3 TESTKONZEPTE FÜR ANALOGE UND MIXED-SIGNAL-SCHALTUNGEN
3.4 S ELBSTTESTVERFAHREN FÜR INTEGRIERTE S ENSORSYSTEME
3.4.3 Testverfahren für integrierte Sensorsysteme in der Betriebsphase
3.4.3.3 Ausgangsspannungsanalyse
Das erste Verfahren zum Test eines analogen Schaltungsteils unter Verwendung von Funktions-elementen einer digitalen BIST-Struktur ist in [Ohl89] vorgestellt worden. Angewendet wird eine Signaturanalyse, unter Verwendung eines rückgekoppelten Schieberegisters (LFSR), wie sie bei digitalen Schaltungsteilen üblich ist. Das Prinzip dieses Selbsttestverfahrens ist in Abb. 3-9 veranschaulicht. Zur Durchführung des Testverfahrens werden als zusätzliche Schaltungselemente ein analoger Multiplexer und ein HTSG benötigt. Der HTSG dient zur analogen Teststimulationser-zeugung und setzt sich aus einem DA-Wandler zusammen, der z.B. mit einem LFSR oder einem Zähler digital angesteuert wird. Die generierten Teststimulierungen werden über analoge Multi-plexer (AMUX) an die zu testende Schaltung angelegt, hierbei werden die Eingänge des CUT während der Testphase von den Pins getrennt. Für die Testauswertung werden die Ausgangssignal-folgen der zu testenden Schaltung mit Hilfe eines AD-Wandlers in digitale Werte transformiert und können dann z.B. über ein BILBO-Register in eine aus dem Bereich des BIST digitaler Schaltungen bekannte Signatur umgewandelt werden.
Abb. 3-9: Hybrider Selbsttest (HBIST)
Vorteilhaft ist bei dieser Methode, daß die digitalen Komponenten wie linear rückgekoppelte Schieberegister und BILBOs gleichzeitig auch zum Test der digitalen Komponenten verwendet werden können. Durch die Möglichkeit der wiederholten Konfiguration der BIST-Strukturen läßt sich dieses Verfahren Domänen übergreifend einsetzen, bei gleichzeitig geringer Redundanz. Der Einfluß des Testverfahrens beschränkt sich auf die Verzögerung des Signalpfades, die durch das Hinzufügen des AMUX in den Signalpfad bedingt ist.
Da der analogen Signalverarbeitung oftmals ein A/D-Wandler nachgeschaltet ist, womit Teile der erforderlichen Schaltungsstruktur schon vorhanden sind, ist eine Anwendung des Testverfahrens bei integrierten Sensoren effektiv implementierbar. Dieser Ansatz war Ausgangspunkt für eine Weiterentwicklung des Testverfahrens für integrierte Sensorsysteme. Dieses Testverfahren, welches das Sensorelement in den Test mit einschließt wird in [Dam98] vorgestellt. Basierend auf diesem Testverfahren wurden im Rahmen dieser Dissertation Untersuchungen durchgeführt, die Grenzen des Verfahrens aufzeigen und Ansätze zur Erweiterung zeigen (siehe Abschnitt 5). Das
an-CUT (analog)
HTSG
Wandler LFSR
AD-Wandler
Signatur-Analog Digital
analyse Pin
AMUX
Teststeuerung /-auswertung
schließend näher beschriebene Testverfahren berücksichtigt die besonderen Randbedingungen von integrierten Sensoren, die erheblich von analogen Schaltungsteilen ohne Sensorik abweichen.
Folgende Randbedingungen bestimmen die Testmethodik für integrierte Sensoren:
• Eine festgelegte Stimulierung mit einer genau bekannten Meßgröße während des Selbsttests ist nicht realisierbar, da der dauerhafte Einfluß der Meßgröße auf das Sensorelement nicht eliminiert werden kann.
• Die Generierung von Stimulierungen für das Sensorelement in der entsprechenden physi-kalischen oder chemischen Größe auf dem Sensorchip ist nur mit großen Einschränkungen möglich. Um ein definiertes Umfeld zu schaffen, wäre eine Aktorik notwendig, die eine Beeinflussung der physikalischen oder chemischen Umgebung gewährleisten kann.
