ELE6306 : Test de systèmes électroniques Projet de cours Test de convertisseur numérique à...

ELE6306 : Test de systèmes électroniques

Projet de cours

Test de convertisseur numérique à

analogique par sélection de codes

David Marche et Ming Li

Professeur : A. Khouas

Département de génie électrique

École Polytechnique de Montréal

2

Projet, ELE6306 - 11 avr. 2023 École Polytechnique de Montréal

Plan

Description du CNA (DAC)

Caractéristiques du CNA

Différentes méthodes de test

Test par sélection de codes

Résultats de simulations

Conclusion

3


Description du CNA•Fonction :

•CNA R-2R:

)222( 1232112

NNN BBBBKBBBFKsortie

11

1211 22 IBIBIBI NNA

2R

R

2R

2R

2R

R

Vref

B1B2BN-1

I1I2

R

2R

IN-1

IA

IREF

IN

BN

4


Description du CNA•Exemple :

•CNA R-2R:

111281011 F

114131211 118.4.2.. IIBIBIBIBI A

2R

R

2R

2R

2R

R

Vref

I12I1

R

2R

4I1

IA

IREF

8I1

B4=1 B3=0 B2=1 B1=1

5



Décalage (Offset):Écart entre les valeurs analogiques idéale et mesurée à 0...00.

Erreur de gain:Écart entre les valeurs analogiques idéale et mesurée à 1...11.

Linéarité:Intégrale (INL): Écarts entre les valeurs analogiques idéales et mesurées pour chaque transition:

Différentielle (DNL): Uniformité des incréments analogiques lors d’application de codes successifs:

Monotonie: Un incrément de l’entrée numérique entraîne un incrément de la sortie analogique.

)()()(

)( LSBV

iSiSiINL

LSB

REF

)()()1(

)( LSBV

ViSiSiDNL

LSB

LSB

6


000 001 010 011 100 101 110 111

0

Vref.1/8

Vref.2/8

Vref.3/8

Vref.4/8

Vref.5/8

Vref.6/8

Vref.7/8

Vref

Entrée Numérique

So

rtie

An

alo

giq

ue


• Décalage (Offset): 1LSB

• Gain: 2LSB

• Linéarité

• Intégrale (INL): 1.5LSB

• Différentielle (DNL): 1.5LSB

• Monotonie: si DNL≤1LSB, monotone ici, non-monotone

INLDNL

7



IA

B1B2BN-1BN

Points de test => dégradation des performances: Capacité : fréquence d’opération, pureté spectrale Courants de fuite : non linéarité

Accès limité: entrées numériques, sortie analogique.

8


Méthode de test

Test exhaustif Tous les codes numériques sont testés. Caractérisation complète du CNA. Indépendant de l’utilisation prévue du CNA. Peut exiger beaucoup de temps de tests.

Test partiel (pseudo-exhaustif) Tous les codes de certaines portions de la

fonction de transfert sont testés. Caractérisation partielle du CNA. Test adapté à l’utilisation du CNA. Non approprié à CNA de tout usage.

0Entrée Numérique

So

rtie

An

alo

giq

ue

0Entrée Numérique

Sor

tie A

nalo

giqu

e

9


Méthode de test

Test par sélection de code

Seul certains codes numériques

sont testés. La réponses aux autres codes

est déduite mathématiquement.

But: accélération du test exhaustif

0Entrée Numérique

Sor

tie A

nalo

giqu

e

X

X

X

X

X

Comment sélectionner les

codes ?

10



NN

n

i

iiA IBIBIBIBIA

2211

1

N

NA

I

I

I

BBBIA

2

1

21

Fonction du CNA :

Forme matricielle : Valeur Analogique = Code *

Poids

Matrice Code Matrice poids

11


Test par sélection de codeSélection de code pour la détermination des

poids:

Nombre de vecteur de test : N.

Erreur d’offset et erreur de gain : 00..0 et 11..1.

Nombre total de vecteur de test : N+2 (Exhaustif: 2N) .

1

2

4

2

1

2

1

2

1

2

4

2

1

1000

0100

0010

0001

1000

0100

0010

0001

11

NN A

A

A

A

I

I

I

I

I

I

A

A

A

A

NN

12



Déduction de la réponse

analogiques pour tous les

codes

NI

I

I

A

A

A

A

A

N

2

1

12

3

2

1

0

11111

0011

0010

0001

0000

0Entrée Numérique

Sor

tie A

nalo

giqu

e

X

X

X

X

00010010

0100 1000

Exemple pour CNA 4 bits:

13



IN se mesure directement en fixant le bit N à 1 et

tous les autres à 0.

Grandeurs I1→IN très différentes. Ex: I10=512I1

Nécessite un appareil capable de mesurer à

précision égale des tensions/courants faibles et

forts.

