ITTO20000527A1

ITTO20000527A1 - Procedimento per il modellamento elettromagnetico di componenti e sistemi elettronici.

Info

Publication number: ITTO20000527A1
Application number: IT2000TO000527A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Ghigo; Piero Belforte; Flavio Maggioni
Original assignee: Cselt Ct Studi E Lab T Lecomun
Priority date: 2000-06-05
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2001-12-05
Also published as: ITTO20000527A0; EP1287368A2; IT1320393B1; WO2001094958A2; US20050177328A1; CA2411349A1; WO2001094958A3

Description

Descrizione dell'invenzione avente per titolo:

"Procedimento per il modellamento elettromagnetico di componenti e sistèmi elettronici"

Riassunto

Il procedimento per il modellamento elettromagnetico, di componenti e sistemi elettronici consente l'estrazione di determinati parametri elettrici degli stessi, quali le caratteristiche statiche V-l e le impedenze delle entrate e delle uscite, i tempi di commutazione delle uscite in particolari condizioni di carico e i tempi di transito dei diodi di protezione.

Per effettuare le misure, si generano segnali di stimolo e si estraggono i segnali ad essi correlati utilizzando una macchina di test di tipo commerciale, adatta ad effettuare misure parametriche in corrente continua, verifiche funzionali e di temporizzazione su circuiti integrati digitali, che viene impiegata nel presente procedimento anche come riflettometro temporale.

Alla misura, segue una fase di simulazione che permette l'estrazione dei parametri elettrici con cui effettuare il modellamento dei componenti e dei sistemi elettronici.

Testo della descrizione

La presente invenzione riguarda i metodi di misura per la valutazione "della compatibilità elettromagnetica e in particolare si riferisce ad un procedimento per il modellamento elettromagnetico di componenti e sistemi elettronici.

Con l'aumento del livello d'integrazione e delle frequenze di funzionamento di componenti e sistemi elettronici, diventa sempre più importante l'esigenza di controllare la compatibilità elettromagnetica fra parti diverse dello stesso sistema, o fra sistemi diversi posti in condizioni di mutua interferenza, e l'integrità dei segnali che vengono scambiati all'interno di sistemi elettronici fra i diversi componenti.

L'integrità dei segnali è particolarmente importante in sistemi digitali, dove i segnali trattati sono essenzialmente segnali binari. Per il buon funzionamento dei sistemi, questi segnali devono soddisfare certi requisiti minimi di qualità. In particolare, devono essere preservati i due livelli di tensione, corrispondenti ai bit 1 e 0, e i tempi di transizione tra i livelli. Inoltre, devono essere ridotte al minimo le interferenze fra conduttori adiacenti, le attenuazioni dovute ad effetto pelle e i segnali spuri originati da riflessioni subite dai segnali originali in presenza di discontinuità d'impedenza.

Nei sistemi digitali, con l'aumento della ripidezza dei fronti di commutazione dei segnali e della frequenza di orologio, aumenta l'intensità del campo elettromagnetico irradiato dalle diverse parti costituenti, quali i conduttori e i componenti attivi e passivi, con la conseguenza della possibilità di superare i limiti previsti dalla normativa di emissione. Ciò potrebbe far sì che l'apparecchiatura non sia omologabile e quindi non possa essere messa in commercio.

Si può ovviare a questi problemi con un progetto accurato del sistema, che tenga conto del comportamento elettromagnetico delle varie componenti utilizzate. La validità del progetto può essere verificata prima della fabbricazione del sistema, sfruttandole possibilità offerte da programmi di simulazione già disponibili sul mercato. I dati di compatibilità elettromagnetica, che questi programmi sono in grado di fornire, sono tanto più vicini alla realtà quanto più sono accurati i modelli dei componenti e dei sistemi utilizzati pèr descrivere l'intera apparecchiatura da simulare.

