基于电流测试的混合信号电路故障检测和定位概要.docx
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基于电流测试的混合信号电路故障检测和定位概要
第29卷第10期系统工程与电子技术V01.29No.102007年10月‘SystemsEngineeringandElectronicsOct.2007
文章编号:
1001—506X(200710—1768—05
基于电流测试的混合信号电路故障检测和定位
朱彦卿,何怡刚,阳辉
(湖南大学电气与信息X-程学院,湖南长沙410082
摘要:
针对集成电路测试中模拟和混合电路的测试问题,提出了一种基于小波分析的电流测试实现混合信号电路故障诊断的方法。
该方法先测试电路在激励信号下的动态电流,再利用小波变换对采样动态电流信号进行小波分析采诊断电路是否存在故障,并进一步定位故障。
对示例ADC电路仿真试验的结果表明该方法比积分法和傅立叶分析方法对故障有更高的灵敏度,不仅能够有效检测出电路中的各种故障,而且能对故障进行定位。
关键词:
故障诊断;电流测试}小波分析;混合信号电路
中图分类号:
TN431.1文献标志码:
A
Currenttestingbasedfaultdetectionandlocationformixed—signalcircuit
ZHUYan-qing,HEYi—gang,YANGHui
(Coil.ofElectricalandIn}formationEngineering,HunanUniv.,Changsha410082,China
Abstract:
Howtotesttheanalogueandmixed—signalcircuitshasbecomeverycriticaltotheICtesting,anovelfaultdiagnosismethodbasedoncurrenttestingisproposedformixed-signalcircuits.Thismethodmeas—uresthedynamiccurrentofcircuitsundertest,anddecomposesthesampledcurrentsignaturewithwavelettransform.Todetectandlocalizethefaults.thewaveletcoefficientsofcurrentsignatureareanalyzedtoextractthefaultcharacteristicinformation.TheexperimentalresultsforanA13(2circuitshowthatthepresentedmeth-odhavehighersensitivitytofaultthanthepureintegralandFFTmethod。
andcannotonlydefectfaultseffec—tively,butalsolocalizethefaultssatisfactorily.
Keywords:
faultdiagnosis}currenttesting;waveletanalysis;mixedsignalcircuit
0引言
集成电路技术发展至今,无论从设计、制造、封装及应用的各阶段来看,集成电路的测试都是至关重要的。
近年来,随着SOC的出现和发展,以及对模拟电路的需求日益增加,导致在SOC中集成越来越多的ADC、DAC、PLL等混合信号电路成为一种前所未有的发展趋势,这更是对混合信号测试的研究提出了日益紧迫的要求。
而电流测试作为一种新的检测方法,正受到人们越来越多的关注。
CMOS电路稳态电流(IDDQ测试方法从19世纪80年代提出至今,经过多年研究,提出了许多改进的方法。
Thi-beault提出了差分J。
0Q测试方法,根据相邻两个不同测试向量所对应的Jo。
Q之间的差值来判别是否存在缺陷:
大差值电流表示缺陷被激活了[3]。
Maxwell等对差分f。
0Q方法进行了改进,提出了一种电流比率方法,把测试向量按IDDQ大小排序,得到一条近似为向上增长的直线,若在测试中任意一个I。
DQ值偏离这条直线太远则表明存在缺陷H]。
Jandhya-la等提出了一种基于聚类技术的‰测试方法,该方法能比较准确地得到好电路的电流值,避免因阈值不合理而影响判决结果,缺点是需要大量样本Ⅱ]。
文献[6]则提出在JDDQ测试中结合一些与JDDQ相关参数的方法,以提高测试效果。
作为一种重要的测试方法,稳态电流测试已被工业界所接受并得到了广泛的应用,为数字IC的测试做出了重要贡献。
近年来,人们开始研究用测量CMOS电路瞬态电流(I。
叮的方法来检测数字IC的故障口]。
该方法作为传统测试方法的补充和发展,正日益受到来自学术和工业界越来越多的关注,已有不少关于I。
。
测试方法的研究成果报道。
Beasley等提出了J嘟脉冲响应测试(PRT方法:
电源VDD和VSS线上电压分别同时从VDD/2跳变到VDD和0,而所有输入偏置为中值电平,从而得到I。
oT响应,再进行信号分析口】。
Walker等提出了JD。
积分法:
通过积分电路对JDDT进行积分,积分器的输出与电路在动态过程中的功耗成正比,如果积分值高于预先定义的阈值,则认为电路存在缺陷,否则为好电路口]。
Thibeault等提出了电流频谱分析
收稿日期:
2006一08—23;修回日期:
2007—01—17.
