JP3790689B2 - 位相同期ループのテスト装置および方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、位相同期ループ(Phase-Locked Loop ,PLL)をテストする装置およびその方法に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
信頼性の高い低スキューの高周波クロック信号を複合システムの様々なパッケージ技術全体に分配することは困難であるため、複合高周波同期システムにとってPLLは不可欠である。
【0003】
高周波同期システムにおいてPLLベースのクロック分配を用いることの利点は、サーバのような複合高性能マシンの設計において特に明確となる。高周波同期システムには、シングルチップ・モジュール(Single-Chip Module,SCM)、マルチチップ・モジュール(Multichip Module,MCM)、カード、およびボードを含む様々なパッケージ技術が用いられる。このような様々なパッケージ技術全体に信頼性の高い低スキューの高周波クロック信号を分配することは、控えめに言っても困難である。
【0004】
しかし、PLLベースの設計によれば、比較的低周波の基準発振器の信号を、各コンポーネントに容易に分配することができる。各コンポーネントは1つのPLLを含み、PLLは、同期設計のために同一位相を保持しながら、その信号の周波数を逓倍して、コンポーネントが要求する高周波を生成する。同期システムは、異なる周波数で動作する多数のコンポーネントを有することがあるので、PLLの基準発振器周波数を逓倍する能力が重要となる(G. A. Van Huben, T. G. McNamara and T. E. Gilbert,“PLL modeling and verification in a cycle-simulation environment,” IBM Journal of Research & Development, Vol.43, No.5/6, 1999)。
【0005】
PLLベースの設計コンセプトのもう1つの利点は、システムコンポーネント間でプログラマブルな比率が許容されることである。ここで、あるサブシステムの動作が、プロセッサのような他のサブシステムより所定数倍遅い場合を考えてみる。そのサブシステムのチップが、所定周波数より速いかまたは遅い周波数で実際に動作していれば、そのサブシステムのPLLの逓倍率を新たな“ギア比”で再プログラムすることができる。
【0006】
オンチップクロックのロジックが異なる周波数をサポートしている限り、システムの残りの部分に周波数に敏感な変則を導入するリスクなしで、システム内の比率を再プログラムすることができる。同期システムの様々なコンポーネントの間では、クロックスキューを極めて低く抑えることが重要である。各コンポーネントのPLLは、そのオンチップクロックの分配遅延の位相合わせを行う。PLLは、周波数シンセサイザや、アナログおよびデジタルの変調器および復調器にも用いられる。
【0007】
以下の文献では、帰還を用いて基準信号と出力信号の位相の所定の関係を保持するシステムとして、PLLが記述されている。
Steven L. Maddy,“Phase-Locked Loop,” Chapter 70 of The Electrical Engineering Handbook, editor-in-chief: Richard C. Dorf, IEEE Press, CRC Press, pp. 1567-1575, 1993.
図6は、このようなPLLの構成を示している。上述したように、PLLの出力信号の周波数は、その入力信号の周波数の倍数になっている。
【0008】
位相比較器11は、CKを参照信号入力として、2つの入力信号CKおよびFBの位相差に依存する出力の組み合わせを生成する。この位相比較器11は、入力信号CKおよびFBの立ち上がりエッジをトリガとして出力信号UPおよびDNを生成する状態機械(ステートマシン)である。その状態遷移図は、図7のようになる。
【0009】
図7に示されているように、この状態機械は、放電状態(discharge state )21、ホールド状態(hold state)22、および充電状態(charge state)23を有する。また、ロック検出器16は、それらの2つの入力信号の位相差に依存する単一の観測可能な出力信号Lを生成する。
【0010】
