Test analoger und digitaler Strukturen
Mixed-Signal-Analyse wird mobiltauglich
Gerade einmal Milchtüten-groß ist das neue Testsystem des IMMS für den Test und die Charakterisierung von Schaltkreisen mit digitalem seriellem Interface. Damit eignet es sich perfekt für den mobilen Einsatz oder als platzsparende Ergänzung an bestehenden Messplätzen.
Im Auftrag von X-FAB Global Services hat das Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS) ein neues Standalone-Gerät für den Betrieb, den Test und die Charakterisierung von Teststrukturen in Speicherchips sowie in Mixed-Signal-Designs und Schaltungen mit digitaler Ansteuerung entwickelt. In der Größe eines klassischen Milch-Tetrapacks benötigt das Programmer Toolkit Version 4 – das PTK 4.0 – für die meisten Anwendungen keinerlei zusätzliches Testequipment, denn es stellt alle erforderlichen digitalen und analogen Funktionen selbst bereit. Messaufgaben werden in Verbindung mit einem Laptop zur Ansteuerung und Datenverarbeitung automatisiert ausgeführt.
Kernkomponente ist ein Messmodul mit acht analogen und acht digitalen Messkanälen. Neben der Implementierung des internen seriellen Protokolls XSTI von X-FAB sind auch standardisierte serielle Schnittstellen wie SPI (Serial Peripheral Interface) oder I2C (Inter-Integrated Circuit) ansteuerbar. Die digitalen Spannungspegel lassen sich dabei zwischen 0,65 V und 3,6 V einstellen.
Zusätzlich können die analogen Messkanäle Spannungen (-6 V bis +16 V) und Ströme (-50 mA bis +50 mA) bereitstellen und mit einer hohen Genauigkeit von ±1 nA/2 mV erfassen. Durch einen Sequenzer besteht die Möglichkeit, Messabläufe zu programmieren und zu wiederholen, sodass auch Stress- und Langzeituntersuchungen möglich sind.
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Hardware des PTK 4.
Zum Betrieb verfügt das PTK 4.0 (Bild 1) über eine USB-Schnittstelle und einen Eingang für ein Netzteil. Testobjekte lassen sich über acht digitale und acht analoge Kanäle anschließen, die jeweils als Ein- und Ausgabe konfigurierbar sind. Ein Teil der digitalen Kanäle ist für die Datenübertragung zum Testobjekt mit einem Bussystem vorgesehen.
Für das System wurden zwei Teile entwickelt: die Modulplatine, die dem Gerät die eigentliche Funktion gibt, und der Modultreiber, der die USB-Schnittstelle in einen QSPI-Bus (Quad Serial Peripheral Interface) zur Datenübertragung adaptiert. Per FPGA und mit analogen Schaltungskomponenten werden analoge und digitale Funktionen implementiert. Als Modul mit dem Formformat einer Europakarte ist dieser Teil des Testsystems zusätzlich kompatibel zum AMS ASIC Scope des IMMS.
Modulplatine
Die Grundfunktion des PTK 4.0 befindet sich auf der Modulplatine (Bild 2). Diese bietet analoge Quell- und Messkanäle zur Versorgung und digitale Kanäle zur Ansteuerung von Testchips. Dafür stehen acht digitale IOs im Spannungsbereich zwischen 0,65 V und 3,6 V zur Verfügung. Diese werden von einem FPGA gesteuert und ermöglichen die Implementierung für verschiedenste Digitalprotokolle.
Die Spannungen der digitalen Signale werden zu je vier Signalen miteinander durch zwei der insgesamt acht analogen Kanäle vorgegeben. Das bedeutet, dass die acht digitalen Kanäle in zwei Gruppen aufgeteilt sind, die jeweils vier Digitalkanäle umfassen. Jede Gruppe kann unabhängig von der anderen in ihrem digitalem Spannungspegel variiert werden.
Die acht analogen Kanäle sind Vierquadrantenquellen mit gleichzeitiger Messfunktionalität aus dem ATE-Bereich (Automatic Test Equipment). Sie sind in der Lage, je Kanal Spannungen oder Ströme zwischen -6 V und 16 V und ±50 mA zu erzeugen bzw. zu senken. Die Genauigkeit für die Ausgabe analoger Spannungen entspricht ca. ±2 mV. Für Ströme werden, je nach konfiguriertem Bereich, Genauigkeiten von bis ±1 nA erreicht.
Die gleichzeitige Messfunktionalität ermöglicht die Messung von Betriebsparametern des zu untersuchenden Schaltkreises (Device Under Test, DUT) mit mV-Spannungs- und nA-Stromauflösung. Das ermöglicht beispielsweise die Untersuchung der Stromaufnahme eines Testobjektes. Für eine hohe absolute Genauigkeit der analogen Komponenten erfolgt zuvor ein Abgleich und eine Feinjustage mithilfe kalibrierter Messgeräte. So ist sichergestellt, dass die angestrebte Messgenauigkeit des Testgerätes erreicht wird.
Modultreiber
Der Modultreiber (Bild 3) stellt die Verbindung zwischen dem Modul und einer Nutzerschnittstelle dar. Dafür integriert der Modultreiber einen Protokollwandler von USB 2.0 auf QSPI. Ein am Modultreiber angeschlossenes Netzteil dient als Spannungsversorgung des Gerätes. Ein weiterer Vorteil des Modultreibers ist die Kompatibilität zum modularen System – dem AMS ASIC Scope. Komponenten dieses Modularsystems können so mit dem Modultreiber als Standalone-Geräte betrieben werden. Andererseits ist die Modulplatine des PTK 4.0 auch im AMS ASIC Scope einsetzbar.
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