ELE6306 : Test de systèmes électroniques Projet de cours <ADC BIST Based-on Histogram Techniques>

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

2. 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

3. Techniques of ADC BIST • Advantages of ADC 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

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

11. 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

12. 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

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

14. Définition des paramétresfonctionnels d’un convertisseur A/N réel: • Erreur d’offset • Erreur de gain • Erreur de Non-Linéarité Différentielle et Non-Linéarité intégrale

15. 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

16. 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

17. 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.

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

19. 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.

20. 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:

21. 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

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

23. 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.

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

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

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

27. 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.

28. 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.

29. Questions