TWI448086B - 在儀器頻道中之諧波失真補償 - Google Patents

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Description

在儀器頻道中之諧波失真補償
本專利申請案大體上係關於在測試與測量儀器(例如自動測試設備(ATE))中之諧波失真補償。
自動測試設備(ATE)係指一種用於測試裝置(例如半導體、電子電路、以及印刷電路板組件)的自動系統(通常係由電腦來驅動)。要利用ATE來測試的裝置則稱為待測裝置(DUT)。
ATE通常包含一電腦系統以及具有對應功能的一測試裝置或是單一裝置。ATE能夠透過其來源頻道來提供信號給一DUT。捕捉頻道會從該DUT處接收信號並且會向前傳送該些信號以進行處理，用以判斷該DUT是否符合測試驗證條件。
諧波失真會嚴重地限制現代ATE儀器的動態範圍。音頻系統、視訊系統、通信系統、以及無線系統全部對於諧波失真都非常敏感，這在市售裝置的總諧波失真(THD)、無雜波動態範圍(SFDR)、以及鄰近頻道功率比(ACPR)等規格中會非常明顯。在從音頻至超高頻(VHF)的頻率頻譜中，儀器失真位準通常會比無諧波雜波信號高出10個分貝以上。ATE使用者通常會判斷出裝置生產測試的AC(交流電)線性的受限於其ATE儀器的功能，尤其是諧波失真。
本專利申請案說明用以降低一裝置(其包含，但並不受限於ATE)的一儀器頻道之中的諧波失真的方法與設備，其包含電腦程式產品。
一般來說，本專利申請案所說明的設備係由下面所組成：電路系統，其會被配置成用以在該設備的一頻道中傳送信號；以及記憶體，其會被配置成用以儲存一第一查找表(LUT)以及一第二LUT。該第一LUT會被配置成用以依據該信號的第一種型式來提供一第一修正值，其中，該第一修正值係用來修正和該頻道相關聯的靜態非線性性質。該第二LUT會被配置成用以依據該信號的第二種型式來提供一第二修正值，其中，該第二修正值係用來修正和該頻道相關聯的動態非線性性質。數位信號處理邏輯會被配置成用以使用該第一修正值、該第二修正值、以及該信號來補償來自該頻道的諧波失真。該設備可能還包括一或多個下面特點。
該設備可能包含一相位位移電路，用以移動該信號的相位以便產生該信號的第二種型式。該相位位移電路可能包括一希爾伯特(Hilbert)濾波器，而移動則可能包括將該信號的相位移動約90∘。該電路系統、該記憶體、以及該邏輯可能包括自動測試設備(ATE)的一捕捉頻道的部件。該捕捉頻道可用來從一待測裝置(DUT)處接收信號。該電路系統、該記憶體、以及該邏輯可能包括該ATE的一來源頻道的部件。該來源頻道可用來提供信號給該DUT。
該第一LUT可能包括複數個第一修正值，它們係用來修正因靜態非線性性質所造成的一第一N次諧波。該等複數個第一修正值d1 (x)可能包括： 其中，Hn 為第n個諧波的大小，θn 為第n個諧波的相位，x為該頻道中一信號的取樣值，而ψ為會產生諧波的基頻信號的相位。該等複數個第一修正值可能會被配置成用以修正鋸齒諧波。再者，H n =∣H (f nalias )∣, θ n =∠H (f nalias )其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。或者，H n =∣H (f nalias )∣ θ n =-∠H (f nalias )其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。
該第二LUT可能包括複數個第二修正值，它們係用來修正因動態非線性性質所造成的一第一N次諧波。該等複 數個第二修正值dQ (x)可能包括： 其中，Hn 為第n個諧波的大小，θn 為第n個諧波的相位，x為該頻道中一信號的取樣值，而ψ為會產生諧波的基頻信號的相位。該等第二修正值可能會被配置成用以修正鋸齒諧波。再者，H n =∣H (f nalias )∣ θ n =∠H (f nalias )其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。或者，H n =∣H (f nalias )∣ θ n =-∠H (f nalias )其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。