Pour des CNA de haute résolution, cet appareil de

mesure n’existe pas.

DCBASEIBIBIBA NN 2211

14



Solution: mesurer les incréments des transitions majeures de la fonction de transfert du CNA.

Les transitions majeures sont les transition entre les codes 2N -1 et 2N.

Ces incréments valent tous environ 1LSB.

La transition analogique de sortie peut alors se mesurer en mode « échantillon-différence » d’un voltmètre/ampèremètre et donner des mesures précises des incréments.

15



À l’aide des valeurs d’incréments mesurées pour

chaque transition majeure, il est possible de

déduire les valeurs de I1 à I

N:

)(

...

)(

121

1233

122

11

IIIII

IIII

III

II

NNNAN

A

A

A

)(

...

)(

121

1233

122

11

IIIII

IIII

III

II

NNANN

A

A

A

16


Test par sélection de codeLa technique de transition majeure peut

également être employée sur convertisseurs binaires signés avec un codage complément 2.

Exemple: CNA 4 bits

VFS-= - 780 mV,

step size entre 10002 ( - 8 ) et 10012 ( - 7 ) est 75mV,

step size entre 10012 ( - 7 ) et 10102 ( - 6 ) est

175mV,

step size entre 10112 ( - 5 ) et 11002 ( - 4 ) est 55mV,

step size entre 11112 ( - 1 ) et 00002 ( 0 ) est 195mV,

Déduire les tensions de sorties pour les codes -8 à +7.

17



Le MSB (B4) représente le signe de la valeur codée :

mVmVmVVmVV

mVmVmVmVV

mVmVmVV

mVV

VVVVV

mVDCBaseSolution

NNANN

90075250380195

3807525055

25075175

75

)(

780:

4

3

2

1

121

DCBaseVBVBVBVBVsortie 44332211

18



Code de CNA Calculs Sortie

1000 DC Base -780mV

1001 V1+ DC Base -705mV

1010 V2+ DC Base -530mV

1011 V2+V1+ DC Base -455mV

1100 V3+ DC Base -400mV

1101 V3+V1+ DC Base -325mV

1110 V3+V2+ DC Base -150mV

1111 V3+V2+V1+ DC Base -75mV

0000 V4+ DC Base 120mV

0001 V4+V1+DC Base 195mV


0011 V4+V2+V1+DC Base 445mV




0111 V4+V3+V2+V1+DC Base 825mV

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Test par sélection de codeDescription du CNA

(NETLIST)

Description des vecteur(NETLIST)

Simulation(HSPICE)

Extraction desvaleurs de sortie

analogique(C)

Résultats de simulation(.sw0)

Calcul des résultats pourtous les vecteurs

(MATLAB)

Calcul descaractéristiques du CNA

20


Résultats de simulation

Test exhaustif et par sélection de codes pour

CNA 8 bits avec erreurs insérées aux bits 7 et 8.

21



Test exhaustif et par sélection de codes pour

CNA 14 bits avec déviations aléatoires des

composants.

22



Comparaison des résultats des tests:

CIRCUIT TEST GAIN(LSB)

OFFSET(LSB)

INL (LSB)

DNL(LSB)

CPU(S)

CNA 8 bits

Exhaustif 4.34 1,7.10-12 2,0329 3,20345 21

Sélectif 4.34 1,7.10-12 2,0328 3,20343 10

CNA 14 bits

Exhaustif 1.69 1,67.10-12 2,5582 5,116 1097

Sélectif 1.69 1,67.10-12 2,5585 5,117 11

Quelles sont les limites du test par sélection de

code ?

23



Test CNA 14 bits avec courant de sortie converti

en tension.

B1B14

IA

CAN 14 bits -

+ VA

RF

Rf est non linéaire: Rf varie avec la tension à ses

bornes.

Seul le test exhaustif révèle cette non linéarité.

24


Conclusion Avantages du test par sélection de codes:

Réduction importante du nombre de vecteur de test:Test exhaustif : 2N vecteurs.Test par sélection de codes: N+2 vecteurs.

Aucun composant ou point de test ajouté:Aucune dégradation des performances du circuit.Aucune augmentation de surface ou de nombre de plots.

Économies:Étape de test : réduction du temps d’utilisation du testeur. Étape de design : simulation et caractérisation rapide.

Particulièrement adapté au convertisseurs parallèles (Flash).

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Conclusion

Inconvénients et limites du test par sélection de

codes: Le résultat est une approximation de la fonction de

transfert: Déductions mathématique parfois fausse (Ex: cas non

linéaire). Peu adaptés à certains types de CNAs (ex: sériel, pipeline).Nécessite une connaissance interne du CNA.Nécessite une validation par comparaison avec un test

exhaustif Précision du testeur:

Solution possible : sélection de codes de transitions majeures. Test limité aux caractéristiques statiques des CNAs.

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