第1章 电路测试基础.ppt
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- 第1章 电路测试基础 电路 测试 基础
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1、第1章 电路测试基础,集成电路设计就是在五个因素之间的优化: 面积、速度、功耗、可测性设计、成本 可测性设计(DFT)技术方面的内涵: 1)插入逻辑结构使得电路容易测试 2)自动测试图形生成(ATPG),南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1.1 验证、模拟和测试,在电路的设计生产各个过程中,检验电路所使用的方法和手段: 设计验证、模拟、仿真和测试。,第1章 电路测试基础,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1.1.1 验证 设计验证:电路未实现前所进行的测试。验证的目的是保 证所设计电路符合设计要求。,VLSI设计流程中对同一电路的多种描述(行为级、RTL级、门级
2、和版图级描述)表达了同一电路不同的方面,在不同项之间映射时可能会出现一些错误,每一阶段都应验证。,第1章 电路测试基础,电路设计可分为3个层次: 系统设计、逻辑设计、物理设计。 设计过程是使用EDA工具: 基于给定域和给定级的设计。,设计过程实质上反映了技术水平和EDA工具的运用程度。,设计的每一个阶段都应验证,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,模拟:最常用的设计验证手段 (由EDA工具中的模拟器完成) 功能模拟 检验电路的每一个功能块是否达到设计的要求。是对电路无工作速度要求情况下所进行的验证,不考虑延迟效应。 时间模拟 用EDA工具库中的标准单元,对每个单元的基本逻辑功能及
3、其传播延迟都进行了描述,模拟时对电路中的各个门施加一定的延迟,然后与功能验证结合进行验证或单独进行验证。,第1章 电路测试基础,设计验证,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,当产品制造出之后,通过施加激励和检查响应来验证产品。 与设计验证不同,生产测试用来验证产品制造的正确与否。 生产测试主要有两种方式: 参数测试(parametric testing) 验证电路的参数是否符合要求,如对电流和电压等参数进行测量。 功能测试 (functional testing) 是本课程研究的内容,包括对电路中出现的故障进行定义、故障建模与描述方法、故障检测方法等。 生产测试与设计紧密相关的内
4、容: (1)如何在设计阶段提供产品可测试的数据 (2)如何实现可测性设计 生产测试中,常用测试图形来检测电路中的故障和故障定位。 在早期的数字电路测试中,测试生成是在门级生成的,现在VLSI技术下,是可测试性设计(DFT)与产品设计同步进行。,1.1.2 生产测试,第1章 电路测试基础,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1.1.3 可测性设计(DFT) 采用可测性设计方法设计的电路,其内部嵌入测试机构,使得测试更为容易和高效,测试也成为设计优化的一部分。,第1章 电路测试基础,许多EDA工具可以自动完成DFT、BIST和ATPG任务,利用适于Verilog和VHDL语言的RTL
5、级可测性分析工具,检测编写的代码,可在逻辑综合和后续步骤之前发现并解决常见的设计结构问题: 异步置位/复位电路、门级或内部生成时钟、混合和时序反馈回路等。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,图(c) ATE测试,图(b) BIST测试,第1章 电路测试基础,第1章 电路测试基础,第1章 电路测试基础,1.1.4 仿真,1.1.5 验证与生产测试之比较,仿真验证系统是为芯片设计提供一个与真实环境相同或相似的验证环境,及早发现设计上的错误。 仿真研究的难点是建立优化的软硬件模型或模块,构造新的测试环境,实现测试开发平台、EDA工具和ATE之间各种测试生成和分析数据流无缝链接。,1.
