模拟集成电路测试算法与平台构建研究

张 雪

（无锡职业技术学院 江苏 无锡 214121）

1 引言

数字集成电路的诞生和应用并不是模拟集成电路的终结。模拟集成电路是数字电路世界的基石。自1990年代以来，国内集成电路产业一直保持高速增长，这在很大程度上影响了我国的电路设计、工艺制造、测试和封装领域[1]。经过十多年的发展，最先进的CPU、DSP和中国的数字集成电路在国内市场取得了突破，尽管作为辅助产业的高质量模拟集成电路取得了一些进展，但集成电路测试计数还不成熟，其作为一个独立的行业，目前主要包括IDM公司、测试机构、封装和测试制造商，这些公司相对分散且水平较低，大多数测试产品是数字集成电路，而大多数模拟集成电路测试产品针对中低端模拟集成电路。因此，从技术和产业发展的角度出发，整合不同的模拟集成电路测试资源和使用模拟集成电路都需要加强测试平台的设计，不但能够促进模拟集成电路技术进步，还能提高终端产品的质量，也可以为整个行业中高端模拟集成电路的突破做出贡献。

2 模拟集成电路测试算法分析

在电路测试工程实践中，通常要结合已知或未知的电路。这就要求测试系统能够进行电路故障诊断和定位，本次设计的模拟集成电路测试系统具有两个主要功能，即通过单点诊断电路来诊断和定位故障，具体反映在算法的设计中。

2.1 测试算法概述

本系统的测试基本原理是分别收集有故障和正常电路的测试数据，通过信号处理和对这些数据的数学分析来识别有故障的电路并定位故障。具体的实现过程如下：由于实验中收集的测试数据是基于模拟电路的，因此首先将测试数据传递到模数转换器，以方便对测试数据进行处理和分析，得到频带不同的子信号，并通过运算获得实验所需的各种特征信息的过程[2]。本次设计的测试系统使用的带通滤波器是余弦调制滤波器，测试算法具体过程见图1。

图1 模拟集成电路测试算法

2.2 基带滤波器设计

通过滤波器将信号分成多个频率的子信号，信号之间不能频率重叠，以免造成信号失真，这增加了滤波器设计难度。而且由于原始信号在不同频率范围内的功率谱密度分布不均匀，因此分解后每个频带的结果也产生不同的信号能量，并且这些信号也经受不同的对待[3]。本次设计开发了基带滤波器，利用频谱偏移建立多个频率的余弦调制滤波器，具体步骤如下：设基带滤波器为H0（z），则有

其中，h0[n]表示滤波器的冲激响应，假设Hk（z）为滤波器的传输函数，则滤波器的h0[n]在时域范围内以2K为周期时间进行抽样获取的H1（z），H2（z），…Hn（z）表示频域内滤波器的线性搬移。为了尽量减少相邻滤波器频带重叠造成的信号干扰，滤波器频带范围需有足够间隔。

每个滤波器的带宽必须具有特定的间隔范围，以避免由于相邻滤波器的频带重叠而造成的干扰。根据本次测试系统必须满足的要求，时域范围内h0[n]采样频率设置为10 kHz，每个频域的中心间隔大约10 kHz。为了达到测试系统的设计要求，将收集到的数据频谱分为8个频段，滤波器最小增益为-20 dB时，每个频谱的带宽设置为约0.95 kHz[4]。因此，可以实现满足设计要求的基带滤波器H0（z），接下来在滤波器的时域中执行采样和调制，按照上述步骤在频域中移动基带滤波器，并最终在每个频域滤波器中获得“余弦调制滤波器”。

3 模拟集成电路测试系统硬件设计

测试系统硬件负责收集信息，本次研究的系统硬件结构见图2。

图2 模拟集成电路测试系统硬件构成

有两种方法可以实现此系统。一种是将其安装在PCB上，要使用这种方法，PCB需要具备诸如信号激励、数据采集和被测电路等功能。另一种方法是由诸如信号源模块、数据采集模块和电源模块之类的模块单独实现功能后组合成系统。本次设计使用基于模块化配置系统的解决方案。其目标是使用现有的软件和硬件资源来提高测试准确度。

