Desenvolvimento de um Sistema Automático de Provas para Circuitos Integrados
E. Montoya-Suárez1,2 e F. Sandoval-Ibarra1
1
Grupo de Diseño Electrónico, CINVESTAV-Unidad Guadalajara
Av. López-Mateos Sur 590, 45235 Guadalajara, Jalisco, México
Tel: +52 (33) 3134-5570, ext. 2057
2
Unidad Académica de Ciencias e Ingeniería, Universidad Autónoma de Nayarit
Cd. de la Cultura Amado Nervo, 63190 Tepic, Nayarit, México
[email protected] [email protected]
RESUMO
Neste
trabalho,
apresentamos
o
desenho
e
deselvolvimento de um sistema para fazer provas
automáticas do funcionamento em CD e de níveis lógicos
em circuitos integrados. O sistema incluie um dispositivo
PSoC que permite não só a redução do número de
horas/homem senão também ser uma ferramenta de
análisis confiável en nosso laboratório. Além disso
apresentamos os primeiros resultados experimentais deste
desenvolvimento.
1. INTRODUÇÃO
L
ABORATÓRIOS de desenho eletrônico,
sobretudo em centros de ensino superior,
precisam ferramentas económicas e confiáveis
que permitan fazer provas automáticas de maneira rápida
nos circuitos integrados desenhados. Sem esquecer que a
confiabilidade do sistema e um ambiente amigável para o
usuário é importante.
Hoje, o Grupo de desenho eletrônico da Unidad
Guadalajara do CINVESTAV, faz pesquisa em diversas
áreas da electrônica integrada em semiconductores, entre
elas destacan-se o desenho de circuitos de converção A-D,
DPLLs e dispositivos de potencia sobre silicio. Estos
desenhos fabricam-se em tecnologias de baixo voltagem
CMOS 1.2µm e 0.6µm, onde o cápsulado é da classe
LCC. Além disso para fazer a caracterização dos circuitos
integrados nós usamos o seguinte equipamento:
Multimetros, osciloscópios, analisador lógico, analisador
de espectros, gerador de sinais, fontes de alimentação e
analisador de impedância. Por outro lado, as provas que se
fazem são divididas em dois grupos básicos: analógico e
digital. Em este proceso os parâmetros de interesse são
voltagem e corrente elétrica, freqüência, linealidade e
impedancia. Podemos destacar um exemplo, si deseara-se
analisar o desempenho de um oscilador básico controlado
por voltagem (VCO), se usaría um osciloscopio para
medir a freqüência de oscilação para diversos voltagens de
controle (ver a Fig. 1). Logo, se as medições fazem-se
para um rango de 0 a 5 voltios, com passos de 200 mV,
então precisam-se 25 medições para ter uma só prova. É
importante dizer que cada medição manual se compõem
de um ajuste em voltagem para obter o correspondente
valor da freqüência, e tudo isso para gerar a curva
freqüência-voltagem do VCO (ver Fig. 2). Observe-se que
em este processo não aplicam-se vetores de teste para
submeter o circuito a condições extremas de operação.
Tampouco incluiem-se provas de desgaste e/ou
envelhecimento. Só é, o processo atual, caracterização
elétrica básica dos circuitos integrados. Em conseqüência,
para fazer uma só curva precisam-se uma alta inverção de
horas/homem e, para fazer una caracterização total, o
processo pode ser não só entediante senão também gerar
erros nas medições.
Fig. 1 Setup simples para a caracterização elétrica do
VCO [1].
Uma solução para lograr medições rápidas e exatas é usar
equipamentos automáticos de caracterização e provas, no
entanto como eles são manufaturados para satisfazer os
requerimentos da indústria eletrônica, seu custo é muito
elevado para a maioria dos centros de ensino. Nosso grupo
é exemplo disso. Observe-se que a manufactura dos
circuitos integrados não será descrita em este artigo já que
assume-se que a fabricação é correta e não há
possibilidade de erro.
Fig. 2 Curva freqüência-voltagem obtida do sistema
básico mostrado na figura 1[2].
II. PROPOSTA
Nossa proposta é desenhar e desenvolver um Sistema
Automático de provas e caracterização que permita, como
primero passo deste projeto, as seguintes medições:
característica corrente-voltagem, voltagem-voltagem,
corrente-corrente em DC em transistores MOS, freqüência
e operação lógica. E é importante além de gerar níveis de
voltagem e corrente em DC, a geração dos sinais
dependentes do tempo para a caracterização dos circuitos
integrados. O diagrama de blocos inicial se mostra na Fig.
