高精度混合集成電路直方圖測試討論*

*參與項目：陜西省重點產業創新鏈（群）-工業領域：高精度模擬與混合信號集成電路頻譜測試技術研究，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 測試機臺能夠將一個待測ADC 的一個轉換碼平均分割16 步進，并且轉換16 次。從而待測器件理想情況下每位的轉換碼都會重復出現16 次。直方圖測試就是通過統計每個碼點出現的次數，與理想情況下碼點出現的次數來計算靜態參數值。

1 直方圖法參數計算

零點誤差( E_Z ) 與增益誤差（ E_G ）

圖1 以柱狀圖表示每個轉換碼點的次數。假設被測器件是n 位，ATE 測試機臺內部的DAC 是n+4 位。

在計算時，先利用ATE 測試機臺采集每個轉換碼i=1到i=2ⁿ?2，重復出現的次數。我們記錄轉換次數為H。假設每一位轉換碼在ATE 出現的次數為H_(i )。有

在直方圖測試法下有：

V_ZST是數字輸出轉換碼從00..00 到00..01 時的模擬值。

V_FST是使數字輸出轉換碼從11..10 到11..11 的模擬值。根據待測ADC 靜態參數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ADC 的輸出數碼對應的機臺步進的次數。

1.2 差分非線性誤差 (DNL) 與微分非線性誤差 (INL)

根據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A/D 靜態參數LSB_DUT準計算公式

Code Center_[i ]為轉換碼中心是指當數字輸出為i時，其1/2 碼寬對應的模擬輸入值。

Code Center_[0]是數字轉換輸出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i = 2ⁿ?1(最大值)時，可得

根據ADC靜態參數傳統計算公式得

當0 < i < 2n ?1時，根據 ADC 靜態參數標準計算公式得

可得

可得直方圖測試法INL_{[i ]}的計算公式

2 測試技術實現

本文選取AD7656BSTZ 型號芯片進行測試分析，分別使用傳統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換示意圖。

圖2 理想轉換示意圖

2.1 基于傳統定義法實現測試

圖3是基于ADVANTEST T6575 測試16 位轉換碼對應的轉換值，采樣點選取了65 536 個點。該芯片為補碼輸出，下圖為ATE 測試補碼輸出和轉換后測試輸出值。ATE將測試的65 536 個轉換值抓取到數組中進行傳統定義法計算得出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轉換碼

2.2 基于直方圖法實現測試

圖4 圖5 是基于ADVANTEST T2000 測試轉換輸出和DNL測試結果。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 直方圖法測試轉換碼

圖5 直方圖DNL測試結果

3 對比分析

基于傳統定義法測試特點首先算法簡單容易實現，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的指標。直方圖法測試特點首先在計算DNL 和INL 可剔除系統干擾或者噪聲引起的某個轉換點的突變或者丟碼。其次直方圖法測試需要系統的采樣點多，工程上至少1 個轉換點需要重復測試16 次，才能保證該算法的優勢。但同時也增加了測試時間。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年5月期）