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1 第 57 回 FTC 研究会 2007/07/21 アナログバウンダリスキャンの 評価計測と応用の検討 群馬大学趙楠 高橋洋介 光野正志 小林春夫 富士通 ( 株 ) 亀山修一 馬場雅之 1

2 発表内容 Ⅰ. アナログバウンダリスキャンの背景と富士通の取り組み Ⅱ. アナログバウンダリスキャンモジュールの評価 Ⅲ. アナログバウンダリスキャンの応用 Ⅳ. まとめと今後の課題 2

3 Ⅰ. アナログバウンダリスキャンの 背景と富士通の取り組み 3

4 バウンダリスキャンテストとは コア コア シリアル入力 TDI TAP コントローラ TAP コントローラ シリアル出力 TDO テスト制御 TMS TCK TRST プリント配線板上の LSI 間の相互接続を容易に試験するための仕組み IEEE1149.X 規格にて LSI に組み込む回路や利用方法 機能記述 (DL) 等を規定 安価なテストコストで 高い故障検出率と短時間テストを実現 4

5 バウンダリスキャンテスト (IEEE1149.1) の問題点 - アナログコアを含む SOC への対応 - LSI LSI D D デジタルコア D D ショート故障 D D デジタルコア アナログコア A A A オープン故障 A A A アナログコア A A 5 部品違い / 未実装 問題点 : アナログネットの故障を検出できない

6 バウンダリスキャンテスト規格 IEEE1149.X の動向 1990 年 IEEE Test Access Port and Boundary-Scan デジタル回路のテスト容易化 1999 年 IEEE Mixed Signal Test Bus アナログ回路テストへの拡張 2003 年 IEEE 高速伝送回路テストへの拡張 Advanced Digital Networks IEEE をベースに拡張 6

7 IEEE デバイス構造 デジタル信号ピン DBM DBM DBM DBM デジタルコア アナログコア DBM DBM ABM デジタル信号ピン アナログ信号ピン アナログテストポート AT1 AT2 JTAGテストポート TDI TMS TCK TRST TBIC AB1 AB2 アナログテストバス TAP コントローラ ABM スキャンパス TDO 7

8 ABM( アナロク ハ ウンタ リスキャンモシ ュール ) Data1 VH AB1 AB2 アナログコア SD SH ABM DIG SL SG SB1 SB2 アナログ信号ピン VTH VL デジタルエミュレーション回路 VG アナログテストバス 8

9 < 応用例 1> アナログネットの相互接続テスト デジタルネット VH ABM ショート故障検出 ABM アナログコア SD SH SL 論理信号 (VH/VL) アナログネット SD DIG アナログコア VL オープン故障検出 VTH 9

10 < 応用例 2> パラメトリック試験 ( インピ - ダンス測定 ) 電流印加 ( I ) 電圧測定 (V1 V2) TBIC S5 S6 AB1 V1 ABM1 SB1 SB2 ABM2 SB2 電圧測定 =V1 Z 電流 I V V2 SG AB2 測定値 (Z)=(V1-V2)/I 電圧測定 =V2 10

11 < 応用例 3> アナログプローブ機能 アナログ入力信号の観測 システム動作 アナログ出力信号の観測 アナログ入力信号 ABM SD SB2 アナログコア ABM SD SB2 アナログ出力信号 電圧測定 周波数測定 波形観測 等 TBIC S6 AB2 計測器 11

12 IEEE 普及の現状と 富士通の取り組み << IEEE の普及状況 >> 現在 研究室レヘ ルの研究報告が学界で散見されるものの 回路内蔵の商用 LSI やシステム適用事例報告は未 << 普及を阻害する要因 >> ユーザでの導入効果とペナルティの理解が不十分 開発コストとリスクの負担はユーザかメーカか << IEEE 普及を目指した富士通の取り組み >> IEEE 規格に基づく評価用 LSI の試作 ベンダーとして設計 製造 試験のノウハウの取得 効果とペナルティの実回路での把握 テストツール ( テスト生成 ボードテスタ ) の開発と実用評価 第三者機関による LSI 評価と応用研究により普及促進 12