チャージポンプ12は、図8に示すように、位相比較器11の状態により制御される2つのCMOS(complementary metal-oxide semiconductor )スイッチからなる。図9は、このチャージポンプ12の機能を示している。信号UPがlow(論理0)のとき、スイッチ31は出力信号Vout のノードをVDDに接続し、信号DNがlowのとき、スイッチ32はそのノードをVSSに接続する。また、UPおよびDNの両方がhigh(論理1)のとき、そのノードはVDDおよびVSSから隔離され、ループフィルタ(Loop Filter ,LPF)13のキャパシタ上の電圧VopがVout となる。
【0011】
ループフィルタ13は、ローパスフィルタであり、PLLダイナミクスとPLLの性能を制御するのに用いられる。電圧制御発振器(Voltage-Controlled Oscillator ,VCO)14は、周波数FVCO が入力電圧に比例するようなAC(Alternating Current )出力を生成する回路である。1/N分周器17は、周波数が入力信号(PLLの出力信号X)の整数(N)分の1となるような出力信号Dout を生成するデバイスである。信号Xの周波数がFVCO のとき、信号Dout の周波数はFVCO /Nとなる。信号Dout は信号FBとして位相比較器11に入力される。
【0012】
2対1マルチプレクサ(MUX)15は、クロック信号を入力Aに与えることで、PLLをバイパスすることを可能にしている。Aにクロックを入力し、入力Sを0に設定すれば、PLLがバイパスされる。また、ゼロパルス(仕様で定められたパルス)をSに与えれば、PLLはホールド状態にリセットされる。
【0013】
上述したPLLの機能は、テスト対象のPLL(PLL Under Test,PUT)を以下のように動作させることでPLLテストが達成できることを示唆している。・スタートシーケンス・チェック:このチェックにより、システムがスタートしてから所定の時間内にPLLが周波数に到達できることが検証される。このチェックは、位相ロッキングの検証を含む。
・通常モード動作:位相ロックの後、PLLの出力信号が所望の周波数になっているかどうかが確認される。
・周波数の動的変更:これにより、PLLが、システムテストモード、通常動作モード等の様々なモードで動作できることが検証される。この検証では、周波数を動的に変更するために、PLLの再プログラミングが必要となる。
・ストップシーケンス・チェック:このチェックにより、PLLが停止したとき、駆動されているすべてのチップが停止することが検証される。このチェックとスタートシーケンス・チェックを併せれば、駆動されるチップが動作を縦列に停止し再開することが検証される。
【0014】
しかしながら、他の高周波アナログ/混合信号回路と同様に、PLLもまたテストが困難である。PLLのための多くの仕様ベーステストスキームでは、スタートシーケンス・チェックおよび通常モード動作検証は行われるが、周波数の動的変更およびストップシーケンス・チェックは促進されていない。
【0015】
Dalmia等は、PLLテストにおける動作電流モニタリング方法を提案した(M. Dalmia, A. Ivanov and S. Tabatabaei, “Power Supply Monitoring Techniques for Testing PLLs,” Proc. Sixth IEEE Asian Test Symposium, pp. 366-371, November 1997)。しかしながら、この方法で用いられているアプローチは特別のものではなく、現状では、動作電流測定に基づくテストスキームを実現することは困難である。
【0016】
また、Kim 等は、PLLの動作に2つの動的遷移を伴うテストを実現する故障指向方法を提案した(S. Kim, M. Soma and D. Risbud, “An Effective Defect-Oriented BIST Architecture for High-Speed Phase-Locked Loops,” Proc. 18th IEEE VLSI Test Symposium, April 2000)。この方法では、3つの安定周波数が測定され、期待される周波数と比較されている。しかしながら、彼らの方法では、スタートシーケンス・チェックが行われておらず、かなり多くの付加的なハードウェアを追加する必要がある。
【0017】
本発明の課題は、周波数の動的変更の検証および/またはスタートシーケンス・チェックを含む、改良されたPLLテストのための装置および方法を提供することである。
【0018】
【課題を解決するための手段】
図1は、本発明のテスト装置の原理図である。図1のテスト装置は、リセット手段41、入力手段42、出力手段43、および接続制御手段44を備える。
【0019】
