如何为时钟模块进行快速修调

2019-05-09 14:56:37 来源:AET电子技术应用
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由于实际生产过程中的工艺偏差,时钟模块输出的实际频率和设计频率相差比较大,因此在测试阶段,需要对输出频率不在目标范围内的时钟模块进行修调。基于二分法相对遍历法具有快速收敛的特点,设计自动修调电路并分析了异步脉冲同步带来的修调误差。自动修调电路通过ATE(Automatic Test Equipment)提供的慢速脉冲对时钟模块输出的时钟计数,用二分法自动改变trim值,从而达到快速修调的目的,节省了测试时间。

 
中图分类号: TN492
 
文献标识码: A
 
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182211
 
中文引用格式: 孟博,颜河,管金凤. 时钟模块自动修调电路设计[J].电子技术应用,2019,45(5):14-16,22.
 
英文引用格式: Meng Bo,Yan He,Guan Jinfeng. Design of auto trim circuit for clock generation module[J].
 
Application of Electronic Technique,2019,45(5):14-16,22.
 
Design of auto trim circuit for clock generation module
Meng Bo1,2,Yan He1,2,Guan Jinfeng1,2
 
1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China; 2.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade, Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.,Ltd.,Beijing 100192,China
 
Abstract: Due to the influence of the process, actual frequency of clock generator module always has some deviations from target, it is necessary to trim the clock module whose frequency is not as it was expected. Compared with traversing method, dichotomy has higher convergence rate. Auto trim circuit was designed based on dichotomy,
and measurement error caused by synchronous of referenced pulse was analyzed. Auto trim circuit counted output of clock generator module during high level of referenced slow pulse which was generated by automatic test equipment, and trim value was changed using dichotomy, achieving the purpose of saving measure time.
 
Key words : auto trim;dichotomy;measure time
 
0 引言
集成电路的生产过程中,制造工艺会有一定的偏差,造成生产出的时钟模块的输出不符合要求[1]。因此需要通过改变trim值调节时钟模块的相关参数,将其输出频率修调至目标频率范围,从而提高芯片良率[2-3]。
 
进行修调时,当输出频率在目标频率范围之内时,认为修调成功,不再改变trim值,否则继续修改trim值直到修调成功或者达到最大修调次数。改变trim值的方法通常有两种。一种是遍历法,一种是二分法。假设trim值是N bit。使用遍历法时,trim值每次改变1,最大修调次数是2N;使用二分法时,trim值每次改变2n,n为小于N的整数,最大修调次数是N。
 
遍历法控制简单,当遍历了所有的trim值时,能找到最优的trim值,但测试时间较长。相比遍历法,二分法中每次trim值的改变都会排除当前可取trim值范围内一半的trim值,整个过程中只取几个特殊的trim值,因此测试时间短,但存在可能找不到最优trim值的问题。当只要求把时钟频率修调到目标范围内且不需要寻找到最优trim值时,使用二分法可以节省较多的测试时间,降低测试成本,且N值越大,节省的时间越多。
 
本文利用二分法设计时钟模块的自动修调电路,可以对时钟模块进行快速修调,降低测试成本。
 
1 二分法原理
二分法常用于求函数零点的近似值,原理是:取函数f(x)零点所在区间[a,b]的中点,比较区间中点处的值f((a+b)/2)和0的大小,根据比较结果用(a+b)/2代替a或者b,重复上述步骤,使区间的两个端点逐步逼近零点,进而就可求得零点近似值。该方法的使用条件是:函数f(x)在区间[a,b]上连续且f(a)·f(b)<0。
 
将二分法应用到时钟模块的修调中,假设时钟模块可取的trim值范围是[trim_l,trim_h],时钟频率和trim值的关系是f(trim),目标频率范围是[fl,fh]。根据二分法的使用条件,可知,当[f(trim_l)-fh]·[f(trim_h)-f1]<0时,可以使用二分法来求满足条件的trim值。
 
另外,由于trim值是离散的,当 trim的step大于目标频率的变化范围时,可能不存在使时钟模块的输出处于目标频率范围内的trim值,如图1所示。
 
 
图1中trim step大于目标频率的变化范围,导致每个trim值都无法对应到目标频率范围内,找不到满足要求的trim值。因此设定的目标频率变化范围应该大于trim step并且在芯片正常工作要求的范围之内。
 
2 自动修调电路设计
自动修调电路主要由脉冲同步器Syn、计数器Counter、比较器Compare、修改trim值模块Adjust组成。修调电路的构造以及和外部ATE、时钟模块OSC的连接关系如图2所示,pulse是ATE提供的慢速脉冲,clk是需要修调的时钟,trim_value[N-1:0]是OSC模块的trim值。
 
 
修调电路的工作原理如图3所示,图中c1是在ATE提供的脉冲高电平期间对clk进行计数的计数值;c2是脉冲个数计数器。为了简化电路设计,不采用比较clk实际频率和目标频率范围的方法判断是否修调成功,而是将目标频率范围[fl,fh]转化成计数器c1的目标取值范围[Llimit,Hlimit],如果计数结束时c1的值在[Llimit,Hlimit]之间,则认为修调成功。本文假设OSC输出时钟频率随着trim值的增加大致呈增加趋势。
 
 
trim的初始值设为中间值2N-1,c1和c2的初始值设为0。
 
修调电路接收ATE提供的慢速脉冲pulse和OSC的输出时钟clk。在pulse的高电平期间对clk计数,高电平结束后,将计数值c1与设定的计数值上下限比较。比较结果有三种情况:(1)c1大于Llimit并且小于Hlimit,说明OSC输出频率处于目标频率范围,修调成功;(2)c1大于上限Hlimit,说明OSC输出频率高于目标频率范围,将trim值向降低OSC输出频率的方向调整;(3)c1小于Llimit,说明OSC输出频率低于目标频率范围,将trim值向增高OSC输出频率的方向调整。比较结果为(2)和(3)两种情况时,调整trim值之后重复上述步骤。如果输入N次慢速脉冲后仍然没有修调成功,那么认为不能通过改变trim值将时钟模块的输出频率修调到目标范围,修调失败。
 
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