• Verwendet der Sensor als Grundlage für das Meßprinzip eine elektrische Stimulierung, so ist eine Teststimulierung durch die Variation dieser Größe oftmals realisierbar. Es werden dann Schaltungsteile vorgesehen, die eine definierte Manipulation der elektrischen Stimulierung ermöglichen. Da der Einfluß der physikalischen oder chemischen Umgebung nicht zu eliminieren ist, sind Einschränkungen bei der Qualität des Testes zu erwarten. Es wird hierbei angenommen, daß während der Testphase die Meßgröße näherungsweise konstant ist.
Die Untersuchung verschiedenster Konzepte von integrierten Sensoren und die Untersuchung zur Stimulierungserzeugung und der Auswirkung der Stimuli auf das Ausgangssignal von integrierten Sensoren ergab die folgenden verallgemeinerten Voraussetzungen bezüglich der Stimulierbarkeit [Dam98]. Eine Stimulierung des integrierten Sensors ist demnach nur möglich, wenn folgende Rahmenbedingungen erfüllt sind:
• Vorhandensein eines Hauptsignalpfades, der über das Sensorelement und die analoge Signal-verarbeitung zum AD-Wandler führt
• Schaltungsknoten die Bestandteil des Hauptsignalpfades sind und an denen Referenzsignale angelegt werden können, z.B. Brückenspannung bei Sensorbrücken
• Die Übertragungsfunktion (Ausgangssignal in Abhängigkeit der Meßgröße) des Sensors ist näherungsweise linear
• Eine Stimulierung des Referenzsignals hat einen näherungsweise linearen Einfluß auf das Ausgangssignal des Sensors
Sind diese Rahmenbedingungen nicht vom integrierten Sensor gegeben, so ist ein Test mittels elektrischer Stimulierungen nach den in [Dam98] vorgestellten Verfahren nicht möglich. Die Verwendung einer Referenzgröße, die erst nach dem Sensorelement hinzugefügt wird, erlaubt jedoch zumindest den Test der analogen Signalverarbeitung und des nachfolgenden AD-Wandlers.
Die Rahmenbedingungen für die Testbarkeit eines integrierten Sensors erfordern den wie folgt dargestellten prinzipiellen Aufbau eines integrierten Sensorsystems. Bei dieser Darstellung ist als Referenzgröße eine Spannung uref gewählt worden.
Abb. 3-10: Aufbau eines selbsttestfähigen integrierten Sensors
Die Ausgangsgröße N(y) ist die Antwort des A/D-Wandlers auf den Ausgabewert (y) der analogen Signalverarbeitung, die sich aus der physikalischen Meßgröße x und dem Referenzsignal uref ergibt.
Der Zusammenhang zwischen den Größen läßt sich wie folgt formulieren:
y=M(x)⋅R(uref)+K (3.01)
Hierbei sind die Funktionen M(x) und R(uref) näherungsweise linear und K eine additive Konstante (z.B. Offsetspannung). Bei der Formulierung wurde die Annahme zugrunde gelegt, daß in der Meßphase die Referenzgröße und während der Testphase die Meßgröße konstant ist. Dies bedingt die Forderung nach einer sehr kurzen Testphase, so daß eine geringe zeitlich bedingte Änderung der Meßgröße vernachlässigt werden kann.
Das in [Dam98] vorgestellte Testverfahren der Stimulierung des integrierten Sensorsystems über einen Referenzknoten im Sensor basiert auf der zuvor beschriebenen BIST-Methode (Abb. 3-9).
Die im digitalen Schaltungsteil erzeugten Stimulierungen z.B. über einen DA-Wandler werden dem Referenzknoten des Sensors zugeführt. Das Ausgangssignal des CUT wird mittels eines A/D-Wandlers in die digitale Domäne überführt und dort mit einer nachfolgenden Signaturanalyse bewertet.
Die Ausgangsantwort des A/D-Wandlers ergibt als binäre Größe.
⋅
(
−)
−
= − 2 1
) (
l
y o u
u round y
N (3.02)
Hierbei sind N(y) das binäre Ausgangswort des AD-Wandlers, l die Auflösung des AD-Wandlers, y das Sensorausgangssignal, o die obere Bereichsgrenze und u die untere Bereichsgrenze des Sensorausgangssignals.
