嵌入式半导体器件混合信号测试策略

混合信号技术给当今的半导体制造商们带来了很多新挑战，以前一些对数字电路只有很小影响的缺陷如今在嵌入式器件中却可能大大改变模拟电路的功能，导致器件无法使用。为确保这些新型半导体器件达到"无缺陷"水平，需要开发新的测试策略、方法与技术。本文详细讨论混合信号半导体器件测试技术基本构建模块，并以实例介绍混合信号的系统化测试方法。

近年来出现了很多新的半导体产品，如可以用于无线通信、过程控制以及实时控制系统的所谓嵌入式半导体器件就是其中一种，它将模拟和数字电路结合到一个器件内，这种技术又称为混合信号技术。简单地说，嵌入式半导体器件是作为整机系统一个有机组成部分的半导体器件，可以提供控制、监测和其它辅助功能。混合信号技术将数字和模拟半导体器件组合到一个封装内，实现这种嵌入式器件的功能，其中数字电路部分完成处理，并负责与其它数字器件的通信，而模拟部分则通过分析和产生连续信号与"现实"世界相联系。

正是这两种技术的混合对半导体产品"无缺陷"提出了挑战。向数字电路施加一个给定的输入激励信号会得到一个离散且确定可知的响应信号，而模拟信号则不同，给定输入产生的响应会在一个可接受范围内。混合信号器件需处理模拟和数字两种格式的信息，将两种技术的复杂性糅合在一起，幸好现在已有很多测试策略、技术与方法，可以实现器件"无缺陷"目标。

由于混合信号器件通常都包含从一种信号转换成另一种信号(模拟到数字或数字到模拟)，所以我们将用一个简单的混合信号器件--模数转换器(ADC)来对这些策略、技术与方法进行讨论，说明混合信号器件测试的步骤和方法。有了一些基本认识后，就可将其扩展并应用到当前先进的嵌入式半导体器件中，如数字滤波器、音频/视频信号处理器及数字电位计等。

传统半导体器件测试包括基本参数测试(连续性、泄漏、增益等)和功能测试(将器件输出与给定输入相比较)，混合信号测试还要再另外增加两个测试，即动态测试和线性测试。动态参数描述的是器件对一个特定频率或多频率时序变化信号的采样(从模拟信号中建立数字波形)和重现(利用数字输入建立模拟信号)能力。线性参数则相反，描述的是器件内在特性，主要关注数字和模拟电路之间的关系。下面将对这两种特性分别作详细说明。

动态测试

模数转换器的动态特性有时也称作传输参数，代表器件模拟信号采样和输入波形的数字再现能力，信噪比(SNR)、总谐波失真(THD)及有效位数等指标可使制造商对器件输出的"纯度"和数字信息精度进行量化。新型动态测试技术产生于上世纪80年代，主要围绕数字信号处理和傅立叶变换，将时域波形和信号分别转换为频谱成分。这种技术可以同时对多个测试频率进行采样，效率和重复性非常高。图1是对一个普通ADC器件进行快速傅立叶变换(FFT)测试的示意图，图中可以看到模拟信号在时域内转换成数字代码，然后用傅立叶变换转换成频谱。对ADC输出进行傅立叶分析可提供宝贵的性能信息，但如果测试时条件设置不当得到的信息也会毫无意义。为了从器件输出信号的傅立叶分析中提取有意义的性能参数，在讨论FFT结果之前首先需要考虑测试条件，其中包括输入信号完整性、采样频率、一致性及系统测量误差(假频、量化及采样抖动误差)。

◆输入信号

对于模数转换器来说，输入信号的"纯度"会影响数字输出的性能。输入信号中的耦合噪声将转换为输出信号数字噪声，如果输入信号中有太多噪声和失真，ADC性能实际上会被测试条件所掩盖。输入信号的精度和纯度最终取决于器件的转换分辨率，一般来说测试设备的精度要比被测器件高10倍以上。另外可以考虑在输入端使用滤波器，除去输入信号之外的噪声和失真。

◆采样与一致性

采样频率是采样时间的倒数，如果采样数据点选择正确，一个无限时序变化信号可用有限几个数据点来表示。通过奈奎斯特采样间隔定理，即采样频率必须是被测信号频率的两倍以上，我们可以获得正确的采样频率范围，利用采样点再现输入信号。在我们所举例子中，ADC必须以输入频率两倍以上的频率"运行"或采样，以便正确地数字化再现出输入信号，得到有效动态测试结果。

一致性是动态测试第二个关键的部分，当能对测试信号的生成与采样进行控制时，它可以提供很多东西。一致性采样主要是为了保证采样数据包含完整的输入周期描述信息，使得在有限的样本中收集到尽可能多输入信息。一致性采样定义了测试频率(Ft)、样本大小(M)、采样频率(Fs)以及测试周期(N)之间的关系，有