リセット手段41は、チャージポンプをLPFから切り離し、LPFに代わりの放電パスを与えることにより、PLL45をリセットする。入力手段42は、制御信号とPLL45の出力からの帰還信号とを受け取り、受け取った制御信号と帰還信号から組み合わせ信号を生成し、その組み合わせ信号をPLL45に入力する。この組み合わせ信号は、参照信号とともに、LPFの充電、LPFの放電、および通常動作のうちの1つをPLL45に行わせる。出力手段43は、PLL45がLPFの充電を行う場合と、PLL45がLPFの放電を行う場合と、PLL45が通常動作を行う場合に、VCOの出力に対応する周波数の信号を出力する。接続制御手段44は、PLL45のデジタル回路とアナログ回路の間の接続を制御する。
【0020】
リセット手段41は、チャージポンプをLPFから切り離し、LPFに代わりの放電パスを与えることにより、リセットパルスの幅により決められる期間(その幅に等しい期間)、LPFを放電させる。また、入力手段42を用いれば、帰還信号と制御信号をPLL45に入力することができ、充電状態、不完全放電状態、完全放電状態、および通常動作状態を含む様々な安定状態を遷移するように、PLL45を動作させることができる。出力手段43からの出力信号の周波数は、VCOの出力信号の周波数に対応しているので、各状態においてその周波数を測定することで、合格/不合格の判定が可能である。接続制御手段44は、必要に応じて、デジタル回路をアナログ回路から隔離したり、デジタル回路をアナログ回路に接続したりする。これにより、デジタル回路を別にテストすることが可能となる。
【0021】
こうして、位相比較器の出力を直接制御可能にしなくても、PLL45を十分に動作させることができ、改良されたPLLテストが実現される。
例えば、図1のリセット手段41は、後述する図3の信号Sとチャージポンプ12およびVCO14のリセットインタフェースに対応し、図1の入力手段42は、図3のANDゲート51とスイッチN1およびP1に対応する。また、例えば、図1の出力手段43は、図3のMUX15および1/N分周器17に対応し、図1の接続制御手段44は、図3のトランジスタスイッチP2、P3、およびN2に対応する。また、例えば、図1の参照信号は、図3の信号CKに対応し、図1の組み合わせ信号は、図3の位相比較器11およびロック検出器16の2つの入力のうちの下側に入力される信号に対応し、図1の出力手段43からの出力信号は、図3のXまたはDout における信号に対応する。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明のテスト方法は、前述したDalmia等およびKim 等の方法のすべての利点を備えた体系的な方法である。この方法は、テスト生成の明確な記述を与え、スタートシーケンス・チェックも行う。さらに、本発明の方法は、以下のような特徴を備えている。
1.“分断攻略”の戦略が用いられる。
2.テストパターン生成のための理解しやすいプロシージャを有する。
3.論理値の出力観測による電圧テストまたは周波数測定(VCOがアクティブな場合)を伴う。
4.PLLのデジタルユニットのための静的電源電流(IDDQ)テストが組み込まれている。
【0023】
図2は、図6に示したPLLの電源配置を示している。図2において、デジタルユニット(デジタル回路)の電源とアナログユニット(アナログ回路)の電源は、明確に分離されている。これにより、テスト中にアナログユニットからデジタルユニットを隔離することが可能となる。
【0024】
PLLのテストには2つのフェーズからなるアプローチが採用され、最初のフェーズ(フェーズ1)では、デジタル部品のみがテストされる。このフェーズでは、PUTのデジタル部品(位相比較器11、チャージポンプ12、MUX15、およびロック検出器16)がアナログ部品(LPF13およびVCO14)から隔離され、デジタル部品に対してIDDQテストと電圧テストが同時に行われる。
【0025】
LPF13はPLLの性能を制御するので(また、LPF13の効果は制御可能なので)、LPF13のキャパシタに蓄えられる電荷量を変更して測定に十分な時間を取れば、応答を観測しながらPLLを動作させることができる。そこで、2番目のフェーズ(フェーズ2)では、デジタルユニットをアナログユニットに接続し、一連の周波数遷移が起きるようにPUTを動作させる。
【0026】
入力信号CKおよびFBを操作することで、周波数Fmax 、Fo 、およびFmin に渡ってVCO14の動作ポイントをシフトさせることが可能である。ここで、VCO14の入力電圧をvとし、Vmax およびVmin をその最大値および最小値とすると、Fmax 、Fo 、およびFmin は、それぞれ、v=Vmax 、v=(Vmax +Vmin )/2、およびほぼ接地電圧に等しいvに対応している(図5参照)。