該設備可能包括該頻道中的一可切換的濾波器群。該可切換的濾波器群可能包括一或多個濾波器，它們可被切換至該頻道之中或是被切換至該頻道之外。該等一或多個濾波器可能會被配置成用以補償來自該頻道的諧波失真。該邏輯可能包括用以組合該第一修正值與該第二修正值的 電路系統，用以產生一總和，並且用以從該信號中扣除該總和，從而降低該諧波失真。該設備可能係下面其中一者：自動測試設備(ATE)、資料轉換器電路、信號產生器、以及頻譜分析器。
一般來說，本專利申請案還說明一或多種機器可讀取的媒體，其包括可執行的複數個指令，用以產生可用來補償一儀器之頻道中之諧波失真的修正值。該等指令係用來讓一或多個處理裝置進行下面作業：產生複數個第一修正值，以便修正和該儀器之頻道相關聯的靜態非線性性質；將該等第一修正值儲存在記憶體中的一第一查找表(LUT)之中；產生複數個第二修正值，以便修正和該儀器之頻道相關聯的動態非線性性質；以及將該等第二修正值儲存在記憶體中的一第二LUT之中。該(等)機器可讀取的媒體可能還包括前述或下面特點中一或多者。
該等第一修正值可用來修正因靜態非線性性質所造成的一第一N次諧波。該等第一修正值d1 (x)可能包括： 其中，Hn 為第n個諧波的大小，θn 為第n個諧波的相位，x為該頻道中一信號的取樣值，而ψ為會產生諧波的基頻信號的相位。當該基頻信號的相位ψ為零時，該等第一修正值d1 (x)便可能包括：
該等第一修正值可能會被配置成用以修正鋸齒諧波。倘若在一取樣時脈的奇數尼奎斯(Nyquist)帶之中出現一直流諧波的話，那麼，H n =∣H (f nalias )∣, θ n =∠H (f nalias )其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於和該信號相關聯的尼奎斯頻率。倘若在該取樣時脈的偶數尼奎斯(Nyquist)帶之中出現該直流諧波的話，那麼，H n =∣H (f nalias )∣ θ n =-∠H (f nalias )其中，。
該等第二修正值可用來修正因動態非線性性質所造成的一第一N次諧波。該等複數個第二修正值dQ (x)可能包括： 其中，Hn 為第n個諧波的大小，θn 為第n個諧波的相位， x為該頻道中一信號的取樣值，而ψ為會產生諧波的基頻信號的相位。當該基頻信號的相位ψ為零時，該等第二修正值dQ (x)便可能包括：
該等第二修正值可能會被配置成用以修正鋸齒諧波。倘若在一取樣時脈的奇數尼奎斯帶之中出現一直流諧波的話，那麼，H n =∣H (f nalias )∣ θ n =∠H (f nalias )其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於和該信號相關聯的尼奎斯頻率。倘若在該取樣時脈的偶數尼奎斯帶之中出現該直流諧波的話，那麼，H n =∣H (f nalias )∣ θ n =-∠H (f nalias )其中，。
在附圖以及下文說明中會提出一或多個範例的細節。從下面的說明、圖式、以及申請專利範圍中便可明白進一步的特點、觀點、以及優點。
現在參考圖1，一用於測試一待測裝置(DUT)18(例如半導體裝置)的系統10包含一測試器12，例如自動測試設備(ATE)或其它雷同的測試裝置。為控制測試器12，系統10包含一電腦系統14，其會在一硬線連接線16上方來介接測試器12。一般來說，電腦系統14會傳送命令至測試器12，該等命令會啟動執行用於測試DUT 18的標準程序與功能。此等執行測試標準程序可能會啟動產生且傳送測試信號給該DUT 18並且會收集來自該DUT的響應。系統10可以測試各種類型的DUT。舉例來說，DUT可能係半導體裝置，例如積體電路(IC)晶片(舉例來說，記憶體晶片、微處理器、類比至數位轉換器、數位至類比轉換器、…等)。