Esistono già da alcuni anni delle procedure standard per la definizione dei modelli, le quali guidano il tecnico nell'identificazione dei parametri del modello e nel modo di descriverlo. Fra queste, la più diffusa è quella proposta dall'associazione IBIS (Input-output Buffer Information Specification), che prevede la descrizione delle caratteristiche statiche V-l di tutte le entrate e uscite del componente, i tempi di transizione delle uscite in particolari condizioni di carico, i parametri parassiti associati a tutte le entrate e uscite, quali le capacità rispetto a un potenziale dì riferimento, ed altri parametri.

Al momento, non vi è disponibilità di un gran numero di tali modelli di componenti elettronici. I pochi modelli disponibili sono relativi essenzialmente a circuiti integrati e sono per lo più incompleti e scarsamente accurati. Essi sono stati ottenuti mediante la simulazione con metodi noti (SPICE), utilizzando i parametri tecnologici, a volte messi a disposizione dai costruttori, oppure i pochi dati reperibili nei data-sheet dei componenti. In altri casi sono stati ricavati mediante misurazioni effettuate impiegando singoli strumenti, con grande dispendio di tempo per la preparazione del banco e per l'effettuazione delle regolazioni e delle misure. .

Ovvia ai suddetti inconvenienti e risolve il problema tecnico descritto il procedimento della presente invenzione, che consente il modellamento automatico di componenti e sistemi elettronici utilizzando in modo originale normali macchine di test per componenti elettronici, senza richiederne costose modifiche. Tutti i punti di accesso del dispositivo in prova possono essere caratterizzati in tempi rapidi con segnali. di stimolo anche molto complessi. La macchina di test può essere utilizzata in modo convenzionale per la verifica funzionale o, secondo l'invenzione, per il modellamento nella stessa sessione di test, senza necessità di ulteriori interventi manuali da parte dell'operatore.

E' particolare oggetto della presente invenzione un procedimento per il modellamento elettromagnetico di componenti e sistemi elettronici come descritto nella parte caratterizzante della rivendicazione 1.

Queste ed altre caratteristiche della presente invenzione saranno meglio chiarite dalla seguente descrizione di una forma preferita di realizzazione della stessa, data a titolo di esempio non limitativo, e dai disegni annessi in cui:

- la fig. 1 è un diagramma di flusso che illustra una tipica sessione di misura; - le fig. 2 e 3 sono diagrammi di flusso che illustrano le procedure con cui vengono eseguite le misure mediante la macchina di test;

- la fig. 4 è un diagramma di flusso che illustra la procedura con cui vengono estratti i tempi di commutazione delle uscite e le capacità delle porte di ingresso o uscita de! componente o del sistema in prova.

I! procedimento per il modellamento elettromagnetico di componenti e sistemi elettronici fa uso di una macchina di test di tipo commerciale, progettata per effettuare misure parametriche in corrente continua, verifiche funzionali e di temporizzazione su circuiti integrati digitali.

Le caratteristiche, che deve presentare tale macchina per poter essere utilizzata nel presente procedimento, sono:

possibilità di generare segnali digitali con fronti di commutazione sufficientemente ripidi, tipicamente inferiori a 300 ps;

impedenza controllata lungo tutte le interconnessioni con il dispositivo in Piova;

- possibilità di monitoraggio di tutti i segnali in uscita dai dispositivo in prova mediante campionamento con risoluzione temporale inferiore a 300 ps.

Di queste macchine esistono diversi tipi di diversi costruttori. A titolo di esempio, può essere utilizzata la macchina identificata dalla sigla ITS9000 IX, costruita dalla ditta Schlumberger.

Nel normale uso per il test funzionale di circuiti integrati, si inviano agli ingressi dei dispositivi segnali con opportuno andamento e si rilevano i segnali alle uscite, verificando che siano quelli desiderati ad un istante ben preciso del ciclo di orologio.

