JP5260549B2 - 機器チャンネルの高調波ひずみ補償 - Google Patents

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Description

本願は一般に、自動試験装置(AET)のような試験・測定機器における高調波ひずみの補償に関する。
自動試験装置(ATE)とは、半導体、電子回路、及びプリント回路基板のアセンブリのようなデバイスを試験するための、自動化された、通常はコンピュータ作動のシステムをいう。ATEによる試験を受けるデバイスを被試験デバイス(DUT)という。
ATEは典型的に、コンピュータシステム、及び試験デバイス又は対応する機能を有する単一デバイスを含む。ATEは、そのソースチャンネルを介してDUTへ信号を与えることができる。キャプチャチャンネルがDUTからの信号を受信して、DUTが試験基準を満たすか否かを決定するための処理へその信号を転送する。
高調波ひずみは、現世代のATE機器のダイナミックレンジを著しく制限する。オーディオ、ビデオ、通信、及び無線のシステムは全て高調波ひずみの影響を受け易く、これは、かかる市場のためのデバイスに対し、厳しい総合高調波ひずみ(THD)、スプリアスフリーダイナミックレンジ(SFDR)、及び隣接チャンネル電力比(ACPR)の仕様として現れる。音声周波数から超短波(VHF)までの周波数スペクトルにわたり、機器の高調波レベルは、非調和スプリアス信号よりも10デシベル(dB)高くなるのが典型的である。ATEのユーザは、デバイスAC(交流)直線性の製品試験が自身のATE機器の能力、特に高調波ひずみによって制限されていると判断することが多い。
欧州特許出願公開第1339169(A)号明細書 欧州特許出願公開第1647810(A)号明細書 米国特許第6,504,935(B1)号明細書 国際公開第2008/042254(A)明細書
本特許出願は、ATEを含むがこれに限られないデバイスの機器チャンネルにおける高調波ひずみを低減するためのコンピュータプログラム製品を含む方法及び装置を記載する。
一般に、本特許出願は、チャンネルに信号を通す回路と、第1ルックアップテーブル(LUT)及び第2LUTを格納するメモリとからなる装置を記載する。第1LUTは、信号の第1変形に基づいて第1補正値を与える。ここで、第1補正値は、チャンネルに関連する静的非直線性を補正するべく使用される。第2LUTは、信号の第2変形に基づいて第2補正値を与える。ここで、第2補正値は、チャンネルに関連する動的非直線性を補正するべく使用される。デジタル信号処理ロジックは、チャンネルからの高調波ひずみを補償するべく第1補正値、第2補正値、及び信号を使用する。装置はまた、以下の機能を1つ以上含んでよい。
装置は、信号の位相をシフトして信号の第2変形を生成する位相シフト回路を含んでよい。位相シフト回路はヒルベルトフィルタを含んでよい。シフトは、信号の位相を約90°シフトすることを含んでよい。回路、メモリ、及びロジックは、自動試験装置(ATE)のキャプチャチャンネルの複数部分を含んでよい。キャプチャチャンネルは、被試験デバイス(DUT)から信号を受信するためのものであってよい。回路、メモリ、及びロジックは、ATEのソースチャンネルの複数部分を含んでよい。ソースチャンネルは、DUTへ信号を与えるためのものであってよい。
第1LUTは、静的非直線性によって生じる第1のN個の高調波を補正するべく使用される複数の第1補正値を含んでよい。複数の第1補正値d(x)は以下を含んでよい。
Figure 0005260549
ここで、Hはn次高調波の振幅、θはn次高調波の位相、xはチャンネル内の信号のサンプル値、φは、高調波を生成する基本信号の位相である。複数の第1補正値は、エイリアシング高調波を補正し得る。さらに、
Figure 0005260549
ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはチャンネルのサンプリングクロック周波数に対応する。または、
Figure 0005260549
ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはチャンネルのサンプリングクロック周波数に対応する。
第2LUTは、動的非直線性によって生じる第1のN個の高調波を補正するべく使用される複数の第2補正値を含んでよい。複数の第2補正値d(x)は以下を含んでよい。
Figure 0005260549
ここで、Hはn次高調波の振幅、θはn次高調波の位相、xはチャンネル内の信号のサンプル値、φは、高調波を生成する基本信号の位相である。第2の第1補正値は、エイリアシング高調波を補正し得る。さらに、
Figure 0005260549
ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはチャンネルのサンプリングクロック周波数に対応する。または、
Figure 0005260549
ここで、fnalias=F/2−nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはチャンネルのサンプリングクロック周波数に対応する。
装置は、チャンネル内に切替可能フィルタバンクを含んでよい。切替可能フィルタバンクは、チャンネルの内部に又は外部への切替が可能な1つ以上のフィルタを含んでよい。1つ以上のフィルタは、チャンネルからの高調波ひずみを補償し得る。ロジックは、第1補正値と第2補正値とを組み合わせて和を算出し、及びその和を信号から減算することによって、高調波ひずみを低減する回路を含んでよい。装置は、自動試験装置(ATE)、データコンバータ回路、信号発生器、及びスペクトルアナライザの1つであってよい。