【0027】
ここでは、Fmax 、Fo 、およびFmin と通常動作周波数Fopとに対応する4つの動作ポイントを遷移するように、PLLを動作させる。Fmax 、Fo 、Fmin 、およびFopは、それぞれ、最大基準周波数、中心周波数、最小基準周波数、および期待される通常動作周波数を表す。各動作ポイントにおいては、回路の非定常解析により決められる時間間隔で周波数測定が行われる。測定値は良好なマシン値と比較され、あらかじめ計算されたトレランスの範囲内でPUTが無故障かどうかが判定される。良好なマシン値およびトレランスは、仕様ベースのテストで用いられる基準値の解析とシミュレーションにより決定される。
【0028】
次に、図3から図5までを参照しながら、PLLテストの例を説明する。
図3は、テスト装置の構成を示している。実際には、チャージポンプ12およびVCO14にはリセットインタフェースが含まれている。LPF13は、通常、チャージポンプ12の下側のトランジスタを介して放電するが、リセットの間は、チャージポンプ12のリセットインタフェース内の代わりの放電パスが用いられる(不完全放電)。LPF13は、基本的に、RC(抵抗−キャパシタ)回路であり、放電カーブはv=Vmax (1−exp(−t/CR))の形になる。したがって、CRが分かっていれば、LPF13を所定の電圧まで放電させるのに要する時間(上式のtの値)が計算できる。リセットパルスの幅はこの時間に合わせられる。
【0029】
また、位相比較器11の帰還入力を容易に操作するために、位相比較器11(およびロック検出器16)の入力側に制御性が導入される。2つのトランジスタスイッチN1およびP1とANDゲート51が、この制御性を提供している。信号DTおよびtは制御を提供する。ANDゲート51は、PLLの出力から信号tと帰還信号FBを受け取り、それらの論理積を生成する。DT=1のとき、スイッチN1は位相比較器11およびロック検出器16の下側の入力にtを接続し、DT=0のとき、スイッチP1はそれらの入力にANDゲート51の出力を接続する。
【0030】
また、3つのトランジスタスイッチP2、P3、およびN2は、フェーズ1においてPLLをデジタルサブ回路とアナログサブ回路に分割する手段として挿入されている。デジタルサブ回路の隔離は、デジタルテスト信号DTにより制御される。DT=0のとき、スイッチP2はチャージポンプ12の出力をLPF13の入力に接続し、スイッチP3はVCO14の出力をMUX15の下側の入力に接続する。また、DT=1のとき、スイッチN2はMUX15の下側の入力にtを接続する。PLLの通常動作の間は、DT=0およびt=1であり、デジタルサブ回路が隔離されて別にテストされるときは、DT=1である。この方法では、1/N分周器17は別にテストされており、PLLのテストを無効にするような故障がないことが分かっているものとする。
【0031】
フェーズ1におけるデジタル回路の機能故障または論理故障のためのテストでは、テストパターンを印加した後、出力を観測する(IDDQを観測する)前に回路が安定する必要がある。特に、観測中にゲート1つでも変化すると、IDDQテストは実行できない。デジタル部品のテストに必要なこの安定条件が成立することを保証するために、DTは論理1に設定しなければならない。
【0032】
デジタル部品のテストを開始するため、まず、DTが論理1に設定される。図8は、デジタル部品のテストパターンを示している。図3から分かるように、DT=1とすれば、PUTのデジタル部品は隔離され、位相比較器11、ロック検出器16、およびMUX15の下側の入力がtに接続される。XおよびLの欄は、それぞれ、MUX15およびロック検出器16の出力として期待される論理値を示している。
【0033】
単一スタック故障(single stuck-at fault )モデルの下では、MUX15は完全にテストされる。ロック検出器16および位相比較器11については、すべての入力の並べ換え論理値が印加されるので、それらの機能は完全に検証される。特に、ここでは、状態機械が機能的に検証されることを保証するために、適切な入力パターン列が選定されている。UPおよびDNはプライマリ入力ではないが、チャージポンプ12が的確にテストされること(IDDQ)を示す証拠として、それらの値が記載されている。
【0034】
