基于片外信號(hào)源的SoC低成本測(cè)試解決方案*

鐘偉宏，劉炎華，孫 玲,3

（1.南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226019；2.南通大學(xué)，江蘇省專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南通 226019；3.計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190）

1 引 言

隨著國(guó)內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)水平和半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷提高，片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)公司的主流產(chǎn)品和重點(diǎn)研發(fā)方向[1～3]。一個(gè)典型的SoC系統(tǒng)通常集成了微處理器、嵌入式存儲(chǔ)器、模擬IP核和數(shù)字IP核等多個(gè)功能模塊。由于SoC本身功能的復(fù)雜性，使得SoC芯片功能的驗(yàn)證變得非常困難。更快的處理速度以及更低的工作能耗也對(duì)SoC芯片測(cè)試提出了更為嚴(yán)格的要求。SoC測(cè)試技術(shù)作為SoC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，一直是人們關(guān)心和研究的熱點(diǎn)[4～5]。

目前，半導(dǎo)體行業(yè)中常見(jiàn)的解決方法是采用造價(jià)昂貴的高端測(cè)試平臺(tái)來(lái)進(jìn)行SoC量產(chǎn)測(cè)試。由于測(cè)試開(kāi)發(fā)是滯后于芯片開(kāi)發(fā)的，因此，測(cè)試也是一個(gè)比較費(fèi)時(shí)間的過(guò)程，而量產(chǎn)測(cè)試所耗費(fèi)的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（Automatic Test Equipment，ATE）時(shí)間直接決定芯片的測(cè)試成本。完全依賴(lài)ATE來(lái)測(cè)試SoC會(huì)在無(wú)形之中增加芯片的測(cè)試成本。據(jù)報(bào)道，復(fù)雜的SoC芯片測(cè)試成本可能將占到芯片總成本的30%～50%[6]，測(cè)試成本已是SoC產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)不可忽略的因素，如何降低測(cè)試成本越來(lái)越成為集成電路設(shè)計(jì)公司關(guān)注的焦點(diǎn)之一。本文針對(duì)一款應(yīng)用于數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)中的SoC芯片，采用片外信號(hào)源方法提出了一種低成本SoC測(cè)試方案。

2 待測(cè)SoC系統(tǒng)芯片簡(jiǎn)介

數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）系統(tǒng)[7～9]被公認(rèn)為目前全球推廣最成功的兩大民用系統(tǒng)之一，而DVB-S衛(wèi)星數(shù)字電視是技術(shù)發(fā)展得最完善的系統(tǒng)。相對(duì)于有線、地面和其他數(shù)字電視系統(tǒng)，衛(wèi)星數(shù)字電視有著其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，僅僅一顆衛(wèi)星就能覆蓋數(shù)千萬(wàn)乃至上億的用戶(hù)。數(shù)字衛(wèi)星廣播物理層接收系統(tǒng)中，正交相移鍵控（QPSK）基帶芯片BB001是一款典型的SoC芯片，該芯片支持DVB-S標(biāo)準(zhǔn)的QPSK解調(diào)及前向糾錯(cuò)，片上集成有6bit高速ADC。

2.1 基本工作原理

數(shù)字衛(wèi)星廣播系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 基帶解調(diào)芯片應(yīng)用框圖

國(guó)標(biāo)地面信號(hào)DVB-S通過(guò)U波段向空間傳播，由天線接收后，經(jīng)過(guò)調(diào)諧器（Tuner）放大、下變頻及濾波等一系列信號(hào)處理，輸出IQ基帶信號(hào)；基帶芯片BB001進(jìn)行信道部分的解調(diào)和解碼，IQ基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC模塊采樣，采樣后信號(hào)在AGC模塊控制下，調(diào)節(jié)采樣后信號(hào)強(qiáng)度，然后再將增強(qiáng)后的信號(hào)進(jìn)行載波恢復(fù)和定時(shí)恢復(fù)，完成QPSK解調(diào)。解調(diào)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)前端矯正器，進(jìn)入格式轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行Viterbi譯碼、解卷積交織、Reed-Solomon譯碼、解擾，最終輸出TS碼流；TS流碼經(jīng)過(guò)信源解碼電路實(shí)現(xiàn)解擾、解復(fù)用、信源解碼功能，配合Flash、SDRAM、遙控按鍵等外圍電路工作，輸出音視頻信號(hào)，最后將相應(yīng)的視音頻數(shù)據(jù)送到顯示終端顯示。