一般に、本特許出願はまた、機器のチャンネル内の高調波ひずみを補償するのに有用な補正値を生成するべく実行可能な命令を含む1つ以上の機械可読媒体を記載する。命令により、1つ以上の処理デバイスは、機器のチャンネルに関連する静的非直線性を補正するべく使用される第1補正値を生成し、メモリの第1ルックアップテーブル(LUT)に第1補正値を格納し、機器のチャンネルに関連する動的非直線性を補正するべく使用される第2補正値を生成し、及び、メモリの第2LUTに第2補正値を格納することができる。機械可読媒体はまた、上記の又は下記の機能の1つ以上を含んでよい。
第1補正値は、静的非直線性によって発生する第1のN個の高調波を補正するべく使用してよい。第1補正値d(x)は以下を含んでよい。
Figure 0005260549
ここで、Hはn次高調波の振幅、θはn次高調波の位相、xはチャンネル内の信号のサンプル値、φは、高調波を生成する基本信号の位相である。基本信号の位相φがゼロの場合、第1補正値d(x)は以下を含んでよい。
Figure 0005260549
第1補正値はエイリアシング高調波を補正してよい。直接高調波が、サンプリングクロックの奇数のナイキスト領域で発生する場合、以下となる。
Figure 0005260549
ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fは信号に関連するナイキスト周波数に対応する。直接高調波が、サンプリングクロックの偶数のナイキスト領域で発生する場合、以下となる。
Figure 0005260549
ここで、fnalias=F/2−nfmod(F/2)である。
第2補正値は、動的非直線性によって発生する第1のN個の高調波を補正するべく使用してよい。第2補正値d(x)は以下を含んでよい。
Figure 0005260549
ここで、Hはn次高調波の振幅、θはn次高調波の位相、xはチャンネル内の信号のサンプル値、φは、高調波を生成する基本信号の位相である。基本信号の位相φがゼロの場合、第2補正値d(x)は以下を含んでよい。
Figure 0005260549
第2補正値は、エイリアシング高調波を補正し得る。直接高調波が、サンプリングクロックの奇数のナイキスト領域で発生する場合、以下となる。
Figure 0005260549
ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fは信号に関連するナイキスト周波数に対応する。直接高調波が、サンプリングクロックの偶数のナイキスト領域で発生する場合、
Figure 0005260549
ここで、fnalias=F/2−nfmod(F/2)である。
1つ以上の例の詳細が添付図面及び以下の説明に記載される。説明、図面及び請求項から、さらなる特徴、側面、利点が明らかになる。
デバイスを試験するためのATEのブロック図である。 ATEで使用されるテスタのブロック図である。 ATEのソースチャンネルのブロック図である。 ATEのキャプチャチャンネルのブロック図である。 図3A及び図3Bそれぞれのソースチャンネル及びキャプチャチャンネルの高調波ひずみを補償するべく使用されるルックアップテーブル(LUT)及び関連する回路のブロック図である。 高調波ひずみを有する信号を示すグラフである。 図4のLUTを使用した補正に従っての高調波ひずみ低減を示すグラフである。
図1を参照すると、半導体デバイスのような被試験デバイス(DUT)18を試験するためのシステム10は、自動試験装置(ATE)又は他の同等の試験デバイスのようなテスタ12を含む。テスタ12を制御するべく、システム10は、配線接続16を介してテスタ12のインタフェースをなすコンピュータシステム14を含む。典型的には、コンピュータシステム14は、DUT18を試験するためのルーチン及びファンクションの実行を開始するコマンドをテスタ12へ送信する。かかる試験ルーチンの実行は、試験信号の生成及びDUT18への送信並びにDUTからの応答の収集を開始してよい。システム10によって、様々なタイプのDUTを試験してよい。例えば、DUTは、集積回路(IC)チップ(例えば、メモリチップ、マイクロプロセッサ、アナログデジタルコンバータ、デジタルアナログコンバータ等)のような半導体デバイスであってよい。
試験信号を与えてDUTからの応答を収集するべく、テスタ12は、DUT18の内部回路のためのインタフェースをなす1つ以上のコネクタピンに接続される。所定のDUTを試験するべく、例えば64若しくは128(又はそれ以上)ものコネクタピンがテスタ12とのインタフェースとなってよい。この例では説明を目的として、半導体デバイステスタ12が、DUT18の1つのコネクタピンに配線接続を介して接続される。導体20(例えばケーブル)が、ピン22に接続されて、試験信号(例えば、PMU試験信号、PE試験信号等)をDUT18の内部回路へ送るべく使用される。導体20はまた、半導体デバイステスタ12が与える試験信号に応答する信号をピン22にて検知する。例えば、試験信号に応答して電圧信号又は電流信号がピン22にて検知されて、解析のためにテスタ12へ導体20を介して送信されてよい。かかる単一ポート試験はまた、DUT18に含まれる他のピンに対して行われてよい。例えば、テスタ12は他のピンへ試験信号を与え、(与えられた信号を送る)導体を介して反射されて戻る関連信号を収集する。反射信号を収集することによって、ピンの入力インピーダンスが、他の単一ポート試験量に伴って特徴付けられる。他の試験シナリオにおいては、デジタル値をDUTに格納するべく、デジタル信号が導体20を介してピン22へ送信されてよい。ひとたび格納されると、DUT18は、格納されたデジタル値を取得して導体20を介してテスタ12へ送信するべくアクセスされ得る。次に、適切な値がDUT18に格納されていたか否かを決定するべく、取得されたデジタル値が特定される。
単一ポート測定を行うこととともに、半導体デバイステスタ12によって2ポート試験も行うことができる。例えば、試験信号が導体20を介してピン22へ入射され、応答信号がDUT18の1つ以上のピンから収集され得る。この応答信号は、例えばゲイン応答、位相応答、及び他のスループット測定量のような量を決定するべく半導体デバイステスタ12へ与えられる。