フェーズ2は、図5に示すようなステージに対応して4つのステップを有する。フェーズ2では、PUT全体が併せて動作し、周波数測定が行われる。最初に、信号DTは論理0に設定され、LPF13のキャパシタが接地電位になることを保証するために、信号Sが十分長い間論理0に設定される。図5において、Vin(VCO)は、VCO14の入力電圧vを表し、Fout (VCO)/Nは、Dout における出力周波数を表す。この場合、Dout が周波数測定の対象信号となる。ステップ1から4までの各々におけるテストプロシージャは以下の通りである。
・ステップ1(時刻t-1およびt1 の間のステージ):t=DT=0と設定する。時間T0 の後、Sを1に設定し、その後、CKの値を1に変更する。そのCKの変化から時間T1 だけ待って、時刻M1 にDout の周波数F1 を測定する(無故障のPLLではF1 =Fmax )。T1 は、LPFキャパシタを接地電圧(0)からVmax に充電するのに要する時間である。
・ステップ2(時刻t1 およびt2 の間のステージ):CKを0に戻し、PUTをリセットして、VCO14の入力電圧がVo =(Vmax +Vmin )/2になるまでLPFキャパシタを放電させる。この不安全放電を達成するための時間は、あらかじめ計算しておく。リセット時間(reset time)が経過した直後、時刻M2 にDout の周波数F2 を測定する(無故障のPLLではF2 =Fo )。測定の後、tを1に設定する。
・ステップ3(時刻t2 およびt3 の間のステージ):CKは論理0のままなので、FBの最初の立ち上がりがLPFキャパシタの完全放電を開始させる。tの最後の変化から時間T3 だけ経過した後、時刻M3 にDout の周波数F3 (Fmin に等しいことが期待される)を測定する。LPFキャパシタを完全に放電させるための時間をτとすると、T3 =2/Fo +τである。
・ステップ4(時刻t3 およびt4 の間のステージ):FBの帰還クロック信号が通過できるようにtを論理1にしたままで、動作クロック信号をCKに入力する。時間T4 (T4 ≧lock time +1/Fop)だけ経過した後、Lの値を観測してロック状態を確認する。そして、時刻M4 にDout の周波数F4 (Fopに等しいことが期待される)を測定する。このステップは、スタートシーケンス・チェック(所定時間後にロック検出器16の出力を観測することによるロック状態の確認)と通常モード動作検証(通常モード出力周波数の検証)に対応している。
【0035】
与えられたPLL(所定の技術)に対しては、基準周波数Fmax 、Fo 、Fmin 、およびFopの良好なマシン値(およびそれらのトレランス)は、シミュレーションと設計仕様により設定される。すべての測定値が良好なマシン値のトレランス範囲に収まっていれば、PUTはテストに合格し、そうでなければ不合格となる。また、もしXにおいて適切な測定が可能であれば、Dout の代わりにXの周波数を測定してもよい。
【0036】
以上詳細に説明したように、分断攻略アプローチを適用して、PLLの体系的なテスト方法が開発された。まず、デジタル部品が隔離されて、それらの電圧(論理)テストおよびIDDQテストが行われる。次に、LPFキャパシタの充電および放電の一連の動作を、PLL全体で行わせる。この過程において、スタートシーケンス・チェックが行われ、通常モードの動作が検証され、動的周波数変更がチェックされ、ストップシーケンス・チェックが行われる。
【0037】
この体系的な方法は、2つの付加的なプライマリ入力、5つのトランジスタ、および1つの2入力ゲートを追加することで達成できる。
【0038】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単なハードウェアにより、周波数の動的変更の検証および/またはストップシーケンス・チェックを含む、改良されたPLLテストが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のテスト装置の原理図である。
【図2】PLLの電源配置を示す図である。
【図3】PLLテストの構成を示す図である。
【図4】デジタル部品のテストパターンを示す図である。
【図5】PLLの動作およびテストのタイミングチャートである。
【図6】従来のPLLの構成図である。
【図7】位相比較器の状態遷移図である。
【図8】チャージポンプの構成図である。
【図9】チャージポンプの機能を示す図である。
【符号の説明】
11 位相比較器
12 チャージポンプ
13 ループフィルタ(LPF)
14 VCO
15 MUX
16 ロック検出器
17 1/N分周器
21 放電状態
22 ホールド状態
23 充電状態
31、32 スイッチ
41 リセット手段
42 入力手段
43 出力手段
44 接続制御手段
45 PLL
51 ANDゲート

Claims (6)

  1. 位相比較器、チャージポンプ、ループフィルタおよび電圧制御発振器を含む位相同期ループのためのテスト装置であって、
