集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置架構(gòu)設(shè)計?

胡 勇 黃俊杰 姚俊杰

（中國船舶集團有限公司第七○九研究所 武漢 430205）

1 引言

數(shù)字通道測試速率的不斷提升以及單塊板卡的集成度越來越高是當(dāng)今大規(guī)模集成電路（SOC）測試系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，現(xiàn)如今主流SOC測試系統(tǒng)數(shù)字通道的測試速率大多已達到8Gbps。國內(nèi)已有多家科研院所配備了此類SOC測試系統(tǒng)幾十臺套，而且今后高速SOC測試系統(tǒng)在國內(nèi)科研院所的應(yīng)用會越來越多。然而，由于測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)的特殊性以及缺少對高速數(shù)字通道校準(zhǔn)方法及技術(shù)規(guī)范的研究，當(dāng)前高速數(shù)字通道普遍缺乏可靠的量值溯源途徑，從而導(dǎo)致SOC測試系統(tǒng)無法得到完整的校準(zhǔn)。因此，急需開展集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)技術(shù)的研究。

本文提出了一種集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置架構(gòu)設(shè)計方法，研建由高速通道切換系統(tǒng)、通用測量儀器、校準(zhǔn)接口板及校準(zhǔn)軟件組成的集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置。相較于傳統(tǒng)通過眼圖定性觀測高數(shù)數(shù)字通道傳輸信號質(zhì)量變化的方式，該校準(zhǔn)裝置可定量測量考核高速數(shù)字通道性能的各類參數(shù)，且具有通用、多通道測量、便攜、自動化等優(yōu)點［1～10］，解決測試速率達8Gbps高速SOC測試系統(tǒng)的量值溯源，促進并完善國防微電子量傳體系。

2 集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置架構(gòu)設(shè)計

本文的校準(zhǔn)對象是集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道，針對校準(zhǔn)對象的特點以及所使用的校準(zhǔn)方法，研建較為通用的高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置，在分析當(dāng)前高速數(shù)字通道的性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，選擇合適的儀器設(shè)備構(gòu)建校準(zhǔn)裝置，保障校準(zhǔn)裝置所復(fù)現(xiàn)的量值范圍、不確定度要求等性能指標(biāo)，能夠保障高速數(shù)字通道的量值溯源性。校準(zhǔn)裝置架構(gòu)如圖1所示。

圖1 集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置架構(gòu)圖

校準(zhǔn)裝置包括儀器模塊組、接口適配器以及校準(zhǔn)軟件等部分。儀器模塊組采取高性能的通用臺式儀器，為了實現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)傳輸速率、通道偏差、眼高、眼寬、抖動注入等參量的有效校準(zhǔn)，選用了性能滿足要求的頻率計、示波器等通用儀器，具體的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 校準(zhǔn)裝置儀器組成

由表1看出，采用安捷倫的53132頻率范圍到12.4GHz，可以滿足傳輸速率的測量要求。選用的泰克示波器DSA72504帶寬20GHz，大于被測信號的5倍帶寬，幅度準(zhǔn)確度及時間測量準(zhǔn)確度較高，可以滿足通道偏差、眼高、眼寬、抖動注入的測量要求。

校準(zhǔn)軟件運行于上位機中，上位機通過通信總線分別與儀器模塊組及測試系統(tǒng)的主控計算機建立通信連接。校準(zhǔn)軟件控制儀器模塊組測量指定通道上的信號，并向校準(zhǔn)輔助控制程序發(fā)送指令，控制測試系統(tǒng)數(shù)字通道運行于指定狀態(tài)。

接口適配器由高速通道切換系統(tǒng)和校準(zhǔn)接口板組成，用于高速數(shù)字通道與通用儀器之間的無縫自動切換，在保證校準(zhǔn)裝置技術(shù)性能的同時，實現(xiàn)所有參數(shù)的全自動校準(zhǔn)，拓撲結(jié)構(gòu)2×16，帶寬大于20GHz，抖動小于20ps。

3 高速通道切換系統(tǒng)設(shè)計

在高速信號的切換應(yīng)用中，信號完整性是研究的重點和難點。校準(zhǔn)的需求是要通過接口適配器后，能夠使信號盡可能完整地從源端傳輸?shù)綔y量端，并且具有復(fù)現(xiàn)性。事實是，任何的電路和線路都有帶寬限制，而一個完整的高速信號具有無窮的多次諧波，因此高速信號在通過接口適配器的過程中，不可避免地會對高次諧波進行衰減。同時，高速信號在切換的過程中對切換鏈路的要求較高，如阻抗的一致性，線路的連續(xù)性等，而這些都會影響信號的完整性。

