胡 勇 黃俊杰 姚俊杰

（中國船舶集團有限公司第七○九研究所 武漢 430205）

1 引言

數(shù)字通道測試速率的不斷提升以及單塊板卡的集成度越來越高是當今大規(guī)模集成電路（SOC）測試系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，現(xiàn)如今主流SOC測試系統(tǒng)數(shù)字通道的測試速率大多已達到8Gbps。國內已有多家科研院所配備了此類SOC測試系統(tǒng)幾十臺套，而且今后高速SOC測試系統(tǒng)在國內科研院所的應用會越來越多。然而，由于測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準的特殊性以及缺少對高速數(shù)字通道校準方法及技術規(guī)范的研究，當前高速數(shù)字通道普遍缺乏可靠的量值溯源途徑，從而導致SOC測試系統(tǒng)無法得到完整的校準。因此，急需開展集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準技術的研究。

本文提出了一種集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置架構設計方法，研建由高速通道切換系統(tǒng)、通用測量儀器、校準接口板及校準軟件組成的集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置。相較于傳統(tǒng)通過眼圖定性觀測高數(shù)數(shù)字通道傳輸信號質量變化的方式，該校準裝置可定量測量考核高速數(shù)字通道性能的各類參數(shù)，且具有通用、多通道測量、便攜、自動化等優(yōu)點［1～10］，解決測試速率達8Gbps高速SOC測試系統(tǒng)的量值溯源，促進并完善國防微電子量傳體系。

2 集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置架構設計

本文的校準對象是集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道，針對校準對象的特點以及所使用的校準方法，研建較為通用的高速數(shù)字通道校準裝置，在分析當前高速數(shù)字通道的性能指標的基礎上，選擇合適的儀器設備構建校準裝置，保障校準裝置所復現(xiàn)的量值范圍、不確定度要求等性能指標，能夠保障高速數(shù)字通道的量值溯源性。校準裝置架構如圖1所示。

圖1 集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置架構圖

校準裝置包括儀器模塊組、接口適配器以及校準軟件等部分。儀器模塊組采取高性能的通用臺式儀器，為了實現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)傳輸速率、通道偏差、眼高、眼寬、抖動注入等參量的有效校準，選用了性能滿足要求的頻率計、示波器等通用儀器，具體的技術指標見表1。

表1 校準裝置儀器組成

由表1看出，采用安捷倫的53132頻率范圍到12.4GHz，可以滿足傳輸速率的測量要求。選用的泰克示波器DSA72504帶寬20GHz，大于被測信號的5倍帶寬，幅度準確度及時間測量準確度較高，可以滿足通道偏差、眼高、眼寬、抖動注入的測量要求。

校準軟件運行于上位機中，上位機通過通信總線分別與儀器模塊組及測試系統(tǒng)的主控計算機建立通信連接。校準軟件控制儀器模塊組測量指定通道上的信號，并向校準輔助控制程序發(fā)送指令，控制測試系統(tǒng)數(shù)字通道運行于指定狀態(tài)。

接口適配器由高速通道切換系統(tǒng)和校準接口板組成，用于高速數(shù)字通道與通用儀器之間的無縫自動切換，在保證校準裝置技術性能的同時，實現(xiàn)所有參數(shù)的全自動校準，拓撲結構2×16，帶寬大于20GHz，抖動小于20ps。

3 高速通道切換系統(tǒng)設計

在高速信號的切換應用中，信號完整性是研究的重點和難點。校準的需求是要通過接口適配器后，能夠使信號盡可能完整地從源端傳輸?shù)綔y量端，并且具有復現(xiàn)性。事實是，任何的電路和線路都有帶寬限制，而一個完整的高速信號具有無窮的多次諧波，因此高速信號在通過接口適配器的過程中，不可避免地會對高次諧波進行衰減。同時，高速信號在切換的過程中對切換鏈路的要求較高，如阻抗的一致性，線路的連續(xù)性等，而這些都會影響信號的完整性。