図2を参照すると、試験信号を送信して単数又は複数のDUTの複数のコネクタピンから収集するべく、半導体デバイステスタ12は、複数のピンと通信可能なインタフェースカード24を含む。例えば、インタフェースカード24は、例えば32、64、又は128のピンへ試験信号を送信し、対応する応答を収集する。典型的には、ピンへの通信リンクの各々はチャンネルと称される。試験信号を多数のチャンネルに与えることにより複数の試験が同時に行われるので、試験時間が低減される。一のインタフェースカードに多数のチャンネルを有することに加えて、複数のインタフェースカードをテスタ12に含むことによりチャンネルの総数が増加するので、試験時間がさらに低減される。この例では、複数のインタフェースカードがテスタ12に装着できることを実証するべく2つの付加的なインタフェースカード26及び28が示される。
各インタフェースカードは、特定の試験ファンクションを実行するための集積回路(IC)チップ(例えば、特定用途向け集積回路(ASIC))を含む。例えば、インタフェースカード24は、パラメトリック測定ユニット(PMU)試験及びピンエレクトロニクス(PE)試験を行うためのICチップ30を含む。ICチップ30は、PMU試験を行うための回路を含むPMUステージ32と、PE試験を行うための回路を含むPEステージ34とを有する。さらに、インタフェースカード26及び28はそれぞれ、PMU回路及びPE回路を含むICチップ36及び38を備える。典型的には、PMU試験は、DC電圧又は電流信号をDUTに与え、入力及び出力インピーダンス、漏洩電流、及び他のタイプのDC性能特性のような量を決定することを含む。PE試験は、AC試験信号又は波形をDUT(例えばDUT18)に送信して応答を収集し、DUTの性能をさらに特徴付ける。例えば、ICチップ30は、DUTに格納されるバイナリ値のベクトルを表すAC試験信号を(DUTへ)送信する。かかるバイナリ値がひとたび格納されると、DUTはテスタ12によるアクセスを受けて、正しいバイナリ値が格納されているか否かが決定される。デジタル信号は典型的に急激な電圧遷移を含むので、ICチップ30上のPEステージ34の回路は、PMUステージ32の回路と比べて相対的に高速で動作する。
DC試験信号及びAC試験信号の双方をインタフェースカード24からDUT18へ通すべく、導電トレース40によりICチップ30は、信号がインタフェース基板24の内外へ通過できるインタフェース基板コネクタ42に接続される。インタフェース基板コネクタ42はまた、インタフェースコネクタ46に接続された導体44に接続される。インタフェースコネクタ46により、信号はテスタ12へ又はテスタ12から通過できる。この例では、テスタ12とDUT18のピン22との間の双方向信号通過を目的として、導体20はインタフェースコネクタ46に接続される。いくつかの構成では、1つ以上の導体をテスタ12からDUTまで接続するべくインタフェースデバイスが使用される。例えば、DUT(例えばDUT18)は、DUTピンのそれぞれにアクセスできるようにデバイスインタフェース基板(DIB)上に取り付けられる。かかる構成では、導体20は、DUTの適切な単数又は複数のピン(例えばピン22)に試験信号を送るべくDIBに接続される。
この例では、導電トレース40及び導体44のみがそれぞれ、ICチップ30及びインタフェース基板24に接続されて信号の送信及び収集が行われる。しかし、ICチップ30(ICチップ36及び38とともに)は典型的に複数のピン(例えば、8、16等)を有する。複数のピンはそれぞれ複数の導電トレース及び対応する導体に接続されて、信号が(DIBを介して)DUTへ送信及びDUTから収集される。さらに、いくつかの構成では、インタフェースカード24、26、及び28により与えられたチャンネルと単数又は複数の被試験デバイスとのインターフェースを与えるべく、テスタ12が2つ以上のDIBに接続される。
インタフェースカード24、26、及び28によって行われる試験を開始及び制御するべく、テスタ12は、試験信号を生成してDUT応答を解析するための試験パラメータ(例えば、試験信号電圧レベル、試験信号電流レベル、デジタル値等)を与えるPMU制御回路48及びPE制御回路50を含む。PMU制御回路及びPE制御回路は、1つ以上のプロセシングデバイスを使用して実装される。プロセシングデバイスの例には、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブルロジック(例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ)、及び/又はこれらの組み合わせが含まれるがこれらに限られない。テスタ12はまた、コンピュータインタフェース52を含む。コンピュータインタフェース52により、テスタ12により実行される動作をコンピュータシステム14が制御することが可能となり、さらに、テスタ12とコンピュータシステム14との間のデータ(例えば、試験パラメータ、DUT応答等)のやり取りが可能となる。
図3A及び図3Bはそれぞれ回路54及び55を示す。回路54及び55は、ATEのPEステージの一部であってよい。回路54は、ソースチャンネルの一部である。試験データをDUTへ与えるからである。回路55は、キャプチャチャンネルの一部である。試験データに応答して生成されたDUTからのデータを受信(又はキャプチャ)するからである。