高速通道切換模塊總體框圖如圖2所示，主要分為高速信號通路、數(shù)字控制信號通路及電源模塊。高速信號通路為其核心部件，通過高性能射頻開關(guān)、高性能射頻線纜及連接器組成，高速信號路徑無需經(jīng)過PCB單板，避免通過PCB的信號路徑阻抗不連續(xù)引入額外的串?dāng)_、插損、回損等信號完整性的問題。考慮滿足高速信號測設(shè)需求，采用較簡潔的拓撲連接關(guān)系，避免使用有損信號的功率分配器或者一分多的連接頭等器件，但測試時需要采用人工手動切換通道的方式更換不同的測試儀器。數(shù)字控制接口主要包括PC控制接口、高速開關(guān)選擇控制邏輯電路。電源模塊主要提供數(shù)字控制及高速開關(guān)所需的穩(wěn)定工作電壓。數(shù)字控制接口及電源模塊采用PCB單板的方式實現(xiàn)。

圖2 高速通道切換模塊總體框圖

高速通道切換系統(tǒng)對校準(zhǔn)裝置性能的主要影響因素及解決方案如表2。

表2 影響因素及解決方案

4 校準(zhǔn)接口板設(shè)計

在高速信號測量中，校準(zhǔn)接口板的設(shè)計是一個非常重要的環(huán)節(jié)。這是由于當(dāng)信號傳輸速率很高時，阻抗不匹配、介電材料損耗、傳導(dǎo)損耗、串?dāng)_等因素都將導(dǎo)致信號衰減。在設(shè)計時應(yīng)通過合理的布線保證線路之間沒有相互干擾。考慮到高速信號的特殊性，需要在接口板的設(shè)計過程中從信號的布線、電磁干擾（EMI）、信號的完整性、信號的衰減、可靠性等多個方面綜合考慮［11～13］。

1）通孔設(shè)計

連接Pogo Pin的通孔是測試系統(tǒng)和校準(zhǔn)接口板連接的第一個阻抗突變點，通孔設(shè)計是否合適，將直接影響校準(zhǔn)接口板的性能和最終測量結(jié)果。因此需要精細設(shè)計通孔的參數(shù)，盡量減少通孔產(chǎn)生的寄生電容和電感，減小對高速信號的影響。

對多層板而言，當(dāng)信號從通孔經(jīng)過時，必須找到返回電流的路徑。因此比較好的方法是在每個信號通孔附近提供接地的通孔，使返回電流在鄰近的通孔流過。由于測試系統(tǒng)通道分布緊密，相應(yīng)在校準(zhǔn)接口板上引出的信號也排列緊密，為了減少相鄰信號的串?dāng)_，本文采用優(yōu)化的設(shè)計，在每個信號通孔周圍分布四個對稱的電流回流通孔，既保證了PCB上不同信號之間的安全距離，同時盡可能減小了串?dāng)_問題，同時SMA的布局應(yīng)盡可能靠近通道，使得PCB上的走線盡可能短，如圖3所示。

圖3 通孔的優(yōu)化設(shè)計

2）布局設(shè)計

校準(zhǔn)接口板設(shè)計連線示意圖如圖4所示。將測試系統(tǒng)同一塊高速通道板上的一組數(shù)字通道（例如：一組16個數(shù)字通道）用50Ω阻抗匹配最短等長導(dǎo)線通過SMA接頭引出，并選取其中一個通道作為參考通道。將測試系統(tǒng)其余數(shù)字通道每間隔2個通道用50Ω阻抗匹配最短等長導(dǎo)線通過SMA接頭引出。所有的回流孔連接到SMA接頭的地。

圖4 校準(zhǔn)接口板設(shè)計連線示意圖

5 結(jié)語

集成電路測試系統(tǒng)高速通道校準(zhǔn)裝置的不確定度主要來源于通用測量儀器、高速通道切換系統(tǒng)以及校準(zhǔn)接口板等引入的誤差，本文通過選用帶寬達20GHz以上的示波器、高頻切換開關(guān)、高頻接頭、高頻線纜等組件，同時對校準(zhǔn)接口板與測試系統(tǒng)彈簧針Pogo Pin連接的通孔尺寸和鉆孔工藝進行了優(yōu)化設(shè)計，確保PCB布線盡可能短，同時設(shè)計校準(zhǔn)接口板50Ω阻抗匹配，確保高速信號經(jīng)由校準(zhǔn)裝置引入的不確定度盡可能小。

本文通過分析集成電路測試系統(tǒng)高速通道校準(zhǔn)方法、集成電路測試系統(tǒng)高速通道校準(zhǔn)裝置架構(gòu)設(shè)計、高速通道切換系統(tǒng)設(shè)計、校準(zhǔn)接口板設(shè)計等幾個步驟，成功設(shè)計出集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置架構(gòu)。經(jīng)過試驗證明，基于該架構(gòu)可以構(gòu)建出集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置，并完全滿足設(shè)計目標(biāo)。集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準(zhǔn)裝置具有通用、便攜、自動化、高集成度等特點，具有很高的應(yīng)用價值，填補了國內(nèi)空白，一定程度上提高了微電子計量的技術(shù)水平。