為提供測試信號且收集來自該DUT的響應，測試器12會被連接至一或多根連接器接針，它們會為DUT 18的內部電路系統提供一介面。為測試特定的DUT，舉例來說，可能需要將高達六十四根或一百二十八根連接器接針(甚至更多)介接至測試器12。為達解釋的目的，於此硬線連接線中，會透過一硬線連接線將半導體裝置測試器12連接至DUT 18的一或多根連接器接針。一導體20(舉例來說，纜線)會被連接至接針22並且會被用來傳送測試信號(舉例來說，PMU測試信號、PE測試信號、…等)給DUT 18的內部電路系統。導體20還會響應於半導體裝置測試器12所提供的該等測試信號來感測接針22處的信號。舉例來 說，可以響應於一測試信號來感測接針22處的電壓信號或電流信號並且可在導體20上方將該電壓信號或電流信號傳送至測試器12用以進行分析。此等單埠測試亦可在內含於DUT 18之中的其它接針之上來實施。舉例來說，測試器12可能會提供測試信號給其它接針並且在(用來傳送所提供之信號的)導體上收集被反射回來的相關聯信號。藉由收集該等反射信號，便可以連同其它單埠測試量來特徵化該等接針的輸入阻抗。於其它的測試場合中，可以在導體20上方將一數位信號發送給接針22，用以在DUT 18上儲存一數位值。一但被儲存之後，便可以接取DUT 18，用以在導體20上方擷取該已儲存的數位值並且將其發送給測試器12。接著，便可以確認該經擷取的數位值用以判斷是否在DUT 18上儲存正確的數值。
配合實施單埠測量，半導體裝置測試器12亦可同時實施雙埠測試。舉例來說，可以在導體20上將一測試信號注入接針22之中並且可以從DUT 18的一或多根其它接針處收集一響應信號。此響應信號會被送至半導體裝置測試器12用以決定各種測試量，例如增益響應、相位響應、以及其它處理測量量。
同樣參考圖2，為發送並且收集來自一DUT(或是多個DUT)的多根連接器接針的測試信號，半導體裝置測試器12包含一介面卡24，其能夠與眾多接針進行通信。舉例來說，介面卡24可能會傳送測試信號給32根、64根、或128根接針並且收集對應的響應。與一接針相連的每一條鏈路通 常會被稱為一頻道，且藉由提供測試信號給大量的頻道便能夠縮短測試時間，因為可以同時實施多個測試。配合該介面卡上的眾多頻道，藉由於測試器12中納入多個介面卡便可以提高頻道的總數量，從而會進一步縮短測試時間。於本範例中顯示出兩個額外的介面卡26與28，用以表達有多個介面卡可能駐存在測試器12中。
每一個介面卡均包含一專屬的積體電路(IC)晶片(舉例來說，一特定應用積體電路(ASIC))，用以實施特殊的測試功能。舉例來說，介面卡24包含IC晶片30，用以實施參數測量單元(PMU)測量以及接針電子電路(PE)測試。IC晶片30具有一PMU級32，其包含用以實施PMU測試的電路系統；以及一PE級34，其包含用以實施PE測試的電路系統。除此之外，介面卡26與28分別包含IC晶片36與38，它們包含PMU與PE電路系統。一般來說，PMU測試包含提供一DC電壓或電流信號給該DUT，用以決定輸入與輸出阻抗、漏電流、以及其它類型的DC效能特徵等測試量。PE測試包含發送AC測試信號或波形給一DUT(舉例來說，DUT 18)並且收集響應，用以進一步特徵化該DUT的效能。舉例來說，IC晶片30可能會傳送AC測試信號(給該DUT)，其係代表一要儲存在該DUT上的二元值向量。一旦已經儲存該些二元值之後，測試器12便可能會接取該DUT，用以判斷是否已經儲存該等正確的二元值。因為數位信號通常包含急劇的電壓轉變，所以，相較於PMU級32之中的電路系統，IC晶片30上的PE級34 之中的電路系統會運作在比較高的速度處。
為從介面卡24傳送DC測試信號與AC測試信號兩者給DUT 18，一導電線路40會將IC晶片30連接至介面板連接器42，其允許在介面板24上傳送信號或是將信號傳送遠離介面板24。介面板連接器42還會被連接至一導體44，該導體44會被連接至一介面連接器46，其可將信號傳送至測試器12或是從測試器12處傳送信號。於本範例中，導體20會被連接至介面連接器46，用以在測試器12與DUT 18的接針22之間進行雙向信號傳送。在特定的配置中，可以使用一介面裝置來將一或多個導體從測試器12連接至該DUT。舉例來說，該DUT(DUT 18)可能會被安置在一裝置介面板(DIB)之上，用以接取每一根DUT接針。於此配置中，導體20可能會被連接至該DIB，用以將測試信號放置在該DUT的正確接針(舉例來說，接針22)上。