ソースチャンネル回路54は、ソースメモリ56を含む。ソースメモリ56は、DUT57へ出力される試験信号を生成するべく使用されるデジタルデータを格納する。メモリシーケンサ59はデジタルデータを出力する。次に、ルックアップテーブル(LUT)60からの補正データがデジタルデータに適用される。LUT60は、メモリに格納される1つ以上のLUTを含む。LUT60はまた、図4を参照して以下に説明される関連回路も含む。補正データは、デジタルデータ中の高調波ひずみを(例えば以下に説明するDACによってそのひずみが導入される前に)補償するべく使用される。この実施例では、補正データがデジタルデータに付加される。しかし、他の実施例では、補正データとデジタルデータとを組み合わせるべく異なる方法が使用されてよい。補正されたデジタルデータは、デジタルアナログコントローラ(DAC)61に適用される。DAC61は、補正されたデジタルデータに対応するアナログ信号を生成する。ドライバ62(例えば増幅器)は、得られたアナログ信号をオプショナルフィルタバンク64へ出力する。この実施例では、フィルタバンクは切替可能フィルタバンクであってよい。切替可能フィルタバンクは、チャンネルの内部に又は外部へ切替が可能な1つ以上のフィルタ(例えばキャパシタ)を含んでよい。当該フィルタは、アナログ信号を減衰させて、チャンネルからの高調波ひずみを補償する。なお、切替可能フィルタバンク64が回路54に含まれる必要はない。
キャプチャチャンネル回路55は、DUT57からアナログ信号を受信して、これをオプショナルフィルタバンク65に適用する。フィルタバンク65は、上記タイプの切替可能フィルタバンクであってよく、ゲインをアナログ信号に適用してもよい。なお、切替可能フィルタバンク65が回路55に含まれる必要はない。ドライバ65は、アナログ信号をアナログデジタルコンバータ(ADC)67に与える。ADC67は、アナログ信号をデジタルデータに変換する。次に、LUT60からの補正データがデジタルデータに適用される。補正データは、デジタルデータ中の高調波ひずみを(例えば以下に説明するADCによってそのひずみが導入された後に)補償するべく使用される。LUT60及びその内容の説明は図4を参照して以下に与えられる。この実施例では、補正データがデジタルデータに付加される。しかし、他の実施例では、補正データとデジタルデータとを組み合わせるべく異なる方法が使用されてよい。補正されたデジタルデータはキャプチャメモリ69に適用される。キャプチャメモリ69からのデータはコントローラ70によって解析のために取得される。
高調波ひずみを引き起こし得るソースを以下に説明する。その後に、高調波ひずみ補正に使用するべくLUT60に格納される補正データを決定する処理を説明する。
非直線性に起因する高調波ひずみは、ACチャンネル信号経路の至る所で生成され得る。高調波ひずみのソースの例は以下のとおりであるがこれらに限られない。データコンバータ(例えばDAC又はADC)積分非直線性(INL)誤差;データコンバータ微分非直線性(DNL)誤差;チャンネルのフィルタ又はアナログ信号経路におけるパッシブ要素、例えば電圧依存容量C(V)、電圧依存抵抗R(V)、及び電流依存インダクタンスL(I)の非直線性;チャンネルの増幅器のスルーレート(slew−rate)制限;例えば非反転増幅器トポロジでの基板接合バラクタ効果のような、チャンネルのアクティブ回路の電圧依存容量;例えばパイプライン化又はサブレンジングADCのようなマルチパスデータコンバータアーキテクチャにおけるタイミング誤差;及びチャンネルの通過帯域中にエイリアシングを生じさせる高次高調波を生成し得るデジタル信号プロセッサ(DSP)符号拡張誤差である。
チャンネル内の非直線性のソースは、静的モード及び動的モードという2つの独立したモードに分けることができる。静的非直線性は、チャンネルの現在の状態(サンプル値)にのみ依存し、サンプル値の過去の時間履歴には依存しない。したがって、静的非直線性は「メモリレス」と称される。例えば、データコンバータに関連する抵抗値誤差が、現在のサンプルにのみ依存するINL誤差及びDNL誤差を生成する。なお、この場合の個々の抵抗は電圧又は電流に対して直線性であり得るが、データコンバータのスイッチアーキテクチャの場合にはそれでもなお非直線誤差を生成し得る。
動的非直線性は、チャンネルの現在のサンプル値及び当該チャンネルに対するサンプル値の過去の履歴の双方に依存する誤差を生成する。かかる誤差は、スルーレート制限増幅器において生じる。スルーレート制限増幅器においては、増幅器の出力誤差は、増幅器への信号入力の勾配に依存する。これは、増幅器の入力信号の過去の履歴に関する知識によってのみ計算することができる。非直線のC(V)又はL(I)特性に関する成分によって導入された誤差を補償するためにも、過去の履歴の知識が必要となる。これは、かかる成分によって導入された誤差が出力信号の位相シフトを含み得るからである。
例えば上記非直線性によって生じた高調波ひずみは、基本較正試験信号(例えば、LUT60に格納される誤差補正値を生成するべく使用される信号)と比べて周期的であり、システムのノイズフロアよりも上の有限数(N)の高調波を生成する。この高調波ひずみd(t)は、一般的なフーリエ級数を使用して以下のようにモデル化できる。
Figure 0005260549
ここで、tは時間であり、H及びθは、較正に使用すべくサンプリングかつ量子化された試験信号の高速フーリエ変換(FFT)処理により測定されたn次高調波の振幅及び位相である。
例えば式(1)のd(t)のような任意の信号を、以下のような偶関数と奇関数との直交重ね合わせに分離することができる。
Figure 0005260549
ここで、x(t)=1/2・[x(t)+x(−t)]であり、x(t)=1/2・[x(t)−x(−t)]である。
この結果得られた試験信号x(t)のフーリエ変換は、以下の重ね合わせを用いて記載することができる。
Figure 0005260549
ここで、X(ω)及びX(ω)は、X(ω)の実部及び虚部である。ここで説明される直線性補正プロセスで活用される実数値信号の有用な特性は、エルミート対称性である。すなわち、X(ω)及びX(ω)はそれぞれ、x(t)の偶関数部分及び奇関数部分のフーリエ変換と等価である。
三角関数の恒等性を使用して上記の式(1)を偶関数項及び奇関数項に拡張すると、高調波ひずみの一般的表現が以下のように得られる。
Figure 0005260549