基金项目:
国家自然科学基金(50677014;国家。
863”高技术计划基金(20060104A1127I高校博士点基金(20060532002I湖南省科技计划项目(06JJ2024,03GKY3115,04FJ2003。
05GK2005I教育都新世纪优秀人才支持计划(NCET-04--0767资助课题作者简介:
朱彦卿(1978一,男,博士研究生,主要研究方向为混合信号电路故障诊断.E-mail:
zyq0813@163.corn
第10期朱彦卿等:
基于电流测试的混合信号电路故障检测和定位・1769・
方法,用8倍信号频率以上的频率对电流进行采样,再对采
样数据施加傅氏变换,然后将其结果与好电路的参考数据
进行对比,从而发现电路缺陷u…。
关于电流测试的研究工作虽然已有不少,但主要都是
集中在数字信号电路的测试部分,而在混合信号电路测试
方面的研究工作则比较少.文献[11]提出了一种基于动态
电流的模拟电路故障诊断,并在对单个补偿式CMOS运放
的测试中取得较好效果。
文献[-12]则提出了基于稳态电流
的ADC测试方法,但是由于稳态电流测试的局限性,从而
使测试效果受到影响。
本文以ADC为例研究了混合信号的电流测试方法,提
出了一种基于动态电流(k测试的混合信号电路故障诊断
方法。
由于小波变换在频域和时域同时具有高分辨率,很适
合于探测正常信号中夹带瞬态反常现象并展示其成分,对故
障的“敏感”性比纯粹的频域方法或时域方法都强,这有利于
故障的检测和定位。
因此本文先用小波变换对Jdd信号进行
变换,再对结果进行分析,从而实现故障检测及定位。
1动态电流测试
本文使用2位全并行(闪烁型结构的ADC作为被测
电路(CUT,基本电路由3个比较器、4个反向器、3个或非
门组成,均采用咒阱CMOS工艺m…3。
图1给出了被测
ADC及其比较器的电路图。
(a2位.AIC
VDD
VSS
to比较器
图1被测电路及缺陷Vout
通常,实际生产过程导致的芯片缺陷五花八门,出
现的位置也是随机的。
通常,这些缺陷都主要表现为桥
接和开路故障。
图1标出了电路中部分发生桥接和开
路故障的位置或器件。
对于图1所示电路,在满量程输
入信号下,电路无故障和有故障时所吸取的电流如图2
所示。
从图2所示的电流波形可以观察出电路稳态电
流k和瞬态电流k的特点,从而分析出相应的电流
测试方法。
时间/ns
……:
输入电压;——:
无缺陷;…:
桥接1
(a无故障和桥接l故障
10
9
8
7
{6
杂5
脚4
3
2
l
时间/ns
……:
输入电压;——:
无缺陷;…:
桥接2
(b无故障和桥接2故障
田2‰波形
数字IC在稳态时从电源所吸取的漏电流很小,几乎
为0,只有在输入改变从而引起内部产生跳变时电流才
会发生很大变化,先从一个很小的值快速变化到极大
值,经过一个过渡过程后,又回到稳态时很小的值,而有
缺陷电路比无缺陷电路的稳态电流大很多。
因此,对于
数字IC的J。
DQ测试,一般都是先给待测电路施加激励,
等电路稳定后再测量电路的稳态电流,然后与事先定好
的阈值进行比较从而判断电路是否存在缺陷.但是对
于混合信号,电路的k有所变化。
从图2(a所示的动
态电流k波形可以看出,ADC的稳态电流Inoq不仅不为
零,而且不是固定不变的,在不同的输入范围内,J。
∞的
值也不同。
因此,对于ADC的k测试,传统的单一闭
值比较方法不再有效。
l童
¨~也一
u膳
・1770・系统工程与电子技术第29卷
另外,虽然Jo∞测试可以检测出CMOS电路中的大部分缺陷,但是某些故障却不能用静态电流方法检测。
研究表明,瞬态电流f嘟测试通过观察电路在其内部状态发生变化时流经电路的瞬时尖峰电流,可以发现某些不被其它测试方法所能发现的故障。
从图2(b可以看出,有缺陷电路和无缺陷电路的La不仅在静态电流k上有所不同,而且在瞬态电流I。
。
上也有表现出不同的特性,主要表现有峰值大小、时延以及振荡程度等方面。
如果仅使用静态电流或瞬态电流测试方法,就不能全面反映电路特征,从而影响故障检测效果。
因此,本文采用L测试方法,使用小波变换工具对包括静态电流和瞬态电流在内的整个k进行分析处理,实现故障检测和定位。
2故障检测及定位