於本範例中，僅有導電線路40與導體44會分別連接IC晶片30與介面板24，用以傳遞與收集信號。不過，IC晶片30(連同IC晶片36與38)通常具有多根接針(舉例來說，八根、十六根、…等)，它們會分別與多條導電線路及對應的導體相連，用提供且從該DUT處(透過一DIB)收集信號。除此之外，在特定的配置中，測試器12還可能會連接二或多個DIB，用以將介面卡24、26、以及28所提供的頻道介接至一或多個待測裝置。
為啟動與控制介面卡24、26、以及28所實施的測試，測試器12包含PMU控制電路系統48與PE控制電路系統 50，用以提供測試參數(舉例來說，測試信號電壓位準、測試信號電流位準、數位數值、…等)來產生測試信號並且分析DUT響應。可以使用一或多個處理裝置來施行該PMU控制電路系統與PE控制電路系統。處理裝置範例包含，但並不受限於：微處理器、微控制器、可程式邏輯(舉例來說，可場程式化閘陣列)、及/或前述的(複數)組合。測試器12還包含一電腦介面52，其可讓電腦系統14來控制測試器12所執行的作業並且還可讓資料(舉例來說，測試參數、DUT響應、…等)在測試器12與電腦系統14之間進行傳導。
圖3a與3b所示的係代表性電路系統54與55。電路系統54與55可能係ATE的PE級的一部份。電路系統54係一來源頻道的一部份，因為其會提供測試資料給一DUT。電路系統55係一捕捉頻道的一部份，因為其會接收(或捕捉)來自該DUT因響應於該測試資料而產生的資料。
來源頻道電路系統54包含一來源記憶體56，其會儲存用以產生要輸出至DUT 57之測試信號的數位資料。記憶體定序器59會輸出該數位資料。接著便會將來自查找表(LUT)60的修正資料套用至該數位資料。LUT 60包含被儲存在記憶體之中的一或多個LUT，並且還包含相關聯的電路系統，下文將參考圖4作說明。該修正資料係在引入(舉例來說，因下文所述的DAC)諧波失真之前用來補償該數位資料中的該諧波失真。於此施行方式中，該修正資料會被加入該數位資料之中；不過，其它的施行方式則可能會使用不同的方式來組合該修正資料與該數位資料。該經修 正的數位資料會被送至數位至類比控制器(DAC)61，其會產生對應於該經修正數位資料的類比信號。驅動器62(舉例來說，放大器)會將所生成的類比信號輸出至一選配的濾波器群64。於此施行方式中，該濾波器群可能係一可切換的濾波器群。該可切換的濾波器群可能包含一或多個濾波器(舉例來說，電容器)，它們可切換至該頻道之中或是切換至該頻道之外，並且可被配置成用以衰減類比信號並且補償來自該頻道的諧波失真。請注意，可切換的濾波器群64並未必要被納入電路系統54之中。
捕捉頻道電路系統55會接收來自DUT 57的類比信號，並且會將它們送至選配的濾波器群65。濾波器群65可能具有上述類型的可切換濾波器群，並且可能會為類比信號套加一增益。請注意，可切換的濾波器群65並未必要被納入電路系統55之中。驅動器66會提供該等類比信號至類比至數位轉換器(ADC)67。ADC 67會將該等類比信號轉換成數位資料。接著便會將來自LUT 60的修正資料套用至該數位資料。該修正資料係在引入(舉例來說，因該ADC)諧波失真之後用來補償該數位資料中的該諧波失真，其說明如下。下文將配合圖4來說明LUT 60及它們的內容。於此施行方式中，該修正資料會被加入該數位資料之中；不過，其它的施行方式則可能會使用不同的方式來組合該修正資料與該數位資料。該經修正的數位資料會被送至捕捉記憶體69，控制器70可從該記憶體處擷取以進行分析。
下文將提出可能的諧波失真來源的說明，接著便會說明用以決定要被儲存在LUT 60之中的修正資料以便用來修正諧波失真的處理。
