Contribution to the Built-In Self-Test for RF VCOs
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Thèse soutenue le 26 mars 2010: Bordeaux 1
Ce travail concerne l'étude et la réalisation de stratégies d'auto-test intégrées pour VCO radiofréquence (RF). La complexité des circuits intégrés RF devient un obstacle pour la mesure des principaux blocs RF des chaines de transmission/réception. Certains nœuds ne sont pas accessibles, l'excursion en tension des signaux baisse et les signaux haute fréquence ne peuvent pas être amenés à l'extérieur de la puce sans une forte dégradation. Le s techniques habituelles de test deviennent très couteuses et lentes. Le test pour le wafer-sort est étudié en premier. La solution proposée est la mise en œuvre d'une stratégie d'auto-test intégrée (BIST) qui puisse discriminer entre circuits sans fautes et circuits avec fautes pendant le wafer-test. La méthodologie utilisée est le test structurel. La couverture des fautes est étudiée pour connaitre la quantité à capter au niveau intégré afin de maximiser la probabilité de trouver tous les défauts physiques dans le VCO. Le résultat de cette analyse montre que la couverture des fautes est maximisée quand la tension crête-crête en sortie du VCO est captée. La caractérisation complète (validation de la puce et process-monitoring) du VCO est étudiée dans la deuxième étape. Les informations à extraire de la puce sont: amplitude des signaux, consommation du VCO, fréquence d'oscillation, gain de conversion (Kvco) et une information à propos du bruit de phase. Un démonstrateur pour le test au niveau wafer est réalisé en technologie ST CMOS 65nm. Le démonstrateur est composé d'un VCO 3.5GHz (le circuit sous test), un LDO, une référence de tension indépendante de température et variations d'alimentation, un capteur de tension crête-crête et un comparateur. Le capteur Vpp donne en sortie une information DC qui est comparée avec une plage de valeurs acceptables. Le BIST donne en sortie une information numérique pass/fail.
-BIST
-VCO
-RF
-capteur
-CMOS
-autotest
-reference de tension
-LDO
This work deals with the study and the realization of Built-In Self-Tests (BIST) for RF VCOs (Voltage Controlled Oscillators) The increasing complexity of RF integrated circuits is creating an obstacle for the correct measurement of the main RF blocks of any transceiver. Some nodes are not accessible, the voltage excursion of the signals is getting lower and lower and high frequency signals cannot be driven off the die without a main degradation. The common test techniques become then very expensive and time consuming. The wafer sort is firstly approached. The proposed solution is the implementation of a BIST strategy able to discriminate between faulty and good circuits during the wafer test. The chosen methodology is the structural test (fault-oriented). A fault coverage campaign is carried out in order to find the quantity to monitor on-chip that maximizes the probability to find all possible physical defects in the VCO. The result of the analysis reveals that the fault coverage is maximized if the peak-to-peak output voltage is monitored. The complete on-chip characterization of the VCO is then addressed, for chip validation and process monitoring. The information that need to be extracted on-chip concern: amplitude of the signal, consumption of the VCO, frequency of oscillation, its conversion gain (voltage-to-frequency) and eventually some information on the phase noise. A silicon demonstrator for wafer sort purposes is implemented using the ST CMOS 65nm process. It includes a 3.5GHz VCO, an LDO, a temperature and supply-voltage independent voltage reference, a peak-to-peak voltage detector and a comparator. The Vpp detector outputs a DC-voltage that is compared to a predefined acceptance boundary. A logic pass/fail signal is output by the BIST. The attention is then turned to the study of the proposed architecture for an on-chip frequency-meter able to measure the RF frequency with high accuracy. Behavioral simulations using VHDL-AMS lead to the conclusion that a TDC (Time-to-Digital Converter) is the best solution for our goal. The road is then opened to the measure of long-time jitter making use of the same TDC.