La misura dei segnali avviene utilizzando il metodo del campionamento. In , particolare, in corrispondenza delle transizioni di livello alla porta di ingresso si compara il segnale alla porta in uscita con una soglia di riferimento pre-programmata e si registra l'istante temporale in cui la soglia è superata. Utilizzando una frequenza di campionamento sufficientemente elevata, il segnale può essere ricostruito fedelmente e quindi ne può essere effettuato lo studio successivo al fine di valutare la corretta risposta del dispositivo, verificando che le sue caratteristiche parametriche, funzionali e di temporizzazione, i ritardi temporali dei segnali in uscita e i valori di soglia dei segnali in ingresso e uscita, presentino le tolleranze ammesse dalle specifiche.

La macchina di test secondo il procedimento dell'invenzione viene utilizzata in modo diverso da quello appena descritto: essa viene utilizzata come riflettometro temporale, cioè facendo sì che essa invii alle porte del componente degli opportuni segnali e ne rilevi le riflessioni dovute ai disadattamenti d'impedenza.

Questa modalità non viene sfruttata nel normale impiego della macchina di test. Solo nella fase iniziale di calibrazione e caratterizzazione dei canali della macchina viene inviato al supporto del dispositivo un segnale e viene misurato il ritardo del corrispondente segnale riflesso per determinare il ritardo introdotto dal canale di interconnessione al dispositivo. Possono così essere effettuate, se necessarie' le opportune compensazioni. Non viene però studiato dettagliatamente l'andamento temporale del segnale riflesso, tanto più che il circuito integrato in prova non è presente: si è cioè in condizioni di riflessione totale.

Estendendo la possibilità di ricostruzione dei segnali anche ai segnali riflessi dalle porte d'accesso del dispositivo in prova, se ne possono ricavare i relativi parametri elettrici, essenziali per la realizzazione del modello elettromagnetico dell'intero dispositivo secondo la procedura standard IBIS, citata precedentemente. In dettaglio, i parametri ottenibili sono:

le caratteristiche statiche tensione-corrente (V-l) agli ingressi e alle uscite; i tempi di commutazione delle uscite in condizioni di carico specificate;

le capacità di ingresso e uscita;

i tempi di intervento dei circuiti di protezione e di clamp, normalmente presenti alle porte di accesso;

vari parametri parassiti.

Per l'uso secondo l'invenzione, i segnali di stimolo generati dalla macchina di test devono essere sufficientemente rapidi e presentare un'ampiezza sufficiente, in modo da consentire l'esecuzione di misure a frequenza elevata, conservando un buon rapporto segnale/rumore. Ad esempio, per misurare la capacità tipica all'ingresso di un circuito integrato digitale, è conveniente scegliere un'ampiezza di circa 1 V, che permette di ottenere un tempo di transizione di circa 400 ps e ben si adatta alla risoluzione in ampiezza dei comparatori della macchina di test. L'offset del segnale può essere impostato ad un livello opportuno per il dispositivo, per es. 2,5 V per un circuito integrato alimentato a 5 V.

Poiché si effettuano misure di disadattamento d'impedenza, bisogna naturalmente che l'impedenza d'uscita del generatore della macchina di test sia controllata e fissata ad un valore opportuno, per es. 50 ohm, cosi come l'impedenza di tutte le interconnessioni tra il generatore e le porte d'accesso del dispositivo.

Come si è detto precedentemente, la ricostruzione dei segnali riflessi avviene con il metodo del campionamento periodico. La fase dell'impulso di campionamento può essere variata molto finemente, per es. con una risoluzione di 20 ps. Una volta stabilita la fase di campionamento, si può agire sulla soglia di comparazione per identificare il valore di commutazione del comparatore interno, utilizzando un opportuno algoritmo di ricerca, per es. quello dicotomico, quello lineare, ecc., in funzione della morfologia del segnale.

