0.03%FS、0.6LSB、1.0LSB。

圖4 直方圖法測試轉(zhuǎn)換碼

圖5 直方圖DNL測試結(jié)果

3 對比分析

基于傳統(tǒng)定義法測試特點首先算法簡單容易實現(xiàn)，但是算法計算量較大，其次零點誤差和增益誤差可直接計算，并且能夠直觀反映該項參數(shù)的指標。直方圖法測試特點首先在計算DNL 和INL 可剔除系統(tǒng)干擾或者噪聲引起的某個轉(zhuǎn)換點的突變或者丟碼。其次直方圖法測試需要系統(tǒng)的采樣點多，工程上至少1 個轉(zhuǎn)換點需要重復(fù)測試16 次，才能保證該算法的優(yōu)勢。但同時也增加了測試時間。

參考文獻：

[1] 胡春.基于精度的12位逐次逼近型ADC的研究與設(shè)計.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文[D].武漢:華中科技大學(xué), 2005,1-2.

[2] 喬高帥.一種高精度逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計.上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文[D].上海:上海交通大學(xué), 2009,13-14.

[3] 孫彤,李冬梅.低功耗逐次逼近數(shù)模轉(zhuǎn)換器的研究與設(shè)計.清華大學(xué)碩士畢業(yè)論文[D].北京:清華大學(xué), 2007.

[4] LIU W, CHANG Y, S. K. HSIEN, CHEN B W, LEE Y P, et al. A 600 MS/s 30 mW 0.13um CMOS ADC array achieving over 60 dB SFDR with adaptive digital equalization[J].IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, 2009, 2:82-83.

[5] F KUTTNER. A 1.2-V 10-b 20-Msample/s non binary successive approximation ADC in 0.13-um CMOS[J].IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, 2002,2:176–177.

[6] BASTOS J, STEYAERT M, GRAINDOURZE B, et al. Matching of MOS transistors with different layout styles [J].Icmts 1996-1996 IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures, Proceedings, 1996, 17-18.

[ 7 ] A L B I N A C M , H A C K L G . L a y o u t p a r a s i t i c interconnections effects on high frequency circuits[J]. 2007 IEEE Dallas/Cas Workshop on System-on-Chip (Soc): Design, Applications, Integration, and Software, 2007, 71-74.

[8] T WAKIMOTOW, LI H, K. MURASE. Statistical analysis on the effect of capacitance mismatch in a high-resolution successive approximation ADC[J].IEEJ Electrical and Electronic Engineering, 2011, 6(S1). S89-S93.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）