Gleichen die Signaturen, die den N(y) Werten entsprechen, innerhalb eines maximal erlaubten Toleranzintervalls den Referenzwerten für diese Signaturen, so wird die Schaltung als fehlerfrei klassifiziert. Die notwendigen Referenzwerte sind zuvor, z.B. mittels Simulation zu ermitteln.
In [Dam98] wird abweichend von dem in [Ohl89] präsentierten Vorschlag die Signaturbildung nicht mit LFSR- sondern mit Akkumulator-Strukturen durchgeführt. Diese Strukturen basieren auf Verknüpfungen von Addierern und Speicherelementen. Der Vorteil der Akkumulator-Strukturen gegenüber den LFSR-Strukturen ist, daß die Auswirkung von Drifts und Parameterabweichungen auf N(y) von der Auswirkung von Fehlern unterscheidbar ist. Aufgrund der Pseudozufälligkeit von LFSR Anordnungen führen geringe Unterschiede der Eingangswerte, hier N(y) zu zufälligen Ausgangswerten. Eine Korrelation ist, im Vergleich zu den Ausgabewerten der Akkumulator-Strukturen, nicht erkennbar. Zusammenfassend kann nach [Dam98] ausgesagt werden, daß die
Sensor + analoge phys.
Meßgröße
Referenzgröße
Signalverarbeitung
x y A/D
-Wandler
N(y) ( ) (x R ) K
M
y = ⋅ uref +
Testmethode [Ohl89] unter Verwendung von LFSR-Strukturen nicht für den Selbsttest von integrierten Sensoren geeignet ist.
Der Einfluß der Meßgröße auf den Sensor kann, wie zuvor beschrieben, nicht eliminiert werden, daher müssen die Stimulierungen zusammen mit den Signaturbildungen so bestimmt werden, daß der Einfluß der Meßgröße weitestgehend kompensiert wird. Nur so ist ein Testergebnis unabhängig von der Meßgröße zu erreichen.
Wie in Abb. 3-10 dargestellt, beeinflussen die physikalische Meßgröße und das Referenzsignal den Sensor. Eine Stimulierung des Sensors ist daher möglich, indem die Teststimulierungen (ui) dem Referenzsignal (uref) überlagert werden [Dam98].
Hierbei sind die folgenden Bedingungen für die Stimulierung ui = uref + ∆uj zu berücksichtigen.
0
1
=
∑
∆= k
j uj (3.03)
∆uj ≠0 für alle j∈N (3.04)
k ist Vielfaches von 4 (3.05)
für jedes j ∈N existiert genau ein w∈N mit
∆uw =−∆uj (3.06)
Die Signale ∆uj existieren paarweise, wobei sich die Summe eines solchen Paares zu Null ergibt.
Der Effekt eines Stimulierungspaares ± ∆uj auf die Summe der Sensorausgangssignale Y(X), ergibt sich nach Gl. 3.01 zu:
M( )X ⋅R(uref+∆uj) +R(uref−∆uj)+2K ≅ ⋅2 Y( )X (3.07) Wird die Signaturbildung folgendermaßen verändert, daß zwei Paare von Teststimulierungen ab-wechselnd addiert und subtrahiert werden, so ergibt sich eine Signatur (Sen_Sign), die unabhängig von der anliegenden Meßgröße ist. Hierbei sind die Stimulierungen so auszuwählen, daß unterschiedliche Stimulierungen in der fehlerfreien Schaltung auch zu unterschiedlichen Ausgangs-signalen führen, da sonst die Signatur auch im Fehlerfall zum Wert "0" führen könnte.
2
( )
1 ( ( , )) ( ( , )) 1_ 1 mod 2
k
ref j ref j
j n
y x u u y x u u
i
Sen Sign + N +∆ N −∆
=
=
∑
− ⋅ + (3.08)2( ) 1 ( )
(
(uref+ uj) (uref- uj)) ( )
1
2 2
_ 1 + ∆ ∆ 2 1 mod 2
=
⋅ + + ⋅ −
= − ⋅ − ⋅ − ⋅
∑
k j x l ni
M R R K u
Sen Sign round
o u (3.09)
Sen Sign_ ≅0 (3.10)
Durch die Unabhängigkeit des Testergebnisses von der Meßgröße X ist dieses Verfahren zum Test von integrierten Sensorsystemen unter Berücksichtigung der Rahmenbedingungen geeignet.