因非線性性質所造成的諧波失真可能會產生在一AC頻道信號路徑中的任何地方。諧波失真的來源的範例包含，但並不受限於下面：資料轉換器(舉例來說，DAC或ADC)積分非線性(INL)誤差；資料轉換器微分非線性(DNL)誤差；濾波器或該頻道的類比信號路徑中的被動組件非線性性質，舉例來說，電壓相依電容C(V)，電壓相依電阻R(V)，以及電流相依電感L(I)；該頻道中的放大器的偏斜速率限制；該頻道的主動電路中的電壓相依電容，例如非反向放大器拓樸中的基板接面變容二極體(Varactor)效應；多次傳輸資料轉換器架構中的時序誤差，例如管線式或次分程ADC；以及數位信號處理器(DSP)記號擴充誤差，其可能會產生可能會混疊至該頻道的導通帶之中的高階諧波。
該頻道中的非線性來源可能會分成兩種獨立的模式：靜態與動態。靜態非線性性質僅相依於該頻道的電流狀態(取樣值)，而不會相依於取樣值的前一個時間歷史資料。結果，靜態非線性性質便會被稱為「無記憶」。舉例來說，在一資料轉換器的參考值中的電阻器值誤差便會產生僅相依於電流取樣的INL誤差與DNL誤差。請注意，在該資料轉換器的切換式架構假設下，於此情況中的個別電阻器相對於電壓或電流可能為線性且仍會產生非線性誤差。
動態非線性性質則會產生相依於該頻道的電流取樣值及該頻道的取樣值的過去歷史資料兩者的誤差。其中一種此類誤差會出現在偏斜速率限制放大器中。在偏斜速率限制放大器中，一放大器的輸出誤差會與該放大器的輸入信號的斜率具有函數關係，該斜率可能僅能夠利用該放大器的輸入信號的過去歷史資料來算出。利用非線性的C(V)或L(I)特徵曲線來補償組件所引入的誤差還必須知道過去歷史資料，因為此等組件所引入的(複數)誤差可能包含該輸出信號的相位移。
舉例來說，上面所述的非線性性質所產生的諧波失真相對於一基頻校正測試信號(舉例來說，一用來產生要儲存在LUT 60之中的誤差修正值的信號)係週期性的，並且會在該系統的雜訊電平之上產生有限數量(N個)的諧波。此諧波失真d(t)可以使用下面通用的傅立葉級數展開式來模擬： 其中，t係指時間，而Hn 與θn 則為對一要用於校正之經過取樣與量化的測試信號進行傅立葉轉換(FFT)處理之後所測得的第n個諧波的大小與相位。
任何的信號(例如公式(1)中的d(t))均可被分成一偶函數與一奇函數的正交疊加，其公式如下：x (t )=x E (t )+x O (t ),∣其中，
所生成的測試信號x(t)的傅立葉轉換可改寫成下面的疊加式：X t (ω)=X R (ω)+j ．X I (ω)其中，XR (ω)與XI (ω)為X(ω)的實部與虛部。實數值信號運用在本文所述之線性修正過程中的一實用特性係具有漢彌頓(Hermitian)對稱，也就是，XR (ω)與XI (ω)分別等效於x(t)的偶數部與奇數部的傅立葉轉換。
使用三角幾何等式來將上面的公式(1)展開成偶數項與奇數項會產生下面的常見的諧波失真表示式：
因為靜態非線性性質所產生的誤差僅相依於基頻校正信號的電流大小(舉例來說，取樣值)，所以，此非線性性質所產生的誤差函數必須具有和該基頻校正信號相同的對稱性。為該基頻校正信號選擇一偶函數(例如零相位的餘弦)以確保該靜態非線性性質所產生的失真會完全反映在該FFT的實數部之中。於此情況中，利用純靜態非線性性質且沒有任何動態分量，該已失真的信號便會係一偶函數，該FFT會係完全實數，且公式(2)會簡化成 其中，對所有的n來說，θn =0、π。
倘若該基頻校正信號為偶數的話，那麼該FFT的虛數部中的任何能量均會係該諧波失真中奇數分量的結果。因為該諧波的此奇數分量會正交對稱於該基頻校正信號，所以，該奇數分量必須係源自具有記憶的非線性性質(也就是，動態非線性性質)。因此，動態非線性性質會產生正交對稱於該基頻校正信號的誤差信號(諧波失真)的分量，也就是，倘若該基頻校正信號為餘弦信號的話便會係奇數。
使用信號處理理論與ATE混合信號同步化之組合便可以獨立地分離與測量靜態與動態非線性性質。倘若一校正器使用一圖案在一隨意波形產生器(AWG)源所產生的正弦的尖峰處來觸發一ATE捕捉儀器的話，那麼，該校正器便能夠運用該傅立葉轉換的對稱特性來決定一失真補償函數。於此情況中，該經捕捉的校正測試信號，y(t)，會具有含附加諧波失真d(t)的零相位餘弦形式，因此：y (t )=cos(ω．t )+d (t )