静的非直線性は、基本較正信号の現在の振幅(例えばサンプル値)にのみ依存する誤差を生成するので、この非直線性が生成した誤差関数も基本較正信号と同じ対称性を有するはずである。基本較正信号に対して例えばゼロ位相の余弦のような偶関数を選択することにより必ず、静的非直線性は、FFTの実部に完全に反映されるひずみを生成することになる。この場合、静的非直線性のみ存在し、かつ、動的成分が全く存在しなければ、ひずみ信号は偶関数となり、FFTは完全に実値であり、及び、式(2)は以下のようにまとめられる。
Figure 0005260549
ここで、全てのnに対してθ=0,πである。
基本較正信号が偶関数であれば、FFTの虚部における任意のエネルギーは、高調波ひずみの奇関数成分の結果ということになる。高調波に対するこの奇関数成分は、基本較正信号に対して直交対称性を有するので、奇関数成分は、メモリを有する非直線性(すなわち動的非直線性)から生じたはずである。したがって、動的非直線性は、基本較正信号に対して直交対称性を有する誤差信号(高調波ひずみ)の成分を生成する。すなわち基本較正信号が余弦信号の場合は奇関数成分となる。
静的非直線性と動的非直線性とは分離して、信号処理理論とATE混合信号同期との組み合わせを使用して独立に測定することができる。較正器が、任意波形発生器(AWG)ソースにより生成された正弦波のピークにてATEキャプチャ機器をトリガするパターンを使用する場合、較正器は、フーリエ変換の対称性特性を活用してひずみ補償関数を決定することができる。この場合、キャプチャされた較正試験信号y(t)は以下のように、付加的な高調波ひずみd(t)を有するゼロ位相の余弦の形式となる。
Figure 0005260549
静的非直線性と動的非直線性との組み合わせによって得られる誤差信号(d(t))は、正弦関数と余弦関数の直交基底を使用したデジタル処理によって生成することができる。この基底の直交成分を生成するべくルックアップテーブル(LUT)メモリとともにヒルベルトフィルタを使用する一実施例を図4に示す。
具体的には、高調波ひずみ信号は周期的かつ実値であるから、高調波ひずみ信号は式(2)を使用して、正弦関数及び余弦関数の直交基底を有する一般的なフーリエ級数で表現することができる。したがって、2つのルックアップテーブル、すなわち基本信号によりアドレス指定される「I−LUT」及び90°位相シフトヒルベルトフィルタが生成する直交信号によりアドレス指定される平行「Q−LUT」を使用したデジタル処理によって、高調波ひずみ信号を再構築することができる。次に、再構築された高調波ひずみ信号は、デジタルアナログコンバータ(DAC)(ソースチャンネル用)への入力にプリディストーションを与えることにより又はADC出力(キャプチャチャンネル用)のポストコンバージョン補正によりチャンネル非直線性を補償するべく使用される。
図4を参照すると、x(t)の現在の値にのみ依存するメモリレス補正関数を実装する「同相」ルックアップテーブル(I−LUT)71を使用して静的非直線性が補償される(信号は補正されている)。動的非直線性は、広い周波数レンジにわたって実質的に一定の90°位相シフトの組み合わせを使用して補償され、メモリレス「直交」ルックアップテーブル(Q−LUT)74に渡される。図4に示すように、I−LUT71及びQ−LUT74の誤差補正データ出力は、加算器73を使用して組み合わせられて誤差d(t)が生成される。これは次に、入力信号から減算される。図4の構成は、図3bに示されるキャプチャチャンネルのLUT60に、及び、図3aに示されるソースチャンネルのLUT60に使用することができる。
個別のLUT(I−LUT71及びQ−LUT74)はそれぞれ、そのアドレスの多項式関数fLUTを以下のように実装する。
Figure 0005260549
この多項式は、メモリレス非直線性を記述する。この非直線性のn次の項は、正弦波入力x(t)に応答してn次高調波を生成する。
基本較正信号としてゼロ位相余弦信号を使用すると、I−LUTに格納される補正データは、較正信号FFTの実部から決定することができる。同様に、Q−LUTに格納される補正データは、較正信号FFTの虚部から決定することができる。I−LUTが現在のサンプル値(振幅)によってアドレス指定される場合、I−LUT補正データを決定することは、高調波ひずみを時間の関数から振幅の関数へマッピングすることを含む。I−LUTへの入力は、x(t)=cos(ω・t)で与えられる一次データストリームである。特定の振幅xに対しては、サンプルが(第1サイクル内で)発生した時刻が以下のように与えられる。
Figure 0005260549
ω −1・cos−1(x)を上述の式(3)のtに代入すると、以下の式が得られる。これは、I−LUT補正データを決定するべく使用される。
Figure 0005260549
Q−LUTは、x(t)の直交(約90°)位相シフトバージョンによってアドレス指定される。すなわち、
Figure 0005260549
Q−LUTの入力における特定のサンプル値に関連する時刻は以下の式によって定義される。
Figure 0005260549
ω −1・sin−1(x)を式(2)のtに代入することにより、Q−LUT補正データを決定するための以下の式が得られる。
Figure 0005260549
式(4)及び(5)は、ATE機器チャンネルの非直線性により生成される第1のN個の高調波を補正するべく使用される補正データを決定するための閉形式解を与える。MビットアドレスLUTに対するテーブルエントリを決定する処理は、2の値におけるx∈[−l,l]を量子化し、対応する誤差補正データを式(4)及び(5)を使用して決定する。なお、式(4)及び(5)は、高調波の振幅及び位相が、ゼロ位相余弦基本較正信号についてのFFT処理から得られる場合にのみ有効である。パターン制御ATE信号はゼロ位相余弦基本較正信号を近似するが、これを実際に完了するには多大な時間を要し、機器のアナログ信号経路を介する遅延のばらつきから生じる残余位相誤差が信号補正を制限し得る。基本較正信号に対して非ゼロ位相を許容することは、高調波の振幅及び位相を測定するべく使用される較正信号が以下の形式を有することを意味する。