Una volta ricostruito l'andamento del segnale riflesso, lo si confronta con l'andamento ottenuto simulando la configurazione di misura nel dominio del tempo con un simulatore circuitale. Il modello simulato deve contemplare lo stesso segnale di stimolo, la stessa impedenza e lo stesso ritardo del canale di interconnessione e una impedenza di carico variabile, che costituisce l'incognita da determinare. Variando i parametri dell'impedenza simulata (per esempio la capacità), si ottengono diversi andamenti del segnale riflesso, a fronte dello stesso segnale di stimolo, fino a trovare per approssimazioni successive l'andamento che meglio riproduce quello misurato. Il valore dei parametri dell’impedenza simulata corrisponde allora a quello da associare alla porta del dispositivo.

Altri effetti parassiti nel canale di interconnessione tra il generatore e il dispositivo, dovuti a discontinuità di impedenza tra supporto e cavo di collegamento, tra supporto e dispositivo, ecc., o perdite per effetto pelle nel cavo e nel supporto, che sono intriseci della macchina di test, possono essere tenuti in conto nel modello utilizzato per la simulazione e quindi compensati.

Una procedura analoga può essere applicata alla misura dei circuiti di protezione e clamp delle porte di accesso al dispositivo, predisponendo opportunamente i livelli di tensione dei segnali di stimolo. Per esempio, per caratterizzare il circuito di protezione previsto all'ingresso di un circuito integrato verso il terminale di massa, si può utilizzare un segnale di stimolo che passa da 0 V a -1 V e poi da -1 V a 0 V. Rilevando la forma d'onda riflessa dal diodo, che prima viene posto in conduzione e poi in interdizione dal segnale di stimolo, è possibile determinare il tempo di transito caratteristico del diodo.

La procedura di approssimazioni successive descritta può essere applicata anche a un tipo di misure più convenzionali, cioè misure non basate sull'uso della macchina come riflettometro temporale, bensì come generatore di segnali di stimolo e campionatore dei relativi segnali alle uscite. Il componente viene programmato, tramite la macchina di test, in modo da generare alle sue uscite dei segnali ripetitivi, che possono essere rilevati mediante la procedura di campionamento. Le forme d'onda misurate non sono però quelle presenti in prossimità del componente in prova, ma quelle affette dalle distorsioni introdotte dall'intero sistema di misura, composto dalla macchina, dalle interconnessioni, dal supporto fisico del componente, ecc. Si rende quindi necessario costruire un modello del sistema, che permetta di simulare la misura fornendo delle forme d'onda d'uscita da confrontare con quelle ottenute dalla misura.

In questo caso, nel modello utilizzato per la simulazione, l'incognita da individuare è rappresentata dai tempi di commutazione intrinseci del dispositivo. Per ciascuna porta d'uscita, viene impostata nel modello una successione di tempi di commutazione crescenti in una gamma prestabilita, finché la forma d'onda simulata all'uscita del modello di sistema di misura approssima al meglio quella misurata. Il valore del tempo di commutazione impostato, che porta alla migliore approssimazione delle forrne d'onda, costituisce l'incognita cercata.

Tutto il procedimento, comprese le fasi di misura, quelle di simulazione e quelle di confronto, può essere facilmente automatizzato mediante l'uso di un apposito applicativo per la gestione della macchina di test e per l'elaborazione dei risultati.

Una tipica sessione di misura secondo il procedimento dell'invenzione può avvenire secondo il diagramma di flusso illustrato in Fig. 1 .

Il dispositivo in prova 101, con il relativo datasheet 102 e gli eventuali dati JTAG 103, costituisce il complesso di dati di partenza della fase 100. Come è noto, il JTAG è uno standard secondo il quale alcuni piedini del componente sono dedicati alle verifiche funzionali. Per esempio, grazie a questo standard, è possibile isolare e fare funzionare singolarmente alcune parti del dispositivo, particolarmente critiche, in fase di collaudo o di ricerca guasti.