13 試作した LSI パッケージ外観と仕様 型名 : MB87V722 パッケージ : 0.8mm ピッチ QFP 120 ピン ( シリコンエクスプレス ) アナログ部 : 3.3V デジタル部 I/O : 3.3V デジタルコア : 1.8V テクノロジ : CS81 (0.18μm CMOS) SC82 ライブラリ ソース : Verilog-RTL 13

14 試作した LSI チップ外観 5mm レイアウト図 (CAD) 5mm チップ ( 実物 ) 14

15 LSI 評価用ボード FPGA 評価 LSI 15

16 Ⅱ. アナログ バウンダリ スキャン モジュールの評価 16

17 ABM 付加によるアナログコアへの 影響評価 Data1 VH AB1 AB2 アナログコア SD SH ABM DIG SL SG SB1 SB2 VTH VL VG アナログテストバス 17

18 ABM の評価環境と測定風景 測定 IC 富士通 MB87V722 (ABM テストチップ ) 測定例 ABMの周波数特性 測定器ネットワークアナライザ ADVANTEST R3767CG with Calibration Kit ネットワークアナライザー DC 電源 18

19 測定概要図 To Digital -Tester JTAG ネットワークアナライザー R3767CG ( キャリブレーション済 ) RF ABM コア側 ABM ピン側 19

20 測定例 :ABM 単体の周波数特性 0dB 小電流用 ABM 中電流用 ABM -2dB -4dB -6dB -8dB -10dB MHz MHz -12dB -14dB k 50M 150M 250M 350M 450M 500MHz ADVANTEST R3767CG ネットワークアナアナライザにて測定

21 測定例 :ABM 単体の周波数特性 0dB 小電流用 ABM 大電流用 ABM -2dB -4dB -6dB -8dB -10dB MHz MHz -12dB -14dB k 50M 150M 250M 350M 450M 500MHz ADVANTEST R3767CG ネットワークアナアナライザにて測定

22 周波数特性のまとめと応用 帯域が 100MHz 以上 ビデオ信号には使えないが オーディオ又は中速信号には問題ない 22

23 Ⅲ. アナログ バウンダリ スキャンの 応用の提案 23

24 SiP,SoC のアナログ回路 電源回路自己診断機能 SiP, SoC 内の電源電圧の動的監視への要求 最近の SiP, SoC では多数の電源 監視のためには多チャンネルの AD 変換器が必要 回路規模 コストが大 自己診断機能への要求回路の一部が動作しないとき まず電源を疑う どこの電源が怪しいかをチェックしたい しかし テスターをボードに実装するのは困難 SiP,SOC の簡易な構成での電源電圧自己診断機能が必要 24

25 ABM 回路 ( 再掲 ) Data1 VH AB1 AB2 ABM 回路内の比較器を利用し AD 変換を実現 アナログ回路 SD SH アナログ信号ピン DIG SL SG SB1 SB2 VTH VL VG アナログテストバス DIG: Digitizer ここの比較器に注目した 25

26 ABM の電源電圧監視への応用 IEEE 標準に沿ったABMの使用 ABMをアナログ回路に直列接続 ABMを介してアナログ入力電圧の供給アナログ出力電圧の読み出し 電源等の大電流回路にABMを使用 ABMを並列接続 ABMは電圧監視のみに使用 ABM 内 MOSスイッチには大電流は流さない VDD ABM OPAMP ABM ABM DC-DC 変換回路 ABM ABM GND スキャンバス 26

27 ABM を利用した 並列 ( 複数 )ADC の提案 複数のDCアナログ電圧値 電源電圧値を同時にアナログ デジタル変換 プログラム可能な並列 ( 複数 )ADC 動作アルゴリズム DACからの参照電圧を自由に変化させる 各 ABM 内比較器 DA 変換器と制御回路を使用 画像センサでのコラム毎並列 ADCに類似 27

28 提案並列 ADC 回路構成 各 ABM 内比較器を利用 共通の一つのDACとその制御回路を持つ 比較器出力( デジタル ) をバウンダリースキャンで取り出す アナログ信号(V1, V2,..) が DCなのでS/H 回路が不要 アナログDC 信号 電源電圧の監視に利用可能 V1 V2 V3 V4 Digital Data Bus IC 1 IC 2 IC N DAC VTH レジスタセル 28