6、2 故障及故障检测,1.2.1 故障检测的基本原理 在电路检测中,用故障来描述电路中的错误,用测试图形来检测故障。 电路设计和制造的正确与否是通过故障检测来实现的。 故障检测就是对输入端施加信号,观察输出响应,比较该输出响应和无故障时理想的输出响应。如果二者不同,则说明检测到电路故障。 测试的主要过程在于测试生成和测试施加。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,故障检测,第1章 电路测试基础,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,固定型故障,此故障模型描述的失效机理:A与地短接时,不论何种逻辑信号加到与非门的输入端上,它实现的功能都从 变为Z=1。,(a),(b),第
7、1章 电路测试基础,图(a)为CMOS与非门的输入A接地故障,用s-a-0表示这个固定0故障(简记为A/0)。,图 (b)表示TTL反相器中输入固定为0的情形,描述这个现象的故障模型也是s-a-0故障,此故障使得输出保持逻辑1。,对于图(a) 的与非门电路:输入、无故障时的输出响应、故障类型及有故障的输出响应列表如下。,与非门的故障及故障检测,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,有故障时的输出响应并非总是与无故障时的输出响应不同。 结论:一个故障可由多个测试图形检测到(如测试图形00,01,10都可以检测Z/0故障);一个测试图形可用来检测多个故障,但不能故障定位(如测试图形11
8、可以检测Z/1,A/0,B/0故障) 。,第1章 电路测试基础,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1.2.2 测试图形生成和测试施加,寻找一个电路故障的测试图形的过程非常繁琐、费时。 实际的电路具有成千上万的门或线。对于组合电路,一个测试图形足以检测到一个故障;对于时序电路,需一组测试图形序列才可能检测到一个故障,因为对时序电路的故障效应进行传播前,需先把电路引导到确定状态。(看P.27 例,纠错),第1章 电路测试基础,测试生成 产生测试图形的过程。有软件和硬件实现方法。 软件一般用EDA工具或用户开发的程序进行自动测试图形生成(ATPG),采用确定性算法,测试代码少。硬件一
9、般采用内建自测试(BIST)电路生成随机或伪随机测试图形。 测试施加 把生成的测试图形作为激励信号,施加到被测对象,然后分析判断的过程。 施加的方式: 把BIST嵌入到功能电路;利用自动测试设备(ATE)。,1.3 失效、缺陷和故障,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,第1章 电路测试基础,电路失效:由于某种原因使得电路不能正常工作。,缺陷:电路因物质方面的原因而改变了其本来的结构。 失效:物理缺陷在电路级的表达用失效方式来描述,失效方式又称为物理故障。 故障:失效方式在逻辑级和行为级则可建模为故障,这称为逻辑故障。,物理缺陷到故障的映射,第1章 电路测试基础,故障建模: 对电路
10、的缺陷先建立失效方式,再映射到逻辑级和行为级建立故障模型的过程。,缺陷和相应的故障模型并不一一对应。,1.3.1 物理缺陷,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,第1章 电路测试基础,缺陷实例,缺陷的形成与IC的制造工艺有关。,1.3.2 失效方式,大多数的失效机理可在电路级描述,其模型就是失效方式。 最常见的失效方式是互连线短路、开路或参数改变。,1.3.3 故障,失效方式在逻辑级和行为级按不正确的信号值来描述,表达形式就是故障模型,它通过在电路或系统中信号所衍生的变化也即电路的逻辑行为来描述失效效应。,常见的故障模型,第1章 电路测试基础,故障是一种模型,它通过电路的逻辑行为来
11、描述失效效应。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1.3.4 故障、失效和缺陷的关系,缺陷是电路物理结构上的改变,失效方式是失效机理在电路级的描述,故障是失效模型在逻辑级和行为级的描述。 故障,从技术角度来讲是一个独立的概念,用它来描述缺陷。作为一个模型,不必对一个缺陷完全、准确地反映。 电路检测中采用的是故障模型,而非失效方式。,1.4 经典故障模型,1.4.1 SSA故障,电路中某个门的一根输入或输出线固定于逻辑1或0的缺陷,用单固定型故障(single stuck-at fault)模型描述,简称SSA故障。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,SSA是标准