Viene quindi preparato nella fase 104 il supporto di prova, specifico per il dispositivo in esame e adatto alla macchina di test, e vi viene montato nella fase 105 il dispositivo, in base ai tipo di parametri da estrarre, occorre preparare gli opportuni segnali di stimolo in 106, da utilizzare nella macchina di test in 107 per effettuare le successive misurazioni.

In base alle misure ottenute, in 108 sono estratte le caratteristiche statiche tensione-corrente agli ingressi e alle uscite del dispositivo, in 109 sono estratti i tempi di commutazione delie uscite in determinate condizioni di carico, in 110 sono estratte le reattanze capacitive delle porte di ingresso o uscita. In particolare, le misure dei tempi di commutazione sono effettuate sulla base delle forme d'onda rilevate e le capacità in base ai segnali riflessi.

Nella successiva fase 111 viene infine effettuata la stesura dei modello IBIS contenente tutti i parametri misurati.

La procedura con cui vengono eseguite le misure mediante la macchina di test indicata in 107, è illustrata più dettagliatamente nelle Fig. 2 e 3.

In Fig. 2, le singole operazioni, indicate con i riferimenti 201,.., 206, consistono

in:

- misura delle caratteristiche statiche di ingresso;

- condizionamento delle uscite mediante le funzioni JTAG;

- misura delle caratteristiche statiche di uscita;

- generazione e misura dei segnali rìflettometrici sugli ingressi;

- condizionamento delle uscite mediante le funzioni JTAG;

- misura dei fronti di uscita.

La procedura di misura riflettometrica e dei fronti d'onda di uscita è iliustrata nella Fig. 3

Nella fase 301 di "generazione fronti d'onda a un ingresso o uscita", la macchina di test pilota il dispositivo sotto test. Se si eseguono misure sul segnali d'uscita, la macchina programma il componente in modo che le sue uscite commutino. Nella successiva fase 302 si fissa il punto di partenza del fronte di commutazione, che determina l'istante di inizio della misura del livello.

Questa misura viene effettuata in 303 confrontando il segnale con una soglia variabile tramite un comparatore della macchina fino al verificarsi della coincidenza dei valori. Quindi l'istante di misura viene incrementato di un'unità di tempo prefissata in 304 e se, la finestra temporale di misura non è conclusa perché il transitorio di commutazione non si è ancora esaurito, fase 305, il ciclo viene ripetuto per la misura del nuovo livello di segnale. La successione di livelli ottenuti, che riproduce l'andamento del fronte d'onda, viene infine memorizzata in un file in 306.

Nella misura riflettometrica, non viene più considerato in 301 il segnale in uscita dal circuito sotto test, ma lo stesso segnale di stimolo riflesso ad una porta d'ingresso. La procedura è analoga e il risultato è l'andamento dei segnale riflesso.

La procedura con cui vengono estratti i tempi di commutazione delle uscite e le capacità delle porte di ingresso o uscita, indicata in 109 e 110, è illustrata più dettagliatamente nella Fig. 4.

Nella fase 401 "Modello del set-up", viene creato un modello per un simulatore elettrico che rappresenti la configurazione di misura, in particolare i cavi di interconnessione con le relative perdite ed eventuali discontinuità di impedenza, il supporto fisico ed i segnali di stimolo. Questo modello può essere creato a partire dalle risposte rifettometriche ottenute dalla macchina di test nella configurazione in cui non è inserita la piastra di supporto del dispositivo sotto esame ed è specifico per ogni canale di misura disponibile sulla macchina. Dette risposte contengono tutte le informazioni {livelli di impedenza caratteristica, ritardi di propagazione, ecc.) che ne consentono la descrizione mediante le primitive di un simulatore circuitale.

Il modello completo utilizzato nella fase 402 è ottenibile connettendo a livello dì simulatore circuitale il modello del sistema di misura con il modello del dispositivo contenente uno o più parametri circuitali (per esempio la capacità, il tempo di commutazione, ecc.) di cui si vuole estrarre il valore.