29 提案並列 ADC の特徴 ABM 内比較回路を用い バンダリスキャンで結果を読み出す 複数のDC 電圧レベルを同時検知 追加回路はDACとその制御回路 ( テスターに搭載または自己診断回路としてSiP 内にもつ ) プログラミング可能な動作アルゴリズム (DAC 出力 V th はソフトで制御可能 ) 29

30 提案する動作アルゴリズム ランプ波スキャン型動作アルゴリズム DAC 出力をランプ波 逐次比較近似動作アルゴリズム DAC 出力を2 進探索信号 各比較器で入力 DC 信号と比較バンダリスキャンで読み出し 30

31 提案動作アルゴリズム (1) ランプ波スキャン型動作アルゴリズム 逐次比較近似動作アルゴリズム 31

32 V1 提案アルゴリズム (1) 動作原理 Digital Data Bus D1 D1 コンパレータ出力 DAC で比較器参照電圧 Vth をランプ波として生成 V2 V3 V4 D2 D3 D4 D2 D3 D4 比較器出力が反転したときの DAC デジタル入力値が被測定電圧のデジタル値 DAC で Vth 設定 比較毎にバウンダリースキャンで全比較値出力を読み出す Vth 4 3 DAC t DAC からのランプ波

33 ランプ波スキャン型動作法の問題点 DACによるVth 設定 各比較器並列動作毎に バウンダリースキャンで全比較器出力を直列読み出し 長時間を要する 8 bit DAC 最大 2 8 =256 回のバウンダリースキャンが必要 10 bit DAC 最大 2 10 =1024 回のバウンダリースキャンが必要 33

34 提案動作アルゴリズム (2) ランプ波スキャン型動作アルゴリズム 逐次比較近似動作アルゴリズム 34

35 逐次比較近似型動作原理 (4 レベルの場合 ) VDAC 3Vdd/4 2 V Vdd/8 V1 Vdd/ Vdd/16 V2 Vdd/2 V V 逐次比較 ADC 提案動作原理 t bit 精度の場合 4 回のバウンダリースキャンで読み出し可能 Nbit の場合 N 回のバウンダリースキャンが必要 35

36 2 つのアルゴリズムの比較 逐次比較近似アルゴリズムの場合比較的少ない時間で実際に近い値が知りえる 異常電圧を早く検知できる 最終精度が得られるまでのステップ数 読み出し時間 逐次比較近似アルゴリズム短い ランプ波アルゴリズム長い 36

37 ABM テストチップを使用した 並列 ADC の動作検証 提案回路が実現可能か確認するため ABM テストチップを用いて動作検証を行った 37

38 動作検証回路 DC 電源 検証では DAC の代わりに DC 電源を用いて VTH を発生させた R R R R R Vdd=3.3068V V1=2.6428V V2=1.9809V V3=1.3189V V4= V CH1 CH2 CH3 CH4 VTH IC JTAG To Digital -Tester ソフトウェアによる演算 DC 電圧値は高精度のマルチメーターによる実測値 38

39 提案アルゴリズム 検証用ソフトウェア ~-Tester~ Vin Vth out High Low 0 Low High 1 既存のプログラムを用いて 比較器の出力をバウンダリースキャンを通じて同時に取り出せるかを検証 39

40 ABM の並列処理の検証確認 Vth Vin 入力 V CN1 ピンの比較器出力 入力 V CN2 ピンの比較器出力 V CN3 ピンの比較器出力 V CN4 ピンの比較器出力 V V V V V V CH の並列処理の正常動作を確認 40

41 ABM 内比較器のオフセット測定 DC 電源 V VTH JTAG To Digital -Tester CH1 CH2 4 チップを測定 CH3 CH V 1Vth を から V まで入力 2Vth の電圧と比較器が反転した電圧を測定 ( オフセット電圧を計算 ) 34 チップ 4 チャンネル =16 回計測し 平均値を求めた 41

42 比較器オフセット測定結果 CH 別平均コンパレータオフセット [mv] CN CN CN CN 総コンパレータオフセットの平均値 4.45[mV] この値を校正値として用いる 正確な測定値 42

43 Ⅳ. まとめと今後の課題 43

44 まとめと今後の課題 アナログバンダリスキャンと試作 ICの紹介 ABM 用評価 LSIの測定 ABMを利用した電源監視用並列 ADC の提案 今後の課題 提案 ADCシステムの実装 さらなるABM 応用法の検討 44