3, onde o bloco Procesador consta de um dispositivo
PSoC que contenha um processador de 8-bits com
capacidade analógica. Também incluie um FPGA para
desenvolver um analisador lógico que se usará para
monitorear o desempenho lógico dos circuitos. O bloco
Adecuación compone-se dos circuitos necessários para
ajustar os sinais de entrada/saída do nosso circuito
integrado ou DUT (do inglês Device Under Test). Para o
bloco Despliegue nós proponemos um LCD 16×4 já que
permite ao usuário o seguimento da prova em curso. Por
último a Interface-PC consta de um computador, PC, e
software necessário para vizualizar e capturar os dados
experimentais. Desta maneira, o usuário pode logo fazer
uma análise das medições usando algun software
matemático. Também esta interface pode usar-se para a
comunicação entre equipamentos de medição que fazem
medições adicionais aos circuitos. Em conseqüência esta
comunicação reduze a quantidade de funções do
processador. Obtendo com isso uma caracterização rápida
e confiável.
III. DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE
A implementação do Procesador realiza-se com o circuito
PSoC que é un dispositivo configurável, CY8C27443. Ele
pode operar até uma freqüência de 48MHz e tem 16kb de
memória flash, SRAM, conversores AD/DA (6, 9, 12 ou
14bits), temporizadores/contadores (8, 16, 24 ou 32 bits),
OpAmp, Tx/Rx serial, e outras mais bondades funcionais
[3], [4]. Para sua operação o PSoC somente precisa uma
fonte de alimentação já que tem um relógio integrado. A
programação do PSoC está baseada em linguagem
ensamblador e programa-se usando a plataforma PSoCDesigner verção 4.1; os detalhes dele podem ser
encontrados na referência [5], [6].
Por outro lado, o LCD 16×4 com controlador HD44780 é
operado em bus de dados de 4-bits usando 3 linhas de
controle. Este módulo é conectado ao porto 1 do PSoC.
Logo, para adequar os sinais entrada/saída do DUT usa-se
dois multiplexores analógicos (CD74HC4051), um
decodificador lógico (74LS138), um circuito inversor,
quatro S&H (LF398), um amplificador de instrumentação,
um OpAmp de propósitos gerais, resistores e capacitores.
Então para gerar uma rampa de voltagem programavel,
usa-se um DAC de 9bits do PSoC. Esta rampa é guiada
pelo multiplexor na direção dos circuitos S&H para ter
vários voltagens de entrada disponívéis (ver Fig. 4a).
Fig. 3 Diagrama de blocos do Sistema Automático de
caracterização e provas proposto.
A Fig. 4b mostra a implementação do hardware para
monitorear vários pontos de prova. Para essa tarefa usa-se
um miltiplexor analógico que só precisa um conversor AD
de 12bits. O conversor é implementado no PSoC. Além
disso o circuito requerido para gerar uma rampa de
voltagem usa um amplicador de instrumentação em
configuração fonte de corrente [7]. No entanto o controle
de voltagem para ajustar a corrente da saída requer de um
conversor DA de 6bits. Este outro conversor é também
implementado no PsoC (ver Fig. 4c).
Para fazer a comunicação com o computador usa-se o
circuito RS-232 conetado ao porto serial. Desta maneira
os dados podem ser descarregados usando a hyperterminal
do Windows. Por outro lado, para navegar pelo menú do
sistema de caracterização o usuário usa um teclado de
quatro teclas.
corrente são guardados em memória para sua visualização
ou para ser descargados à PC.
B. Medição da Freqüência
A maneira de exemplo, para a medição da freqüência do
oscilador, o sistema faze um varrido em voltagem, isto é,
usa-se a rampa gerada e para cada valor da voltagem de
controle há uma freqüência correspondente. O sistema
guarda os tempos em que duas transições lógicas idénticas
sucedem, logo uma operação aritmética do processador
dá a freqüência equivalente.
(a)
C. Descarregar dados
Com esta função o usuário pode selecionar que classe de
prova e qual ponto de prova deseja descarregar os dados
experimentais. O conjunto de dados são transferidos ao
PC a 9600 baudios e eles podem ser copiados pelo
programa matemático para sua análise posterior.
(b)
V. PROGRAMAÇÃO DE UMA FUNÇÃO
(c)
Fig. 4 Rampa de voltagem (a); Circuito para monitorear
até 3 pontos de prova (b); Fonte de corrente (c).