2.1故障检测
针对ADC电路的稳态电流测试,文献[12]提出了一种改进的JDDQ测试方法:
给ADC施加全量程输入,对整个电流响应过程中不同的JDDQ进行积分,再将积分结果和事先定好的阈值进行比较,通过上下限检测,从而判断是否存在缺陷。
但基于积分的电流测试方法容易产生混叠现象,并且没有考虑静态电流的测试。
而从图2所示的电流波形可以看出,有些故障在稳态电流方面表现不明显,只是在静态电流方面有变化。
因此,本文采用基于小波分析的信号处理方法分析电路的动态电流信号来提取稳态电流和静态电流信号中包含的故障信息。
具体来说,本文的故障检测方法是基于对CUT和好电路的Jdd信号的比较。
首先分别对好电路和CUT的k采样,再对采样信号进行小波分解,得到各自的小波系数,然后通过比较CUT和好电路的小波系数来确定CUT的好坏。
对于CUT和好电路小波系数的比较,可以计算两者小波系数之间的误差值大小。
如果计算所得误差值大于事先选定的阈值,则认为CUT是有故障的。
而均方根误差(rootmeansquareerror,RMSE是一种使用最多的计算误差的度量值,因此这里采用式(1比较CUT和好电路的小
波系数
r=E—————一
RMSE一^/∑(E—G2/N(1
Yi-1
式中,E为CUT的匕响应的小波系数,G为好电路f“响应的小波系数。
文献[12]提出的积分法只是单纯地对I。
DQ进行积分,但某些故障不会引起静态电流明显的变化,而是会引起瞬态电流Jo叮发生峰值大小、时延以及振荡程度等方面的变化,如图2所示的桥接故障。
尤其是在故障比较弱的情况下,如桥接电阻比较大或开路电阻比较小,此时的k变
化更微,只在J。
方面有所表现。
因此该法对此类情况失效,而采用b测试方法,通过小波变换反映出信号在k方面的特性,再使用式(1计算便可以有效地检测出此类故障。
为了同频域分析方法的有效性进行比较,改进式(1,采用式(2进行均一化计算
厂丙———————一,厂丙—一
normRMSE=√∑(F;一G2/√∑G2(2
'l-1,VI-1
式中,对于小波变换,E和G。
分别为CUT和好电路k响应的小波系数;对于傅里叶变换,E和G;分别为CUT和好电路Jdd响应的傅氏级数。
通过观测式(2计算所得的normRMSE,可直观地比较出小波分析方法和纯频域分析方法的故障敏感度。
2.2故障定位
基于小波分析的k测试方法不仅可以检测出电路中的故障检测,还可对电路中的故障所在区域定位。
对于故障电路,其k响应与好电路的响应之间会存在差别。
小波分析具有良好的时频特性,能有效提取信号特征,因此通过观察CUT和好电路Jdd响应的小波系数可以实现定位故障。
图3所示即好电路和有故障电路在满量程斜波输入时k响应的小波系数(尺度8和尺度16。
图中,Wi表示图1中所示的连接线Wi处发生开路故障时的响应。
从图3可以看出,由于故障所处的位置不同,其响应偏离好电路响应的位置也不同,因此通过观察这个偏离时刻(L可以用来测量故障在电路中所处的层级或深度。
根据ADC的结构,电路可大致地分成3级:
L1、L2和L3(如图1所示。
随着输入电压由yref一提高到Vref+,处于不同级别的故障依次被激活,k响应也表现出相应的异常,而从图3(a所示的小波系数图中可看出L标示出了Wl、W2和W3所处的层级。
图3(b则给出了故障处于同一层级的情况,此时瓦反映了故障在电路中位置沿输入到输出的深度。
’
因此,通过测试I越,再借助小波变换分析电流信号,实现混合信号的故障诊断,包括对电路中故障的检测和定位。
整个故障诊断步骤为;测试开始前,首先对好电路施加如图2所示的满量程测试信号(Vref一到Vesf+,Vref+到Vesf一,并采样好电路的k响应,再对采样信号进行小波分解得到相应的小波系数。
测试时,同样对被测电路施加满量程测试信号,采样k响应并求得小波分解后的小波系数。
然后使用式(2计算被测电路和好电路小波系数之间的RMSE,据此判断电路中是否存在故障。
如果检测到电路中存在故障,则通过测量图3所示的延时参数L来进一步定位故障在电路中所处的区域。
第10期
朱彦卿等:
基于电流测试的混合信号电路故障柃测和定位
5
趔0
馨一5
.10
5
趔0馨一5
.10
器.