使用正弦函數與餘弦函數的正交基底便可以數位方式來產生靜態非線性性質與動態非線性性質之組合所產生的誤差信號(d(t))。圖4中所示的係使用一希爾伯特濾波器配 合查找表(LUT)記憶體來產生此基底的正交分量的其中一種施行方式。更明確地說，因為該諧波失真信號係週期性且為實數，所以，利用公式(2)便可以一具有正弦函數與餘弦函數之正交基底的通用傅立葉及數來表示該諧波失真信號。因此，可以使用下面兩個查找表以數位的方式來重建該諧波失真信號：一利用基頻信號來解出的「I-LUT」以及一利用90∘相位移希爾伯特濾波器所產生的正交信號來解出的平行「Q-LUT」。接著，藉由前置扭曲一(用於來源頻道的)數位至類比轉換器(DAC)的輸入或是利用一(用於捕捉頻道的)ADC輸出的後置轉換修正，便可以使用該經重建的諧波失真信號來補償該頻道非線性性質。
現在參考圖4，可以使用一「同相」查找表(I-LUT)71來補償靜態非線性性質，用以施行一僅會相依於x(t)(其為要被修正的信號)之電流值的無記憶修正函數。結合使用一90∘相位移(其在寬廣的頻率範圍中實質上係恆定的)接著使用一無記憶「正交」查找表(Q-LUT)74便可以補償動態非線性性質。如圖4中所示，I-LUT 71與Q-LUT 74的誤差修正資料輸出會使用一加法器73來結合，用以產生誤差，d(t)，接著，便會從該輸入信號中將其扣除。圖4的配置可用於圖3b中所示之捕捉頻道中的LUT 60以及用於圖3a中所示之來源頻道中的LUT 60。
每一個個別的LUT(I-LUT 71與Q-LUT 74)均會施行其位址的一多項式函數fLUT ，其定義如下： 此多項式係描述一種無記憶非線性性質。此非線性性質的第n項會響應於一正弦輸入x(t)來源頻道產生一n次諧波。
使用該基頻校正信號的零相位餘弦信號，便可以從該校正信號FFT的實數部中來決定要儲存在該I-LUT之中的修正資料，同樣地，從該校正信號FFT的虛數部中便可以決定要儲存在該Q-LUT之中的修正資料。決定該I-LUT修正資料包含將該諧波失真從時間函數映射至振幅函數，其假設為利用電流取樣值(振幅)來解出該I-LUT。該I-LUT的輸入係由x(t)=cos(ω0 ．t)所給定的主資料串。對x的一特殊振幅來說，係由下面公式來給定該取樣出現(於第一循環內)的時間：
以取代上面公式(3)中的變數t便會產生下面的公式，其可用來決定該I-LUT修正資料：
該Q-LUT係利用x(t)的正交(約90∘)相位移形式來解出，換言之：
和該Q-LUT的輸入處的一特殊取樣值相關聯的時間可以利用下面公式來定義：
以取代上面公式(2)中的變數t便會產生下面的公式，其可用來決定該Q-LUT修正資料：
公式(4)與(5)係提供用於決定用來修正一ATE儀器頻道中因非線性性質所產生的第一N次諧波的修正資料的封閉形式解答。用於決定一M位元位址LUT之表登錄項的方法會在2M 個數值之中進行量化x [-1,1]∣，並且會使用公式(4)與(5)來決定對應的誤差修正資料。請注意，公式(4)與(5)僅適用於該等諧波振幅與相位係因對一零相位餘弦基頻校正信號進行FFT處理所產生。雖然經圖案化-受控的ATE信號可能會近似於其中一零相位餘弦基頻校正信號，不過實際上這卻必須耗費許多時間方能達成，且因通過該儀器的類比信號路徑的延遲變異所產生的殘餘相位誤差還可能會限制信號修正結果。允許該基頻校正信號具有零相位所指的係用於測量該等諧波振幅與相位的校正信號會具有下 面形式： 其中，ψ為該基頻校正信號的任意非零相位。此更通用的方式與ATE功能及末端應用相符，其中，為造成同調必須達成精確的頻率比例，且典型的FFT測量會異於該基頻校正信號。
倘若ψ非零的話，該基頻校正信號便會同時含有一偶數與奇數分量，結果，靜態與動態非線性性質兩者便會產生混合的對稱輸出。為使用Hn 與θn 來正確地將修正資料宰入該等查找表之中，必須在從該動態線性處所產生的諧波相位殘餘值附近產生一正交基底，也就是θn ，其中，已經移除來自ψ的資獻。確認該多項式中描述該無記憶、非線性系統的第n項會響應於x(t)而產生一n次諧波，並且會將x(t)的相位旋轉n．ψ，一儀器頻道中的諧波失真則可以模擬如下：