O sistema automático de caracterização e provas, até hoje,
opera da seguinte maneira: No menú Principal selecionase o número 1 para acessar ao conjunto de provas
programadas. Logo, no menú Test seleciona-se 1 para uma
prova de voltagem. Então o sistema mostra duas opções:
fazer prova ou descarregar dados. Selecionando 1 o
sistema precisa somente o valor do passo (0.25V ou
0.50V) para fazer a prova selecionada. Portanto o usuário
está em possibilidade de ver os dados ou bem regressar ao
menú Principal. A Fig. 5 mostra os dados medidos pelo
sistema de caracterização e provas.
IV. FUNÇÕES DO SISTEMA
Até hoje há quatro funções básicas desenvolvidas pela
operação do sistema automático de caracterização e
provas: voltagem e corrente, freqüência e descarga de
dados. A descrição de cada uma delas é déscrita nas
seguintes seções.
A. Geração/Medição de voltagem/corrente
A função Generación-de-voltaje se programa para fazer
uma rampa de voltagem com passos de 0.25 voltios ou
bem de 0.5 voltios. Um ou outro passo é decisão do
usuário. As medições são armazenadas em colunas para
ser processadas pelo software matemático selecionado
pelo usuário. Estos dados visualizam-se também no LCD.
Agora bem, para obter a corrente se aplica um varrido
com passos de 79µA ou 238µA para um, dois ou três
pontos de prova. As medições são realizadas usando um
componente resistivo e medindo sua caída de tensão. Da
mesma maneira que as funções descritas, os dados de
Fig. 5 A janela do Hyperterminal Windows. Os dados
experimentais mostram-se em formato coluna.
A Fig. 6 mostra uma comparação da curva voltagemfreqüência para o oscilador current-starved descrevido em
[4]. Aqui usa-se a função Generación-de-Voltaje e
Medición-de-Frecuencia. O oscilador foi desenvolvido
porque ele é um bloco básico do DPLL [2]. A medida da
freqüência com o procedimento manual necessita 30
minutos e a medição automática somente 20 segundos.
Também foi usado o sistema para obter a característica
corrente-voltagem num transistor MOS. As funções
usadas são Generación-de-voltaje e Medición-de-voltaje
em DC. Com elas nós temos uma rampa de voltagem para
definir a entrada VDS para cada valor da voltagem VGS. A
corrente é deduzida usando um resistor e uma rotina
matemática para gerar os valores correspondentes. O
resultado mostra-se na Fig. 7.
isso nossa proposta inicial é desenhar e desenvolver um
Sistema Automático que permita fazer medições em
voltagem e corrente, em freqüência e operação lógica. O
sistema também gera níveis de voltagem/corrente em DC
e sinais dependentes do tempo para a caracterização dos
circuítos. Como exemplo básico apresentamos o
desempenho de um VCO controlado por voltagem (ver
Fig. 2) que foi fabricado em tecnología CMOS, 1.2µm,
duas camadas de metal y dois de polisilicios. O tempo de
medição é mínimo (20'') em comparação ao processo de
caracretização manual (30'). O sistema, ainda sob
desenvolvimento, é confiável e até hoje nós usamos sua
capacidade em um 20%. O seguinte é gerar a programação
para aplicar vetores de test e, logo, desenhar uma
estratégia para o desenvolvimento das provas analógicas.
No entanto, não devemos esquecer que este projeto é
académico e o propósito principal é ter um sistema
automático confiável e económico para nosso laboratorio.
VII. REFERÊNCIAS
Fig. 6 Curvas comparativas do VCO usando o proceso
manual e automático.
Fig. 7 Característica corrente-voltagem para o transistor
NMOS.
VI. CONCLUSÃO
Ter um sistema automático de caracterização e provas
para circuitos integrados permite a redução do número de
horas/homem e, ao mesmo tempo, é uma ferramenta de
análisis confiável en nosso laboratório de provas. Por tudo
[1] E. Montoya-Suárez, Desenho e Fabricação de Blocos
Básicos para o Desenvolvimento de um DPLL, Trabalho
de Mestrado, CINVESTAV-Guadalajara, México, 2002
(em Espanhol)
[2] E. Montoya-Suárez e F. Sandoval-Ibarra, Osciladores
Controlados por Voltajem: Uma Revisão, X Workshop
Iberchip, 10-12 Março 2004, Cartagena, Colômbia (em
Espanhol)
[3] PSoC Mixed Signal Array CY8C27x43 Technical
Reference Manual, Cypress MicroSystems, 2004.
[4] PSoC Mixed Signal Array CY8C27443 Final Data
Sheet, Cypress MicroSystems, 2004.
[5] Assembly Language User Guide, Cypress
MicroSystems, 2004
[6] PSoC Programmer User Guide, Cypress µSystems,
2004
[7] AD620 Low Cost, Low Power Instrumentation
Amplifier Data Sheet, Analog Devices, 1999