Figure 0005260549
ここで、φは、基本較正信号の任意の非ゼロ位相である。この一般的なアプローチは、ATEの性能及び最終アプリケーションと整合する。この場合、コヒーレンスが正確な周波数比で行われ、典型的なFFT測定が基本信号位相に無関心となる。
φが非ゼロの場合、基本較正信号は、偶関数成分と奇関数成分との双方を含み、その結果、静的非直線性と動的非直線性との双方から混合対称性出力が得られる。H及びθを使用して補正データをルックアップテーブルに正しく取り込むには、動的直線性から得られる高調波位相残余、すなわち、φからの寄与が除かれたθの近くに直交基底を生成する必要がある。メモリレスの非直線システムを記述する多項式のn次の項が、x(t)に応答してn次高調波を生成し、x(t)の位相をn・φだけ回転することを考慮すると、機器チャンネルの高調波ひずみは以下のようにモデル化できる。
Figure 0005260549
上式を、正弦関数及び余弦関数の直交基底に拡張すると以下が得られる。
Figure 0005260549
チャンネルの非直線性が純粋に静的であれば、θ−nφ=0,π、かつ、上記正弦成分がゼロとなる。したがって、上記表現の余弦項のそれぞれは、基本信号に関して「同相」にある。すなわち、高調波項角度のそれぞれがnだけ回転する。これは、チャンネルの静的非直線性に対する、n次成分の期待応答である。対照的に、正弦項は、nだけの回転及び基本信号からの直交(すなわち約90°)位相シフトの双方を含む。
したがって、I−LUT誤差補正データは、I−LUTへの入力において時間領域から振幅領域へマッピングすることにより、以下のように同相ひずみから決定される。
Figure 0005260549
ω −1・(cos−1x−φ)をd(t)の「同相」項のtに代入すると、I−LUT誤差補正データを決定するための閉形式の式が以下のように得られる。
Figure 0005260549
サンプル値と、当該サンプルがQ−LUTへの入力において(第1サイクルで)発生した時刻との関係が以下に与えられる。
Figure 0005260549
ω −1・(sin−1x−φ)をd(t)の「直交」項のtに代入すると、Q−LUT誤差補正データを決定するための閉形式の式が以下のように与えられる。
Figure 0005260549
上述のように、MビットアドレスLUTに対するテーブルエントリを決定する処理は、2の値におけるx∈[−l,l]を量子化し、対応する誤差補正データを式(7)及び(8)を使用して決定する。なお、位相オフセットφがゼロの場合、式(7)及び(8)はそれぞれ式(4)及び(5)に帰着する。
例示的なATEにて使用されるデータコンバータの全てのサンプルに対してI−LUT及びQ−LUTの誤差補正値を決定する方法を以下に説明する。具体的には、使用の前に、ATEのソースチャンネル及びキャプチャチャンネルを通る信号のレンジに対してI−LUT及びQ−LUTの誤差補正値が決定される。次に、これらの誤差補正値はI−LUT及びQ−LUTに格納されて、ソースチャンネル及びキャプチャチャンネルを通る後続の信号を補正するべく使用される。I−LUT及びQ−LUTに格納される誤差補正値が決定される信号のレンジ(データコンバータのコード)を決定するべく、以下が使用される。
連続正弦波が、一様な確率でレンジ[0,2π]にわたりランダムにサンプリングされる場合、正弦波が値xを得る確率は以下で与えられる。
Figure 0005260549
ここで、Aは正弦波の振幅である。この分布は、ミッドスケールのx=0で最小値(π・A)−1となる、いわゆる「バスタブ」曲線形状を有する。
一例では、間隔[0,2π]で正弦波を一様にサンプリングするデータコンバータによってコードiが生成されてNビットに量子化される確率は、上記表現をコードiに対する振幅レンジにわたって積分することにより、以下の結果となるように与えられる。
Figure 0005260549
ここで、FSRは、量子化器の双極フルスケールレンジであり、Aは正弦波振幅である。正弦波振幅が、ゼロDC(直流)オフセットを備える量子化器のフルスケールレンジに整合する場合、最小確率出力コードiはミッドスケールで生じ、確率1/(π・2N−l)でi=2N−lとなる。したがって、ミッドスケールコードの発生確率は、量子化器レベルの数により減少する。
ロバスト較正を与えるには、コンバータのコードごとに測定処理を行うのが望ましい。「Nsamples」の数のサンプルを含むキャプチャにおけるコードヒットの期待数E(i)は以下で与えられる。
Figure 0005260549
最小確率ミッドスケールコードが確実に少なくとも1回はヒットするということは以下を意味する。
Figure 0005260549
したがって、高速Radix−2FFT16処理を使用するビットコンバータの較正には、少なくとも131,072のサンプルのキャプチャが必要となる。この制約は、全てのコンバータコードが確実にヒットするためには必要かもしれないが、サンプリング処理が試験波形のサイクルごとに同じサブセットのコードを生成することができる場合は十分でないかもしれない。これが生じないことを保証するべく、キャプチャウィンドウにおける試験波形のサイクルの整数が、Nsamplesに関して互いに素であり得る。
I−LUT及びQ−LUTにおける誤差補正データは、機器チャンネルの反射された又はエイリアシングされた高調波を補正するべく構成される。エイリアシングされた周波数成分を補償することは、非直線性のn次成分とアナログデータのサンプリングに使用されたクロックとの混合の結果生じるエイリアシング高調波を補正することを含む。かかるエイリアシングされた周波数成分を補償することには、高周波数信号のソース又はキャプチャの場合にATEのダイナミックレンジを改善させる可能性がある。