在正弦函數及餘弦函數的正交基底上展開上面的公式便會造成下面的公式：
倘若該頻道非線性性質係純靜態的話，那麼θn -nψ=0，π，且上面的正弦分量為零。因此，上面表示式中的每一個餘弦項均會與該基頻信號「同相」，也就是，每一個諧波項角度均會旋轉n，其為因該頻道中靜態非線性性質的第n階分量所造成的預期響應。相反地，正弦項則同時包含旋轉n且與該基頻校正相差一個正交(也就是，約90∘)相位移。
因此，可以藉由在該I-LUT的一輸入處從時間域映射至振幅域而從同相失真處來決定該I-LUT誤差修正資料，其公式如下：
以取代d(t)的「同相」項中的t便可以提供下面的封閉形式公式，用以決定該I-LUT誤差修正資料。
介於一取樣值以及該取樣出現(於第一循環中)在該Q-LUT之輸入處的時間之間的關係如下：
以取代上面d(t)的「正交相」項中的t便會造成下面的封閉形式解答，用以決定該Q-LUT誤差修正資料。
如上面所述，用於決定一M位元位址LUT之表登錄項的方法會在2M 個數值之中進行量化x [-1,1]∣，並且會使用公式(7)與(8)來決定對應的誤差修正資料。請注意，當相位偏移ψ為零時，公式(7)與(8)分別會還原成公式(4)與(5)。
下文會說明如何決定用於示範性ATE中的一資料轉換器的所有取樣的I-LUT與Q-LUT誤差修正值。更明確地說，在使用之前，會針對通過該ATE的來源頻道與捕捉頻道的一信號範圍來決定I-LUT與Q-LUT的誤差修正值。接著，該些誤差修正值便會被儲存在I-LUT與Q-LUT之中，並且會被用來修正通過該等來源頻道與捕捉頻道的後續信號。接著便係用來決定可用以決定要被儲存在I-LUT與Q-LUT之中的誤差修正值的信號(一資料轉換器的字碼)範圍。
倘若在範圍[0，2π]中利用均勻的機率來隨機取樣一連續正弦波的話，那麼該正弦取得數值x的機率便係如下： 其中，A為該正弦波的振幅。此分部具有熟悉的「浴缸」曲線形狀，其最小值係在中間範圍(π．A)-1 處x=0。
於其中一範例中，由一在區間[0，2π]中均勻地取樣一正弦波的資料轉換器所產生的字碼i並且量化成N位位元的機率可以藉由在字碼i的振幅範圍中對上面的表示式進行積分而取得，其結果如下： 其中，FSR係該量化器的雙極完全範圍而A為正弦波振幅。倘若該正弦波振幅匹配該量化器的完全範圍的話，在零DC(直流)偏移的情況中，最小可能輸出字碼i便會以1/(π．2N-1 )的機率出現在中間範圍i=2N-1 。因此，中間範圍字碼的出現機率會隨著量化器位準的數量而下降。
為提供健全的校正結果，可能會希望對該轉換器的每一個字碼進行測量處理作業。在一含有「Nsamples」個取樣的捕捉中的預期字碼擊中數量E(i)如下：E (i )=P (i )．Nsamples 確保最小可能中間範圍字碼被擊中至少意謂著：Nsamples π．2 N -1 .因此，使用快速radix-2 FFT處理來校正一16位元轉換器便需要捕捉至少131,072個取樣。雖然為確保會擊中所有的轉換器字碼可能會需要此限制條件，不過，其可能並不充份，前提係該取樣過程可能會在該測試波形的每一個循環中產生相同的字碼子集。為確保不會發生此情況，一捕捉視窗中該測試波形之整數數量可能必須與Nsamples彼此互質。
I-LUT與Q-LUT之中的誤差修正資料可能會被配置成用以修正該儀器頻道中的反射或鋸齒諧波。補償鋸齒頻率分量包含修正因一非線性性質的第n個分量及用於取樣類比資料的時脈之混合所產生的鋸齒諧波。補償該些鋸齒頻率分量有可能會在提供或捕捉高頻信號時改良該ATE的動態範圍。
對一N階修正來說，可能會需要在捕捉頻譜中預測每一個該等N個諧波會出現的地方。因此，對每一個諧波nf0 (f0 係基頻頻率)來說，便需要使用下面的處理來決定第N個諧波出現的頻率(FFT箱數)，以及用於LUT誤差修正資料計算中相關聯的振幅與相位。