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14011/document
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX 1
ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR
par Luca TESTA
POUR OBTENIR LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : ELECTRONIQUE
Contribution to the Built‐In Self‐Test for RF VCOs
Soutenue le: 26 Mars 2010
Après avis de:
MM. H. BARTHÉLEMY Professeur, Polytech Marseille Rapporteur
M. RENOVELL Directeur de recherche CNRS, LIRMM, Montpellier Rapporteur
Devant la commission d’examen formée de :
MM. H. BARTHÉLEMY Professeur, Polytech Marseille Rapporteur
M. RENOVELL Directeur de recherche CNRS, LIRMM, Montpellier Rapporteur
V. LAGARESTE Ingénieur à STMicroelectronics Examinateur
J‐B. BEGUERET Professeur, Université de Bordeaux 1 Président
Y. DEVAL ENSEIRB, Bordeaux 1 Directeur de thèse
H. LAPUYADE Maitre de Conférences, Université de Bordeaux 1 Co‐directeur de thèse
‐2010‐ Contents
Introduction.…………………………..………………………………………………………………………………………….…….1
I. State‐of‐the‐art ................................................................................................................... 7
I.1. Definitions used in the test domain ........................................................................................ 7
I.1.1 Defining defect, fault and failure 7
I.1.2 Defining catastrophic and parametric faults ....................................................................... 7
I.1.3 Mechanisms of generation of a defect................................................................................ 8
I.1.4 Fault Coverage 10
I.2. BIST strategies ....................................................................................................................... 10
I.2.1 Functional Test (specification‐based) ................................................................................ 11
I.2.2 Conclusion on Functional Test........................................................................................... 17
I.2.3 Structural Test (defect‐oriented) ...................................................................................... 18
I.2.4 Conclusion on Structural Test ............................................................................................ 21
I.3. Detectors ............................................................................................................................... 21
I.3.1 Built‐In Current Sensors (BICS) .......................................................................................... 22
I.3.2 Power sensors ................................................................................................................... 24
I.3.3 Amplitude sensors ............................................................................................................. 27
I.3.4 Frequency‐meters 28
I.3.5 Comparative table for detectors ....................................................................................... 31
I.4. Choice of the Circuit Under Test ........................................................................................... 31
I.4.1 Voltage‐Controlled Oscillator ............................................................................................ 31
I.4.2 PLL ..................................................................................................................................... 32
I.4.3 Phase noise ........................................................................................................................ 34
I.4.4 Condition for oscillation and possible implementations of the VCO ................................ 34
I.5. Conclusion ............................................................................................................................. 37
I.6. References 38
II Choice of the bist strategy and of the system architecture ............. 42
II.1 Choice of a structural test for BIST of the RF VCO ................................................................ 42
II.2 Catastrophic Fault Simulation ............................................................................................... 42
II.3 Extensive fault coverage campaign on two VCOs ................................................................. 45
II.3.1 The telecommunication standard addressed by the VCO ............................................. 45
II.3.2 The circuit under test .................................................................................................... 46
II.3.3 Catastrophic Fault injection ........................................................................................... 48
II.3.4 Parametric Fault injection ............................................................................................. 49
II.3.5 Decision of the signals to take into account .................................................................. 50
II.3.6 Choice of the acceptance boundaries ........................................................................... 51
II.3.7 Fault coverage for catastrophic faults – a first screening ............................................. 53
II.3.8 Fault coverage for parametric faults ‐ decision of the signal to monitor ...................... 54
II.4 Choice and design of the system architecture ...................................................................... 55
II.4.1 LDO – power management for the CUT ........................................................................ 56
II.4.2 Voltage‐Controlled Oscillator – the CUT ....................................................................... 62
II.4.3 The BIST ......................................................................................................................... 69
II.5 Transparency of the BIST ....................................................................................................... 85
II.6 Corrective feedback............................................................................................................... 86
II.6.1 Advantages and drawbacks of the proposed architecture for the feedback ................ 88
II.6.2 Proposed scenarios 88
II.6.3 Implementation of a “discrete” feedback triggered by the logic output of the BIST ... 91
II.7 Conclusion ............................................................................................................................. 94
II.8 References 95
III Measurements of the bist architecture for wafer sort ........................ 98
III.1 Measurement of the stand‐alone building blocks for the BIST ............................................. 98
III.1.1 Design of the Printed Circuit Board ............................................................................... 99
III.1.2 Measurement of the temperature and supply‐voltage independent