基帶芯片BB001正常工作時(shí)的流程如圖2所示。圖中，經(jīng)降頻轉(zhuǎn)換器后的中頻信號(hào)（Medium Frequency signal，MF）輸入到BB001的ADC差分模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端，通過(guò)QPSK正交相移鍵控解調(diào)器的解調(diào)，輸出到前端矯正器，最后通過(guò)格式轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成MPEG2 TS碼流輸出。

圖2 基帶解調(diào)芯片的典型功能框圖

2.2 基本測(cè)試項(xiàng)分析

從測(cè)試角度看，整個(gè)芯片測(cè)試可分為兩部分：SoC常規(guī)模塊與中頻信號(hào)模塊。在本芯片測(cè)試項(xiàng)目中，SoC常規(guī)模塊部分測(cè)試與一般SoC芯片的測(cè)試項(xiàng)目類(lèi)似，只要將對(duì)應(yīng)的管腳引出，使用一般SoC的ATE就可以測(cè)試。主要包括掃描鏈測(cè)試、內(nèi)部存儲(chǔ)器自測(cè)試、鎖相環(huán)頻率測(cè)試以及ADC測(cè)試等。對(duì)于中頻信號(hào)模塊而言，測(cè)試中必須施加中頻激勵(lì)信號(hào)才能進(jìn)行電路的功能測(cè)試，因此，需要使用到測(cè)試系統(tǒng)的射頻（Radio Frequency，RF）測(cè)試模塊。而射頻測(cè)試模塊一般只配備在一些高端機(jī)臺(tái)上，如Advantest T2000以及Verigy V93000等?？紤]到這些高端機(jī)臺(tái)售價(jià)昂貴，機(jī)時(shí)緊張，不利于大規(guī)模量產(chǎn)測(cè)試。

因此，本文基于一款低端測(cè)試機(jī)臺(tái)T6575[10]，采用外部信號(hào)源的方法設(shè)計(jì)了基帶解調(diào)芯片BB001的中頻模塊功能測(cè)試方案，實(shí)現(xiàn)了芯片的低成本測(cè)試。表1給出了本芯片在上述各機(jī)臺(tái)的測(cè)試成本。

表1 單只芯片測(cè)試成本分析表

3 中頻模塊功能測(cè)試方案設(shè)計(jì)

3.1 基于專(zhuān)用信號(hào)源的功能測(cè)試方案

基于專(zhuān)用信號(hào)源（中頻信號(hào)發(fā)生器）的功能測(cè)試方案如圖3所示。圖中使用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器通過(guò)分流器分成5路信號(hào)，其中4路信號(hào)分別施加到4個(gè)調(diào)諧器中去產(chǎn)生中頻測(cè)試信號(hào)給4個(gè)DUT，輸出結(jié)果以向量文件的形式傳送給ATE，ATE同時(shí)發(fā)送DUT的時(shí)鐘和控制信號(hào)來(lái)讀取TS碼流作最終判斷。另外，第5路信號(hào)施加在額外一個(gè)調(diào)諧器上來(lái)實(shí)施監(jiān)視中頻信號(hào)的質(zhì)量（尤其是幅度），以控制測(cè)試過(guò)程中的良品率。

圖3 一個(gè)信號(hào)發(fā)生源通過(guò)分流器分成4路信號(hào)示意圖

這種方案的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果顯而易見(jiàn)，實(shí)時(shí)而且十分直觀；缺點(diǎn)也很明顯：（1）專(zhuān)用信號(hào)源十分昂貴（一般需要10萬(wàn)美元左右），一般支持有限種類(lèi)的射頻信號(hào)類(lèi)型，而且信號(hào)一旦受到干擾，4個(gè)并測(cè)芯片同時(shí)報(bào)錯(cuò)；（2）多個(gè)DUT的同步測(cè)試問(wèn)題，芯片實(shí)際的輸出在一些部分不是固定的，而且在絕對(duì)時(shí)間點(diǎn)上不同的芯片也不完全同步。