12、故障模型,用于检测电路的“错误”十分有效。其有用性表现在: (1)SSA故障模型表示了许多不同的失效方式; (2)SSA故障模型是与工艺无关的故障模型; (3)基于SSA故障的测试图形可以检测许多非经典性故障; (4)SSA故障模型的数目比其他类型的故障模型的数目少,通过故障化简方法此数目还可以减少; (5)可以用SSA故障表达其他类型的故障。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,关于SSA,有如下两条检测定理: 定理1.1 对于一个无扇出的组合电路C,能够检测C的所有原始输入端SSA故障的测试集,也可以检测C中所有的SSA故障。 定理1.2 对于一组合电路C,能够检测C的所有原
13、始输入端和扇出分支上SSA故障的测试集,也可检测C中所有的SSA故障。,1.4.2 MSA故障,电路中故障的数目随线条m的条数呈指数增加,m条线可能有 个SSA故障,N条线中m重线的总个数为:,如果一根以上的线同时固定于逻辑1或0,这样的缺陷可用多重固定型故障模型描述,简称MSA故障。,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,m重故障数为 , N条线中可能存在的MSA故障的总个数为:,电路中N条线的SSA、MSA故障的数目,影响MSA故障测试的主要因素 原始输入的个数和重聚的扇出点的个数,大部分MSA故障能由SSA故障的测试图形集检测到。就组合电路有以下结论: (1)对于非冗余的两级
14、电路,任意一个测试SSA故障的完全测试集可测试所有的MSA故障; 一个包含不可检测固定性故障的组合电路称作是冗余的,因为总可以通过移除一个门或是门的输入来简化电路。 (2)对于无扇出的电路,任意一个测试SSA故障的完全测试集可以测试所有的两重和三重故障(内部与根都没有扇出); (3)对于内部无扇出的电路(只有电路的原始输入才可能是根),测试SSA故障的完全测试集,同时也可测试至少98%的重数小于6的MSA故障; (4)对于无扇出的所有原始输入和电路C中所有扇出分支上的MSA故障,能够测试它们的完全测试集也能测试C所有的MSA故障; (5)对于内部无扇出的电路C,任意一个测试SSA故障的完全测试
15、集可以测试C中所有的MSA故障(除非它包含P34的电路,这个电路是个故障冗余电路,ABCD=1001能检测到SSA故障(B/1)和(C/1),但不能检测到(B/1,C/1)。,(故障)冗余电路,无扇出电路,若某个故障在输出端观测不到,称为故障湮没,又叫做故障冗余,电路为冗余电路。(如电路中的线8就是冗余的),电路中门的输出仅是另一个门的输入。,重聚的扇出电路,电路中门的输出是另几个门的输入,输出后又汇聚在一个门上。,无扇出电路举例,南京航空航天大学 信息科学与技术学院 电子工程系,1.5.1 故障表 在对数字电路进行测试生成时,需先对测试工具提供电路(网表)的描述,然后对所有要检测的故障生成表
16、格,这就是故障表。例如,P35的电路以及表2.5。,1.5 故障的等效、支配和故障冗余,如果将能用相同的测试图形检测到的所有SSA故障只保留一个,则可以简化故障表。 也可以用故障等效和支配的概念来简化故障表。,例中, 故障A/0、B/0和H/0(两输入与门)的测试集(共7个)都相同,为: ABCDE=11000,11010,11011,11100,11101,11110,11111 称:A/0、B/0和H/0是等效故障。 故障C/1、D/1和F/1 (两输入或门)的测试集(共3个)相同,为: ABCDE=00001,01001,10001 称: C/1、D/1和F/1是等效故障。,结论(不证明
17、): 任何一个N输入与(与非)门所有输入的s-a-0故障和输出的s-a-0故障(s-a-1故障)等效 任何一个N输入或(或非)门所有输入的s-a-1故障和输出的s-a-1故障(s-a-0故障)等效,= 故障等效的N+1个s-a故障之中的任意1个均可代表其他故障,则,简单门的故障表的长度从2(N+1)个(N+1个s-a-0, N+1个s-a-1)化简为(N+2)个(N+1个s-a-0等价于1个s-a-0, N+1个s-a-1,共1+N+1=N+2) 。 对反相器,输入端的s-a-0(s-a-1)故障与输出端的s-a-1(s-a-0)故障等效,4个故障等效为只有2个故障。,南京航空航天大学 信息科
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