高速通道切換模塊總體框圖如圖2所示，主要分為高速信號通路、數(shù)字控制信號通路及電源模塊。高速信號通路為其核心部件，通過高性能射頻開關、高性能射頻線纜及連接器組成，高速信號路徑無需經過PCB單板，避免通過PCB的信號路徑阻抗不連續(xù)引入額外的串擾、插損、回損等信號完整性的問題?？紤]滿足高速信號測設需求，采用較簡潔的拓撲連接關系，避免使用有損信號的功率分配器或者一分多的連接頭等器件，但測試時需要采用人工手動切換通道的方式更換不同的測試儀器。數(shù)字控制接口主要包括PC控制接口、高速開關選擇控制邏輯電路。電源模塊主要提供數(shù)字控制及高速開關所需的穩(wěn)定工作電壓。數(shù)字控制接口及電源模塊采用PCB單板的方式實現(xiàn)。

圖2 高速通道切換模塊總體框圖

高速通道切換系統(tǒng)對校準裝置性能的主要影響因素及解決方案如表2。

表2 影響因素及解決方案

4 校準接口板設計

在高速信號測量中，校準接口板的設計是一個非常重要的環(huán)節(jié)。這是由于當信號傳輸速率很高時，阻抗不匹配、介電材料損耗、傳導損耗、串擾等因素都將導致信號衰減。在設計時應通過合理的布線保證線路之間沒有相互干擾?？紤]到高速信號的特殊性，需要在接口板的設計過程中從信號的布線、電磁干擾（EMI）、信號的完整性、信號的衰減、可靠性等多個方面綜合考慮［11～13］。

1）通孔設計

連接Pogo Pin的通孔是測試系統(tǒng)和校準接口板連接的第一個阻抗突變點，通孔設計是否合適，將直接影響校準接口板的性能和最終測量結果。因此需要精細設計通孔的參數(shù)，盡量減少通孔產生的寄生電容和電感，減小對高速信號的影響。

對多層板而言，當信號從通孔經過時，必須找到返回電流的路徑。因此比較好的方法是在每個信號通孔附近提供接地的通孔，使返回電流在鄰近的通孔流過。由于測試系統(tǒng)通道分布緊密，相應在校準接口板上引出的信號也排列緊密，為了減少相鄰信號的串擾，本文采用優(yōu)化的設計，在每個信號通孔周圍分布四個對稱的電流回流通孔，既保證了PCB上不同信號之間的安全距離，同時盡可能減小了串擾問題，同時SMA的布局應盡可能靠近通道，使得PCB上的走線盡可能短，如圖3所示。

圖3 通孔的優(yōu)化設計

2）布局設計

校準接口板設計連線示意圖如圖4所示。將測試系統(tǒng)同一塊高速通道板上的一組數(shù)字通道（例如：一組16個數(shù)字通道）用50Ω阻抗匹配最短等長導線通過SMA接頭引出，并選取其中一個通道作為參考通道。將測試系統(tǒng)其余數(shù)字通道每間隔2個通道用50Ω阻抗匹配最短等長導線通過SMA接頭引出。所有的回流孔連接到SMA接頭的地。

圖4 校準接口板設計連線示意圖

5 結語

集成電路測試系統(tǒng)高速通道校準裝置的不確定度主要來源于通用測量儀器、高速通道切換系統(tǒng)以及校準接口板等引入的誤差，本文通過選用帶寬達20GHz以上的示波器、高頻切換開關、高頻接頭、高頻線纜等組件，同時對校準接口板與測試系統(tǒng)彈簧針Pogo Pin連接的通孔尺寸和鉆孔工藝進行了優(yōu)化設計，確保PCB布線盡可能短，同時設計校準接口板50Ω阻抗匹配，確保高速信號經由校準裝置引入的不確定度盡可能小。

本文通過分析集成電路測試系統(tǒng)高速通道校準方法、集成電路測試系統(tǒng)高速通道校準裝置架構設計、高速通道切換系統(tǒng)設計、校準接口板設計等幾個步驟，成功設計出集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置架構。經過試驗證明，基于該架構可以構建出集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置，并完全滿足設計目標。集成電路測試系統(tǒng)高速數(shù)字通道校準裝置具有通用、便攜、自動化、高集成度等特點，具有很高的應用價值，填補了國內空白，一定程度上提高了微電子計量的技術水平。