< Sliman Alaoui ; Bo Zhou > ELE6306 : Test de systèmes électroniques Projet de cours <ADC BIST Based-on Histogram Techniques> < Sliman Alaoui ; Bo Zhou > Professeur : A. Khouas Département de génie électrique École Polytechnique de Montréal

Plan Techniques of ADC Built in self-test - Advantages of ADC BIST - ADC & DAC BIST - ADC only BIST Charateristics of Histrogram method Architecture of general ADC BIST - on-chip stimulus generation circuits - output signal analyzer

Techniques of ADC BIST Advantages of ADC BIST ADC & DAC BIST - Reduce test time - Eliminate expensive mixed-signal tester, reduce the test time - Make the accessibility inside the chip easier ADC & DAC BIST - The digital generation of the stimulus and the digital analysis of the responses -∑-∆ converter, generate pure analog sine wave ADC only BIST - Oscillation - Histrogram

Histrogram Techniques Give analog signal and record of the number of times each code appears on the ADC output For linear signal, histogram is flat For sine wave signal, codes near peak region appear more times than that near center

Architecture of general ADC BIST Analog stimulus generation - Saw-tooth - triangle Output analyzer - Analyze Least Significant Bit (LSB) only - Compress technique to simplify the calculation and minimize memory Figure 3: Scheme of general ADC BIST

Signal Generator Constrains of generator Silicon area Quality of signal - Non-linear - Amplitude reduction - Over-amplitude Figure 4: Influence of signal quality on histogram non-linear signal Amplitude reduction Amplitude increase

Saw-tooth Generator Constant current charge a large capacitor: 2V amplitude Period: 0.1ms INL 60uV Permit to test 13-bit converter Figure 5: saw-tooth generator

Saw-Tooth Generator (cont.) Figure 7: non-linearity on initial phase Calibrate circuit to adjust current and amplitude of saw-tooth signal Figure 6:calibration saw-tooth generator

Triangle Wave Generator Use Schmitt trigger to control charging capacitor either by Ic or –Ic Obtain triangle wave between +Vth Figure 8: Triangle-wave generator Figure 9: waveform of triangle signal

Triangle-Wave Generator (cont.) Figure 10: calibrate triangle-wave generator

Switched Capacitor Integrator Phase 1, C1 is charge to Vin Phase 2, charges distributed between C1 and C2 Stepsize just depends on capacitor ratio and input voltage Figure 11: switched capacitor integrator

Conclusion In the view of signal generator: - Single ramp: saw-tooth and triangle-wave multi-tone ramp: triangle-wave generator has more accuracy but it needs more power and silicon area - Switched capacitor integrator: fix offset obtain more accuracy easily, minimize silicon area

Analyseur de réponses de test : Structure BIST dédiée au test d’un CAN

Définition des paramétres fonctionnels d’un convertisseur A/N réel: Erreur d’offset Erreur de gain Erreur de Non-Linéarité Différentielle et Non-Linéarité intégrale

Erreur d’offset: Correspond dans le cas d’un convertisseur réel, à un décalage identique de toutes les tensions de seuil. Généralement exprimé en fraction de . Erreur d’offset

Erreur de Gain: Correspond à une variation identique de la largeur des différents paliers don’t l’influence sur la fonction de transfert est représenté à la figure suivante: Erreur de gain

Erreur de Non-Linearite Différentielle et Non-Linearite Intégrale NLD d’un code i représente la différence, exprimée en LSB, de la largeur du palier associe au code i par rapport a la valeur idéale de 1 LSB. NLI d’un code i représente la variation entre la courbe réelle et la droite de transfert idéale au niveau de ce code La figure suivante montre l’influence de ces 2 types des non linéarité sur la fonction de transfert du convertisseur.

Simplification des calculs d’exploitation Cas d’un signal triangulaire L’histogramme de référence obtenu pour un convertisseur parfait est:

Simplification des calculs d’exploitation (Suite) Pour évaluer l’erreur de l’offset et du gain on va considérer le signal vu a travers le convertisseur sous test plus précisément le signal analogique reconstitue a partir de la sortie numérique du CAN. On remarque que: L’erreur de l’offset est opposée a l’erreur d’offset du signal reconstitue. L’erreur d’offset a un effet linéaire sur la fréquence d’apparition des deux codes extrêmes.

Simplification des calculs d’exploitation (Suite) On peut déduire l’erreur de l’offset a partir de la fréquence d’apparition du code On utilise le même type d’expression mais cette fois pour le code 1 pour que la mesure de l’offset soit indépendante de la valeur de gain En combinant les 2 équations on obtient:

Simplification des calculs d’exploitation (Suite) Erreur de gain: Pour limiter l’influence des variations du pas de quantification dues a d’éventuelles non-linearite on propose d’effectuer la moyenne de mesure du gain sur m codes differents et on obtient l’expression suivante de l’erreur de gain: Influence de l’erreur de gain

Simplification des calculs d’exploitation (Suite) Erreurs de Non-linearite: Pour la détermination des NLD et NLI nous utilisons les expressions classiques suivantes:

Minimisation des ressources mémoires 1.Stockage de l’histogramme expérimental: Principe de décomposition temporelle: Décomposer temporellement la procédure de test. L’idée consiste a un traitement séquentiel de l’histogramme en utilisant un nombre minimum de codes - A un haut niveau, la décomposition temporelle correspond a une division du test en differents phases successives. - A un plus bas niveau, chacune des phases de test est elle-même décomposée en plusieures étapes élémentaires.

Minimisation des ressources mémoires (Suite) Procédure d’évaluation de l’erreur de l’offset: Procédure de calcul de l’offset

Minimisation des ressources mémoires (Suite) Procédure d’évaluation de l’erreur de gain: Procédure de calcul de l’erreur du gain

Minimisation des ressources mémoires (Suite) Procédure d’évaluation des non-linearites:

Minimisation des ressources mémoires (Suite) 2.Stockage de l’histogramme idéal: - L`histogramme de référence est entièrement stocke dans la puce avant toute opération de traitement - Dans le cas d’un signal d’entrée triangulaire, l’histogramme de référence ne comporte que 2 valeurs distinctes Hideale et Hextreme. - La mémoire nécessaire au stockage de l’histogramme de référence pour ce type de signal d’entrée ne nécessite que 2 registres.

Minimisation des ressources mémoires (Suite) Avantages: - Avec ce principe relativement simple les mêmes ressources peuvent être réutilises pour les differents calculs. - Dans chacune des phases, une seule caractéristique fonctionnelle du CAN est extraite. - A code est calcule et les ressources mémoires requises ne concernent donc que le code en cours Inconveigant: - Ne peut être appliquée qu’a condition de pouvoir dissocier l’évaluation des differents paramètres.

Questions