3.2 改進(jìn)的測(cè)試方案

通過(guò)上述測(cè)試方案在量產(chǎn)過(guò)程中的表現(xiàn)，還發(fā)現(xiàn)了一些其他問(wèn)題：（1）信號(hào)源長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)熱；因此，經(jīng)常需要操作人員根據(jù)PC監(jiān)視器對(duì)信號(hào)一些參數(shù)的波動(dòng)進(jìn)行輸入?yún)?shù)的修正，大大影響了生產(chǎn)的穩(wěn)定性和效率；（2）測(cè)試板上的線路很復(fù)雜，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)幾乎無(wú)法定位和調(diào)試。

由此可見(jiàn)，采用專(zhuān)用信號(hào)發(fā)生器作為片外信號(hào)源并不適合芯片大規(guī)模測(cè)試生產(chǎn)。針對(duì)以上問(wèn)題，我們改進(jìn)了量產(chǎn)測(cè)試方案，原理如圖4所示。

圖4 測(cè)試波形圖

改進(jìn)的測(cè)試方案是使用ATE上的掃描圖形發(fā)生器（Scan Pattern Generator，SCPG）加上高速DAC IC來(lái)實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)的發(fā)生，作為片外信號(hào)發(fā)生源（Signal Generator，SG），取代初步方案中所采用的專(zhuān)用信號(hào)發(fā)生器，解決RF測(cè)試項(xiàng)目，即降低了測(cè)試成本，又提高了測(cè)試過(guò)程的可靠性和可控性。該技術(shù)的核心是利用ATE的SCPG存儲(chǔ)空間比較大的優(yōu)勢(shì)來(lái)發(fā)生未經(jīng)過(guò)濾波的“數(shù)字中頻”信號(hào)，然后通過(guò)高速DAC的D-A實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)類(lèi)似數(shù)字電視芯片的信號(hào)輸入。技術(shù)關(guān)鍵是DAC的選擇和輸入電路的抗噪設(shè)計(jì)，以保證信號(hào)的純度，解決了測(cè)試數(shù)字電視芯片（尤其是信道部分）中功能測(cè)試的信號(hào)源問(wèn)題。

由于信號(hào)源和最終TS碼流的接收都是由ATE來(lái)控制，所以同步問(wèn)題和測(cè)試的重復(fù)性、穩(wěn)定性可以得到很好的保證，最終采用此方案作為大規(guī)模量產(chǎn)的最終方案。與采用昂貴的測(cè)試系統(tǒng)相比，此方案減低了芯片的單位測(cè)試成本。

3.3 測(cè)試方案有效性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本測(cè)試方案的有效性，我們采用Tek的TDS72系列500MHz的數(shù)字示波器對(duì)經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換后的中頻信號(hào)進(jìn)行采樣分析。圖5是使用該儀器采樣DAC發(fā)出的中頻信號(hào)波形圖。該測(cè)試方案通過(guò)ATE的數(shù)字采集模塊來(lái)完成對(duì)TS/Sync信號(hào)的捕獲。對(duì)多顆取樣芯片進(jìn)行了TS完整性、誤碼率的測(cè)試調(diào)試，測(cè)試結(jié)果表明：TS完整性以及誤碼率符合芯片設(shè)計(jì)要求。

圖5 中頻信號(hào)的波形圖

4 小結(jié)

本文改進(jìn)了傳統(tǒng)外掛儀表進(jìn)行測(cè)試的方法，通過(guò)使用低端ATE加自行設(shè)計(jì)的外部信號(hào)源來(lái)代替昂貴的專(zhuān)用信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了SoC芯片RF模塊低成本測(cè)試。量產(chǎn)測(cè)試結(jié)果表明，采用基于T6575機(jī)臺(tái)的測(cè)試方案進(jìn)行BB001芯片測(cè)試，其測(cè)試成本是采用Advantest T2000機(jī)臺(tái)的69%、V93000機(jī)臺(tái)的30%。本文設(shè)計(jì)的方案取得了明顯的降本效果，同時(shí)也為其他SoC芯片的低成本測(cè)試提供了參考。

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