以下是测试系统各模块的功能介绍。

3.1 信号源模块

信号源是一种可以生成用于电子测量的激励信号的设备，通常称为信号发生器。它可以根据所需的参数生成信号，并对信号进行处理，然后将信号输出到外部。信号源无法测量某些电气参数，但它们是电子测量中最常用的基本设备，例如万用表和示波器[5]。在该系统中，信号源作为激励源。输入信号质量对系统可靠性有重要影响，信号源必须具有较强的灵活性，以确保输入信号质量，因此，系统采用灵活性较强的TFG2001BDDS函数信号发生器作为信号源。

3.2 数据获取模块

顾名思义，数据获取模块是一种以特定方式收集信息的设备。具体过程如下：在信号源产生的信号输入到模拟集成电路后，数据采集模块收集电路中特定节点的节点电压，并将其从模拟转换为数字。转换完成后，转换后的数字信号将被发送到计算机。执行信号处理以获得故障排除所需的特征值。为了满足对测试系统精度和其他参数的特定要求，本系统数据获取模块使用NI USB-6008采集卡，单通道采样率为10 kS/s，可通过USB、驱动程序软件、交互式数据记录软件快速在设备之间读取和写入信号，从而大大提高系统性能。

3.3 电源模块

选择电源模块时需考虑两个因素：（1）应选择外部电源作为电源，以避免电源噪声干扰对测试系统的输入信号模块的影响。（2）电源可以提供的电压范围必须能够满足测试系统的要求。换句话说，它必须能够提供12 V的最大电压并确保相对稳定的电压。考虑到上述因素，本次选择具有稳定且连续电流的XDl723 ADC电源作为系统电源模块，准备好每个功能模块后需要连接这些模块。首先，将源模块连接到电路模块，使用数据采集模块在特定节点处收集信号，然后通过USB端口将收集的信号发送到计算机以进行软件处理和分析以获取诊断模拟电路故障所需的特征信息。

3.4 电路元件选择

选择电路组件时，需要仔细考虑各种因素，但最重要的是组件选择必须具有代表性，可以作为模拟集成电路的典型代表而不会损害可靠性。基于上述考虑，本次采用TL084运算放大器作为系统中被测电路核心组件，其具有高转换、输出短路保护、内部频率补偿等优点，在12 V的标准工作电压和6.5 V的输入和输出电压的情况下，基本上可以满足测试系统的所有要求。

4 模拟集成电路测试系统软件设计

系统的软件设计阶段在系统的整体性能中起着非常关键的作用，同样软件设计在整个测试系统中也起着重要作用。测试软件确定测试数据处理的性能。软件的显示部分应尽可能易于理解。为了实现测试软件的整体结构，测试系统采用的模式是状态机编程模式，其中定义了子程序的初始化、待机、终止、执行4个状态。该例程的设计从根本上类似于测试软件总体结构的设计。此过程首先启动初始状态，然后启动等待状态。在待机状态下，使用的结构是事件结构。当按任意键运行该程序时，系统将从子程序的等待状态变为运行状态。图3显示了系统主界面基本运行流程。

图3 模拟集成电路测试系统主界面基本运行流程

执行子程序时，可以使用动态调用VI函数将子VI的Re输入到调用节点，以将程序添加到项目中，并达到将子程序添加到框架的目的。然后在等待状态表添加子程序路径后就可以开始执行子程序。测试系统编写的程序由许多部分组成，例如测试控制过程和数据分析。最重要的是数据处理程序，其主要作用是创建子程序。软件设计采用模块化设计，本次设计的模块主要包括以下几种。

（1）测试控制模块。配置测试激励和捕获程序以处理参数后，将收集并存储测试数据。

（2）信号处理模块。在测试响应中管理与子带有关的工作。

（3）分析模块。最重要的是收集波形，包括滤波后的波形，并清楚显示默认参数，以便于调试和维护。

（4）历史统计模块。它的主要功能是计数和保存测试数据。

（5）其他模块。模块最终组合成完整的软件系统。这种设计模式极大地提高了模块的可重用性，并便于后续的软件调试。

5 结语

综上所述，由于国内集成电路的测试尚未形成独立的产业，而且国内模拟集成电路的测试能力相对较低，因此需要继续研究模拟集成电路测试技术和测试平台的构建。利用可用的硬件和软件资源快速创建可在整个行业中使用的领先的专业模拟集成电路测试平台，打破国外技术封锁，同时促进国内模拟集成电路设计产业的发展，最终促进中国集成电路产业的协调发展。