    前記チャージポンプを前記ループフィルタから切り離し、該ループフィルタに代わりの放電パスを与えることにより、前記位相同期ループをリセットするリセット手段と、
    制御信号と前記位相同期ループの出力からの帰還信号とを受け取り、受け取った制御信号と帰還信号の組み合わせ信号であって、参照信号とともに、前記ループフィルタの充電、該ループフィルタの放電、および通常動作のうちの1つを該位相同期ループに行わせるような組み合わせ信号を生成し、該組み合わせ信号を該位相同期ループに入力する入力手段と、
    前記位相同期ループが前記ループフィルタの充電を行う場合と、該位相同期ループが該ループフィルタの放電を行う場合と、該位相同期ループが通常動作を行う場合に、前記電圧制御発振器の出力に対応する周波数の信号を出力する出力手段と、
    前記位相同期ループのデジタル回路とアナログ回路の接続を制御する接続制御手段と
    を備えることを特徴とするテスト装置。
  2. 前記デジタル回路は、前記位相比較器およびチャージポンプを含み、前記アナログ回路は、前記ループフィルタおよび電圧制御発振器を含み、前記接続制御手段は、該デジタル回路がテストされるときに、該デジタル回路を該アナログ回路から隔離し、前記組み合わせ信号は、該デジタル回路が該アナログ回路から隔離されていないときに、前記参照信号とともに、前記ループフィルタの充電、ループフィルタの放電、および通常動作のうちの1つを該位相同期ループに行わせることを特徴とする請求項1記載のテスト装置。
  3. 前記入力手段は、前記組み合わせ信号を前記位相比較器に入力し、該位相比較器は、該組み合わせ信号に従って前記チャージポンプの入力信号を生成することを特徴とする請求項1記載のテスト装置。
  4. デジタル回路およびアナログ回路を含む位相同期ループのテスト方法であって、
    前記デジタル回路を、ループフィルタおよび電圧制御発振器を含む前記アナログ回路から隔離し、
    該デジタル回路をテストし、
    該デジタル回路と前記アナログ回路を接続し、
    前記ループフィルタを充電し、
    前記電圧制御発振器の出力に対応する対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を最大基準周波数と比較し、
    前記位相同期ループをリセットし、
    前記対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を中心周波数と比較することを特徴とするテスト方法。
  5. デジタル回路およびアナログ回路を含む位相同期ループのテスト方法であって、
    前記デジタル回路を、ループフィルタおよび電圧制御発振器を含む前記アナログ回路から隔離し、
    該デジタル回路をテストし、
    該デジタル回路と前記アナログ回路を接続し、
    前記位相同期ループをリセットし、
    前記電圧制御発振器の出力に対応する対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を中心周波数と比較し、
    前記ループフィルタを放電させ、
    前記対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を最小基準周波数と比較することを特徴とするテスト方法。
  6. デジタル回路およびアナログ回路を含む位相同期ループのテスト方法であって、
    前記デジタル回路を、ループフィルタおよび電圧制御発振器を含む前記アナログ回路から隔離し、
    該デジタル回路をテストし、
    該デジタル回路と前記アナログ回路を接続し、
    前記ループフィルタを充電し、
    前記電圧制御発振器の出力に対応する対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を最大基準周波数と比較し、
    前記位相同期ループをリセットし、
    前記対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を中心周波数と比較し、
    前記ループフィルタを放電させ、
    前記対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を最小基準周波数と比較し、
    前記位相同期ループに通常動作を行わせ、
    前記対象信号の周波数を測定して、測定された周波数を期待される通常動作周波数と比較することを特徴とするテスト方法。
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