Τεχνικές ελέγχου ορθής λειτουργίας και διόρθωσης επιδόσεων τηλεπικοινωνιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων υψηλών συχνοτήτων

Abstract

Testing and performance calibration techniques suitable for integrated RF circuits are presented in this dissertation. Certain performance-affecting circuit elements are designed to be digitally controllable, providing the capability to adjust the performance characteristics of a circuit's instance around their post-fabrication values, throughout a set of discrete states of operation. A set of optimally selected test observables is used to develop regression models for the prediction of the circuit's performance in each state of operation. In the test phase, measurements of the test observables are obtained from a subset of the circuit's states. The processing of these observables enables the discrimination of defect-free from defective circuits. The latter is further accomplished by the exploitation of an extended superset of the test observables, the use of which intends to maximize fault coverage. Moreover, the predicted performance characteristics are also used for the examination of compliance with the specifications and to allow calibration of the RF circuit by identifying the appropriate state of operation at which all specifications are met and, consequently, by forcing the circuit to operate in this specific state. In order to address the problem of accessibility to test observables, a built-in technique is proposed that provides digital readings for the DC levels that are commonly exploited for the calibration of RF mixers. Voltage acquisition is implemented by a simple analog to digital converter that consists of a ring-type voltage-controlled oscillator and a counter. A reading correction method to minimize the uncertainty introduced by process variations and device mismatches in the acquisition circuit itself is described, as well. The application of selection algorithms is also explored, aiming to reduce the number of test observables that are required in order to maintain a tolerable alternate test accuracy, through an optimization procedure that leads to test cost savings due to the reduction of the test conduction complexity and time. The efficiency of the proposed techniques is validated by their application to the testing and calibration procedures of a typical RF Mixer designed in a 0.18um CMOS technology. Simulation results are obtained and assessed, while comparison with similar conventional methodologies is also provided.

Στη διατριβή αυτή παρουσιάζονται τεχνικές ελέγχου ορθής λειτουργίας και διόρθωσης επιδόσεων κατάλληλες για αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα RF.Συγκεκριμένα στοιχεία που έχουν επίδραση στις επιδόσεις των κυκλωμάτων σχεδιάζονται ώστε να μπορούν να ρυθμίζονται ψηφιακά, παρέχοντας τη δυνατότητα μεταβολής των επιδόσεων γύρω από τις τιμές που αυτές εμφανίζουν αμέσως μετά τη διαδικασία κατασκευής, μέσω ενός συνόλου διακριτών καταστάσεων λειτουργίας. Ένα σύνολο βέλτιστα επιλεγμένων παρατηρήσιμων μεγεθών χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη μοντέλων πρόγνωσης των χαρακτηριστικών επίδοσης σε κάθε κατάσταση λειτουργίας. Στη φάση του ελέγχου, λαμβάνονται μετρήσεις από ένα υποσύνολο των καταστάσεων του κυκλώματος. Η επεξεργασία των παρατηρήσιμων μεγεθών ελέγχου επιτρέπει την ανίχνευση ελαττωμάτων με την αξιοποίηση ενός διευρυμένου υπερσυνόλου των παρατηρήσιμων μεγεθών. Επιπλέον, οι προγνώσεις των επιδόσεων χρησιμοποιούνται για την εξέταση της συμμόρφωσης του κυκλώματος προς τις προδιαγραφές, καθώς και για τη διόρθωση της συμπεριφοράς του, με την εξαναγκασμένη μετάπτωσή του στην κατάσταση στην οποία όλα τα χαρακτηριστικά επίδοσης αποκαθίστανται σε αποδεκτές τιμές. Προκειμένου να αντιμετωπισθεί το πρόβλημα της προσβασιμότητας στα παρατηρήσιμα μεγέθη ελέγχου, προτείνεται ενσωματωμένη τεχνική συλλογής μετρήσεων συνεχών τάσεων, οι οποίες χρησιμεύουν στη διόρθωση των επιδόσεων μικτών RF. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνται με τη βοήθεια ενός μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό, ο οποίος αποτελείται από ταλαντωτή δακτυλίου και απαριθμητή. Προτείνεται, επιπλέον, μέθοδος για την ελαχιστοποίηση της αβεβαιότητας που υπεισέρχεται στο ίδιο το σύστημα μέτρησης, εξαιτίας κατασκευαστικών διακυμάνσεων και ανομοιομορφιών των διατάξεων.Διερευνάται, επίσης, η εφαρμογή αλγορίθμων επιλογής με σκοπό την μείωση του αριθμού των παρατηρήσιμων μεγεθών που απαιτούνται για τη διατήρηση ανεκτής ακρίβειας εναλλακτικού ελέγχου, μέσω μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης η οποία οδηγεί σε μείωση του κόστους ελέγχου με τον περιορισμό της πολυπλοκότητας και της χρονικής διάρκειας διεξαγωγής του.Η αποδοτικότητα των προτεινόμενων μεθόδων επιβεβαιώνεται με την εφαρμογή τους στις διαδικασίες ελέγχου ορθής λειτουργίας και διόρθωσης των επιδόσεων ενός τυπικού μίκτη RF τεχνολογίας 0.18μm CMOS, από τον οποίο λαμβάνονται αποτελέσματα προσομοιώσεων που αξιολογούνται και συγκρίνονται με αντίστοιχες συμβατικές τεχνικές.