N次補正に対しては、キャプチャスペクトルにおいてNの高調波のそれぞれがどこで現れるかを予測することが必要となる。したがって、高調波nf(ここで、fは基本周波数である)のそれぞれに対して以下の処理が使用されて、N次高調波が生じる周波数(FFTビンの数)、並びにLUT誤差補正データ計算に使用される関連振幅及び位相が決定される。
以下に定義されるサンプリングクロックの奇数のナイキスト領域で高調波が生じる場合(ここで、mは奇数、Fはサンプルクロック周波数である)、
Figure 0005260549
エイリアシング高調波はオリジナル高調波の直接像(direct image)である。この場合、エイリアシング高調波の周波数は以下により与えられる。
Figure 0005260549
ここで、xmodyはx/yの余りである。H(fnalias)で示される、この複合エイリアシング周波数成分の振幅及び位相が式(7)及び(8)(又は(4)及び(5))において使用されて補正データが決定される。すなわち、式(7)及び(8)(又は(4)及び(5))は以下のようになる。
Figure 0005260549
高調波がサンプリングクロックの偶数のナイキスト領域で生じる場合、エイリアシング高調波はオリジナル高調波の鏡像であり、エイリアシング高調波の周波数は以下のように定義される。
Figure 0005260549
偶数のナイキスト領域の像が鏡像であれば、位相は共役であり、式(7)及び(8)(又は(4)及び(5))の高調波の振幅成分及び位相成分は以下のように定義される。
Figure 0005260549
クロックと混合した高調波は、チャンネル非直線性ではなく共役位相を生成するので、エイリアシング周波数成分の逆位相が使用される。したがって、混合効果に対処するべくエイリアシングスプリアス位相の共役が使用される。
上述のI−LUT及びQ−LUTにおける誤差補正データを使用しての、ATEチャンネルにおける高調波を低減するための試験の結果が以下に記載される。
図5Aは、以下の付加的ホワイトノイズを有する正弦波試験信号の例を示す。
Figure 0005260549
これが、以下の伝達関数を備える非直線システムを通過する。
Figure 0005260549
この例では、サンプルレートは300Msps(ミリオン・サンプル・パー・セカンド)である。絶対値不連続性及びその固有の対称性が与えられれば、非直線性により、偶数及び奇数双方の高次高調波が生成される。I−LUT及びQ−LUT誤差補正データを使用する上述の補正処理により、直接及び反射双方の高調波が図5Bに示されるように低減される。すなわち、図5Bは、結果として得られた補償出力のFFTを示す。そのダイナミックレンジが30dB改善している。
高調波誤差補正データを決定、格納、及び/又は使用する上述の処理、並びにその様々な修正及びここに記載された関連処理(以下「処理」)は、上述のハードウェア及びソフトウェアに限られない。処理の全て又は一部は、コンピュータプログラム製品、すなわち1つ以上の機械可読媒体又は伝播信号のような情報キャリアに具体化されるコンピュータプログラムを介して少なくとも部分的に実施することができる。コンピュータプログラムは、例えばプログラマブルプロセッサ、1つのコンピュータ、複数のコンピュータ、及び/又はプログラマブルロジック要素のような1つ以上のデータ処理装置により実行されるか又はその動作を制御する。
コンピュータプログラムは、コンパイラ型又はインタプリタ型言語を含む任意の形態のプログラミング言語で記述することができる。コンピュータプログラムは、スタンドアローン形態、又は、コンピューティング環境での使用に適したモジュール、コンポーネント、サブルーチン、若しくはその他のユニット形態を含む任意の形態でディプロイすることができる。コンピュータプログラムは、1つのコンピュータ、又は、1つのサイトにおける若しくは複数のサイトにわたり分散されてネットワークにより相互接続された複数のコンピュータで実行するべくディプロイすることができる。
処理の全て又は一部の実行に関連するアクションは、較正処理のファンクションを遂行するべく1つ以上のコンピュータプログラムを実行する1つ以上のプログラマブルプロセッサによって実行され得る。処理の全て又は一部は、例えばFPGA(フィールドプログラマブルゲートアレイ)及び/又はASIC(アプリケーション・スペシフィック集積回路)のような専用ロジック回路として実装することができる。
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサは例えば、汎用及び専用双方のマイクロプロセッサ並びに任意の種類のデジタルコンピュータの任意の1つ以上のプロセッサを含む。一般には、プロセッサは、リードオンリーメモリ若しくはランダムアクセスメモリ又はこれら双方から命令及びデータを受け取る。コンピュータ要素は、命令を実行するためのプロセッサ並びに命令及びデータを格納するための1つ以上のメモリデバイスを含む。
ここに記載する処理は、半導体回路の製品試験に使用されるATE機器のコンテキストで説明される。しかし、処理はこのコンテキストに限られない。むしろ、処理は、ベンチ(ラックマウント)機器のような、その他のハードウェア構成に対しても適用可能である。例えば、信号発生器又はスペクトルアナライザ機器に直線性補正ハードウェア/ソフトウェアが組み込まれて、そのダイナミックレンジを(例えば機器チャンネルの高調波ひずみを低減することによって)改善する処理を使用して較正されてよい。
処理のその他のアプリケーションがデータコンバータ集積回路(IC)にて行われてもよい。例えば、ヒルベルトフィルタを、I−LUT及びQ−LUTを実装する不揮発性メモリとともにデータコンバータICに組み込んで、かかるICのダイナミックレンジを改善するべく処理を実行するために使用してよい。
ここに記載された異なる実施例の要素を組み合わせて、具体的に上述されていない他の実施例を構成してもよい。ここに具体的に記載されていない他の実施例もまた以下の請求項の範囲内にある。