Nella fase 402 viene aggiornato il modello con una prima ipotesi di parametro, per esempio il tempo di commutazione, che viene successivamente simulato in 404 e confrontato con le misure fornite dalla macchina di test in 405. Se l'errore supera una soglia prefissata, viene modificato il parametro in 403 e ripetuto il ciclo di approssimazioni successive fino a che non si ottiene il minimo scarto tra la misura e la simulazione. Infine, il parametro ottenuto viene utilizzato per la costruzione del modello IBIS.

E' evidente che quanto descritto è stato dato a titolo di esempio non limitatilo. Varianti e modifiche sono possibili senza per questo uscire dall'ambito di protezione delle rivendicazioni.

Claims

Rivendicazioni 1. Procedimento per il modellamento elettromagnetico di componenti e sistèmi elettronici e in particolare per l'estrazione di determinati parametri elettrici degli stessi, quali le caratteristiche statiche V-l e le impedenze delle entrate e delle uscite, i tempi di commutazione delle uscite in particolari condizioni di carico e i tempi di transito dei diodi di protezione dei suddetti componenti e sistemi elettronici, alle cui porte sono inviati opportuni segnali di stimolo e sono misurati i segnali ad essi correlati, ricostruendone i rispettivi andamenti temporali, caratterizzato dal fatto che per la generazione dei segnali di stimolo e la misura dei segnali ad essi correlati si fa uso di una macchina di test di tipo commerciale, adatta ad effettuare misure parametriche in corrente continua, verifiche funzionali e di temporizzazione su circuiti integrati digitali, e la si impiega anche come riflettometro temporale, facendo sì che essa invii alle entrate o alle uscite del componente o del sistema, montato su un adatto supporto e collegato attraverso opportuni canali di interconnessione, detti segnali di stimolo e ne rilevi le riflessioni dovute ai disadattamenti d'impedenza, rendendo disponibili i rispettivi andamenti temporali, che sono successivamente confrontati con quelli forniti da un modello simulato del sistema di misura, comprendente la parte di generazione e misura dei segnali della macchina di test, i canali di interconnessione e il supporto, al fine di verificare la coincidenza tra l'andamento temporale misurato e quello fornito dal modello simulato, ottenuto impostando valori diversi del parametro elettrico da determinare.
2. Procedimento come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il modello simulato del sistema di misura è ottenuto dalle risposte riflettometriche di ciascun canale della macchina di test nella situazione in cui il supporto del componente o del sistema non è connesso alla macchina.
3, Procedimento come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal latto· -3⁄4ìiè la ricostruzione dei segnali riflessi avviene con il metodo del campionamento periodico, variando finemente la fase dell'impulso di campionamento e agendo sulla soglia di comparazione della parte di misura ' della macchina di test per individuare la successione di valori assunti nel tempo dal segnale riflesso, in modo da ottenerne l’andamento temporale.
4. Procedimento come nella rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che per la misura delle impedenze delle entrate e delle uscite di componenti e sistemi elettronici, nel modello simulato si introduce una impedenza di carico variabile, in modo da ottenere diversi andamenti del segnale riflesso, a fronte dello stesso segnale di stimolórfino a trovare per approssimazioni successive l'andamento che meglio riproduce quello misurato, il valore di impedenza simulata corrispondendo a quello dell'entrata o dell'uscita da determinare.
5. Procedimento come nella rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che per la misura dei tempi di commutazione delle uscite o di transito dei diodi di protezione, nel modello simulato si introduce un tempo variabile, in modo da ottenere diversi andamenti del segnale riflesso, a fronte dello stesso segnale di stimolo, fino a trovare per approssimazioni successive l'andamento che meglio riproduce quello misurato, il valore di tempo di commutazione o di transito simulato corrispondendo a quello da determinare.