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
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
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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
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Projet, ELE6306 - 11 avr. 2023 École Polytechnique de Montréal
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
Projet, ELE6306 - 11 avr. 2023 École Polytechnique de Montréal
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
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Projet, ELE6306 - 11 avr. 2023 École Polytechnique de Montréal
Caractéristiques du CNA
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
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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
Caractéristiques du CNA
• Décalage (Offset): 1LSB
• Gain: 2LSB
• Linéarité
• Intégrale (INL): 1.5LSB
• Différentielle (DNL): 1.5LSB
• Monotonie: si DNL≤1LSB, monotone ici, non-monotone
INLDNL
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Caractéristiques du CNA
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.
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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
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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 ?
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Test par sélection de code
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
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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
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Test par sélection de code
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:
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Test par sélection de code
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
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Test par sélection de code
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.
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Test par sélection de code
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
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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.
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Test par sélection de code
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
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Test par sélection de code
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
0010 V4+V2+DC Base 370mV
0011 V4+V2+V1+DC Base 445mV
0100 V4+V3+DC Base 500mV
0101 V4+V3+V1+DC Base 575mV
0110 V4+V3+V2+DC Base 750mV
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
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Résultats de simulation
Test exhaustif et par sélection de codes pour
CNA 8 bits avec erreurs insérées aux bits 7 et 8.
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Résultats de simulation
Test exhaustif et par sélection de codes pour
CNA 14 bits avec déviations aléatoires des
composants.
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Résultats de simulation
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 ?
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Résultats de simulation
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.
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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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Questions ?