Geração automática de padrões para teste estrutural de circuitos analógicos

Abstract

Os vultuosos incrementos de complexidade e de funcionalidade que os circuitos eletrônicos atuais apresentam em relação aos seus antecessores deram-se através da miniaturização dos componentes. Essa redução das dimensões incrementou os desafios impostos pelas etapas de projeto e fabricação, aumentando, por consequência, a importância da etapa de teste. Ao mesmo tempo em que os testes precisam ter boa qualidade, apresentando elevadas coberturas de falhas e baixa yield loss, o custo também é um fator primordial a ser levado em consideração. A metodologia de teste baseado em especificação se mostra como uma opção mais cara que a de teste baseado em defeitos. Entretanto, o ônus da opção mais barata está no possível decréscimo da qualidade do teste e da maior dificuldade na determinação das melhores configurações de testes a serem utilizadas. Nesse contexto, nota-se que os circuitos analógicos estão atrás dos digitais quando o assunto é a determinação dessas configurações de teste, pois, enquanto os circuitos digitais possuem, já há bastante tempo, ferramentas para determinação de vetores de teste otimizados, essa determinação, para testes analógicos, ainda não é totalmente automatizada (KABISATPATHY; BARUA; SINHA, 2005). De posse dessas informações, o presente trabalho consiste no desenvolvimento de uma ferramenta que vise amenizar essa discrepância entre circuitos analógicos e digitais. A ferramenta foi desenvolvida em MATLAB de modo a automatizar simulações SPICE de circuitos e, por fim, também de forma automatizada, analisar todos os resultados e chegar na conclusão de quais configurações de testes correspondem ao conjunto mais otimizado para aquele circuito dentro das condições simuladas. Nessa ferramenta, deve-se entrar com a descrição SPICE do circuito e do modelo de falhas que se deseja adotar, sendo esse composto por falhas paramétricas e catastróficas, cujas respectivas impedâncias e desvios são escolhidas pelo usuário. A ferramenta desconsidera que uma falha possa mascarar a outra e, por isso, cria uma descrição SPICE do circuito para cada uma das falhas de maneira individual. Através da simulação de todos os circuitos com falha e do circuito fault free, juntamente com a posterior comparação dos resultados, a ferramenta cria o dicionário de falhas. Esse dicionário contém as informações de quais falhas podem ser detectadas em cada um dos nós e para cada um dos possíveis sinais de entrada. Com ele, a ferramenta determina quais são as coberturas de falhas nos nós e qual o melhor conjunto testes. As funcionalidades da ferramenta foram avaliadas através de estudos de caso que consistiram na determinação de configurações de teste otimizadas para um amplificador totalmente diferencial de dois estágios e um filtro passa-baixas de segunda ordem composto pela conexão de dois estágios de primeira ordem em cascata. No primeiro caso, o amplificador apresentou cobertura de falhas máxima de 63,88%, porém com auxílio de funcionalidades da ferramenta, observou-se, que utilizando um nó interno do circuito como nó de teste, essa cobertura de falhas é aumentada para 73,22%. No segundo caso, do filtro passa-baixas de segunda ordem, a cobertura de falhas alcançada foi de 87,15%. Subsequentemente, foram investigadas as possibilidades de execução de um teste transiente adicional e da execução de testes nos amplificadores do circuito em malha aberta, ambas as análises buscavam o aumento da cobertura de falhas.

The great increases in complexity and functionality that modern electronic circuits present in relation to their past generations happened through the miniaturization of their components. This dimension reduction has increased the challenges posed by project and fabrication phases, increasing therefore, the importance of the test phase. While the tests must be of good quality, presenting high fault coverage and low yield loss, the cost must also be a prime factor to be considered. The methodology of specification-based test presents itself as a more expensive option than the defect-based test. However, the burden of the cheapest option is the possible decrease of test quality and the greater difficulty in determining the best test configuration to be used. In this context, it is noted that determination of test configurations for analog circuits, is a step behind of the digital counterparts. This is because, while for digital circuits there are tools for optimized test vector determination, this determination, for analog tests, is still not totally automated (KABISATPATHY; BARUA; SINHA, 2005). Given this information, this work consists in the development of a tool that aims to soften this discrepancy between analog and digital circuits. A tool was developed in MATLAB in a way to automate SPICE circuit simulations and, finally, also in automated form, analyze the results and arrive at a conclusion about what test configurations correspond to the best optimized set for that circuit within the simulated conditions. In this tool, one must enter the SPICE circuit description and the fault model that one wishes to adopt, being the model composed of parametric and catastrophic faults, and whose respective impedances and deviations are chosen by the user. The tool disregards that one fault might mask the other and, therefore, creates an individual fault SPICE circuit description for each one. Through the simulation of all faulty circuits and the fault free circuit, along with a posterior result comparison, the tool creates the fault dictionary. This dictionary contains the information of which faults may be detected in each of the nodes (used as test point) and for each of the possible input signals. Finally, with the dictionary, the tool determines the fault coverage in each node and which are the best tests sets. The functionalities of the tool were evaluated through case studies that consisted in the determination of the optimized test configuration for a two-stage fully differential amplifier and a second order low pass filter. In the first case, the amplifier presented an initial fault coverage of 63,88%. However, with the assistance of the tool, it was observed that, using an internal node of the circuit as test node, this fault coverage increases to 73,22%. In the second case study (second order low pass filter), the fault coverage reached 87,15%. Subsequently, the execution of an additional transient test and the execution of tests in the amplifiers with open loop circuit were investigated; both the analysis searched for an increase in fault coverage. The transient test resulted in the detection of a single additional fault, however the test of the amplifiers operating in open lop resulted in a significant increase in fault coverage, reaching 92,36%.