Claims (19)

  1. 装置であって、
    前記装置のチャンネルに信号を通過させる回路と、
    前記チャンネルに関連する静的非直線性を補正するべく使用される第1補正値を前記信号の第1変形に基づいて与える第1組の係数、及び、前記チャンネルに関連する動的非直線性を補正するべく使用される第2補正値を前記信号の第2変形に基づいて与える第2組の係数を格納するメモリと、
    前記チャンネルからの高調波ひずみを補償するべく前記第1補正値、前記第2補正値、及び前記信号を使用するデジタル信号処理ロジックと
    を含む装置。
  2. 前記信号の前記第2変形を生成するべく前記信号の位相をシフトさせる位相シフト回路をさらに含む、請求項1に記載の装置。
  3. 前記位相シフト回路はヒルベルトフィルタを含み、シフトさせることは前記信号の位相を約90°シフトさせることを含む、請求項2に記載の装置。
  4. 前記回路、前記メモリ、及び前記ロジックは、被試験デバイス(DUT)から信号を受信するための、自動試験装置(ATE)のキャプチャチャンネルの一部を含む、請求項1に記載の装置。
  5. 前記回路、前記メモリ、及び前記ロジックは、被試験デバイス(DUT)へ信号を与えるための、自動試験装置(ATE)のソースチャンネルの一部を含む、請求項1に記載の装置。
  6. 前記第1LUTは、前記静的非直線性によって生じる第1のN個の高調波を補正するべく使用される複数の第1補正値を含み、前記複数の第1補正値d(x)は以下を含み、
    Figure 0005260549
    ここで、Hはn次高調波の振幅、θはn次高調波の位相、xは前記チャンネル内の信号のサンプル値、φは、高調波を生成する基本信号の位相である、請求項1に記載の装置。
  7. 前記複数の第1補正値は、エイリアシング高調波を補正する、請求項6に記載の装置。
  8. Figure 0005260549
    ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fは前記チャンネルのサンプリングクロック周波数に対応する、請求項7に記載の装置。
  9. Figure 0005260549
    ここで、fnalias=F/2−nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fは前記チャンネルのサンプリングクロック周波数に対応する、請求項7に記載の装置。
  10. 前記第2補正値は、エイリアシング高調波を補正する、請求項に記載の装置。
  11. Figure 0005260549
    ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはサンプリングクロック周波数に対応する、請求項10に記載の装置。
  12. Figure 0005260549
    ここで、fnalias=F/2−nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはサンプリングクロック周波数に対応する、請求項10に記載の装置。
  13. 前記チャンネルからの高調波ひずみを補償するべく前記チャンネルの内部に又は外部への切替が可能な1つ以上のフィルタを含む切替可能フィルタバンクを前記チャンネル内にさらに含む、請求項1に記載の装置。
  14. 前記ロジックは、前記第1補正値と前記第2補正値とを組み合わせて和を算出し、前記信号から前記和を減算して前記高調波ひずみを低減する回路を含む、請求項1に記載の装置。
  15. 自動試験装置(ATE)、データコンバータ回路、信号発生器、及びスペクトルアナライザの1つを含む、請求項1に記載の装置。
  16. 機器のチャンネル内の高調波ひずみを補償するべく使用可能な補正値を生成するべく実行可能な命令を含む1つ以上の機械可読媒体であって、
    前記命令は1つ以上の処理デバイスに、
    前記機器の前記チャンネルに関連する静的非直線性を補正するべく使用される第1補正値を生成することと、
    前記第1補正値をメモリの第1ルックアップテーブル(LUT)に格納することと、
    前記機器の前記チャンネルに関連する動的非直線性を補正するべく使用される第2補正値を生成することと、
    前記第2補正値をメモリの第2LUTに格納することと
    を行わせる1つ以上の機械可読媒体。
  17. 前記第1補正値は、前記静的非直線性によって生じる第1のN個の高調波を補正するべく使用され、前記第1補正値d(x)は以下を含み、
    Figure 0005260549
    ここで、Hはn次高調波の振幅、θはn次高調波の位相、xは前記チャンネル内の信号のサンプル値、φは、高調波を生成する基本信号の位相であり、
    前記基本信号の位相φがゼロの場合、前記第1補正値d(x)は、
    Figure 0005260549
    を含む、請求項16に記載の1つ以上の機械可読媒体。
  18. 前記第1補正値は、エイリアシング高調波を補正するべく構成され、サンプリングクロックの奇数ナイキスト領域に直接高調波が生じた場合、
    Figure 0005260549
    であり、ここで、fnalias=nfmod(F/2)であり、nfはn次直接高調波に対応し、Fはサンプリングクロック周波数に対応し、
    前記直接高調波が前記サンプリングクロックの偶数ナイキスト領域に生じた場合、
    Figure 0005260549
    であり、ここで、fnalias=F/2−nfmod(F/2)である、請求項17に記載の1つ以上の機械可読媒体。
  19. 前記第2補正値は、エイリアシング高調波を補正するべく構成され、請求項16に記載の1つ以上の機械可読媒体。
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