.10E5至0
i0—
150
200誓翟-1重0E王薹i
时间/as
时问/ns
5
器三
.10
O
50
100
Wl
趔馨
时闻/ns
5
W2
鬈一:
.10
5
W3
遥0骧-5
时间/ns
50
100
150
200
乃4
时问/ns
——:
尺度8:
……:
尺度16
(a好电路
图3动态电流小波系数图
结果。
3实验结果
以图1所示ADC电路为例,进行仿真实验,采用上述
故障诊断算法检测和定位电路中的故障。
要进行诊断,首先就要对电路中的缺陷进行抽象,建立相应的故障模型[4]。
对于相邻信号线或晶体管之间的桥接故障,通过在发生桥接点之间连接一电阻来建立故障模型。
而阻值大小可取10
n、1
kfl或1MQ,分别对应
相对小、近似相等以及相对大(和无缺陷时的沟道阻值相比。
另一方面,对于信号线上的开路故障,可在开路点接入100
kf/、10
MF/的电阻建立故障模型}而对于晶
体管门端开路故障,则可在门端用RC电路建立故障模型。
有了故障模型,就可以在电路中的不同位置或器件插入各种故障,然后观察不同故障条件下电路的电流波形。
为比较本文提出的基于小波分析的电流测试方法和基于纯频域分析的电流测试方法对电路故障的敏感度,不仅用上述算法迸行故障检测,还用FFT分析电路的电流检测故障。
首先,对图1所示电路中标出的各种故障进行仿真,得到好电路以及图中各故障相应的“信号,再分别使用小波多重分解和FFT对原始信号分解得
到相应的小波系数和傅氏级数后,代入式(2计算出各
自的NormRMS。
表1给出了基于小波分析的故障检测方法和基于FFT分析的故障检测方法的灵敏度比较
——:
尺度8;……:
尺度16
(b有故障电路
裹1小波分析和玎丌分析夏敏度比较
好电路
W4
W5
表1中,对于图1所示CUT中的各种桥接和开路故障,基于小波分析计算所得的NormRMS均远大于基于FFT算法计算的所得值。
由表1可见,小波方法对故障的灵敏度要远高于FFT方法,可以有效地检测出一些其他分析方法很难检测出的故障。
可见,与纯频域方法相比,基于小波分析的k测试对电路故障具有高的灵敏度。
另外,作为进一步的实验,在电路中不同地方注入了100个故障,其中包括50个开路故障、40个桥接故障和10个门开路故障。
然后分别测试各个故障电路在满量程激励信号下的Jdd,并按第2节所述算法进行故障检测和定位。
对于故障检测,其目标是通过NormRMS的
・1772・系统工程与电子技术第29卷
阈值比较区别出被测电路的好坏。
而对于故障定位,其目标则是能对被测电路中故障所在的位置或器件定位于图1所示的区域内。
表2列出了上述不同类型单故障电路的诊断结果。
衷2故障检测和定位结果
由表2可见,被定位的故障数要低于被检测出的故障数,这主要是由于少数故障对电路b影响不大。
这些故障对应的小波系数虽然在计算RMSE时会大于阈值,但在时延上没有图3所示的突出变化,因此不能实现定位。
以上实验结果表明,基于小波分析的h测试可以有效检测出电路中的故障,不仅具有很高的故障覆盖率,而且能成功定位电路中大部分的故障。
4结论
本文以一个2位ADC电路为实例研究了混合信号的电流测试方法,提出了基于小波分析的动态电流(Idd测试方法。
由于采用小波变换对原始L信号进行分解后得到的小波系数,同时考虑了k的时域和频域分量。
因此,同单纯的频域分析方法——傅氏变换方法以及单纯的时域分析方法——积分法相比,本文提出的基于小波分析的动态电流测试方法对于故障检测的敏感性更高。
仿真试验结果表明,本文提出的故障诊断方法对电路故障灵敏度高,能有效检测出电路中各种缺陷,故障覆盖率高,并能实现对故障区域的定位。
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基于电流测试的混合信号电路故障检测和定位作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期:
引用次数:
朱彦卿,何怡刚,阳辉,ZHUYan-qing,HEYi-gang,YANGHui湖南大学电气与信息工程学院,湖南,长沙,410082系统工程与电子技术SYSTEMSENGINEERINGANDELECTRONICS2007,29(101次参考文献(15条1.闵应骅CMOS电路电流测试综述1999(22.LeviMCMOSismosttestable19813.ThibeaultCOnthecomparisonofIDDQandDIDDQtesting19994.MaxwellP.O'neillP.AitkenRCurrentratios:
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