倘若該諧波出現在被定義成下面公式的取樣時脈的奇 數尼奎斯帶之中的話，其中m為奇數且Fs為取樣時脈頻率， 那麼，該鋸齒諧波便會係原始諧波的直接影像。於此情況中，該鋸齒諧波的頻率如下： 其中，x mod y係x/y的餘數。此複數鋸齒頻率分量(以H(fnalias )來表示)的大小與相位會被用在公式(7)與(8)之中(或公式(4)與(5)之中)以便決定該修正資料。也就是，對公式(7)與(8)(或公式(4)與(5))來說：H n =∣H (f nalias )∣ θ n =∠H (f nalias )
倘若該諧波出現在該取樣時脈的偶數尼奎斯帶之中的話，那麼，該鋸齒諧波便會係原始諧波的鏡射影像且該鋸齒諧波的頻率如下： 假定該偶數尼奎斯帶的影像被鏡射的話，那麼該相位便會係共軛且公式(7)與(8)(或公式(4)與(5))的諧波振幅分量與相位分量便會被定義成：H n =∣H (f nalias )∣ θ n =-∠H (f nalias )使用該鋸齒頻率分量的負相位係因為與該時脈混合的諧波會產生一共軛相位而非該頻道非線性性質。結果，便可以使用該鋸齒雜波相位的共軛數來解決該混合效應。
下文會說明使用上面所述之I-LUT與Q-LUT中的誤差修正資料來降低該等ATE頻道之中的諧波的測試結果。
圖5a所示的係一具有附加白雜訊之正弦測試信號的範例 其會通過一具有下面轉換函數的非線性系統y (t )=x (t )+0.001．∣x (t )∣+0.001．x (t )．∣x (t )∣. 於此範例中，取樣速率為300Mps(每秒百萬個取樣)。在絕對值不連續及其固有對稱性的前提下，該非線性性質會產生偶數與奇數的高階諧波。上面所述的修正過程(其會用到I-LUT與Q-LUT誤差修正資料)會減少直接諧波與反射諧波，如圖5b中所示。也就是，圖5b所示的係一最終補償輸出的FFT，其動態範圍已獲得30dB的改善。
上面所述之用於決定、儲存、及/或使用諧波誤差修正資料的方法及其各種修正例以及本文所述之相關方法(夏文中稱為「該等方法」)並不受限於上面所述之硬體與軟體。該等方法中全部或部份均能夠至少一部份透過電腦程式產品來施行，也就是，透過被具體具現在一資訊載體之中的電腦程式來施行，例如一或多個機器可讀取媒體或是一被傳導的信號，其可供一或多個資料處理設備來執行或是用以控制一或多個資料處理設備的作業，舉例來說，該等一或多個資料處理設備包括可程式處理器、電腦、多部電腦、及/或可程式邏輯元件。
一電腦程式可被編寫成任何形式的程式化語言(其包含編譯式或直譯式語言)；並且可以任何形式來部署，其包含部署成單機程式或是部署成模組、組件、子標準程序、或是適合使用在計算環境之中的其它單元。一電腦程式可被部署成用以在一部電腦上執行，或是在位於其中一個地方或是分散在多個地方且藉由網路互連的多部電腦上執行。
和施行該等方法之全部或部份相關聯的動作可藉由一或多個可程式化處理器來實施，該等一或多個可程式化處 理器會執行一或多個電腦程式以便實施該校正方法的功能。該等方法之全部或部份均可被施行成特殊用途邏輯電路系統，舉例來說，FPGA(可場程式化閘陣列)及/或ASIC(特定應用積體電路)。
舉例來說，適合用來執行一電腦程式的處理器包含一般用途微處理器與特殊用途微處理器，以及由任何數位電腦所組成的任何一或多個處理器。一般來說，一處理器會從一唯讀記憶體或是一隨機存取記憶體或是兩者處接收指令與資料。一電腦的元件包含一用以執行指令的處理器以及用以儲存指令與資料的一或多個記憶體裝置。
本文所述的該等方法雖然係配合用於半導體電路之生產測試的ATE儀器來作解釋；不過，該等方法並不受限於本文。更確切地說，其同樣可應用至其它硬體組態，例如通用(機架式)儀器(bench (rack mount)instrumentation)。舉例來說，信號產生器或頻譜分析儀器便可納入線性修正硬體/軟體並且可利用該等方法來進行修正，以便改良其動態範圍(舉例來說，藉由降低該(等)儀器頻道中的諧波失真)。
該等方法的另一項應用則係在資料轉換器積體電路(IC)之中。舉例來說，可以將一希爾伯特濾波器建置在一資料轉換器IC之中，配合非揮發性記憶體來施行該I-LUT與Q-LUT，其可用來施行該等方法以便改良此IC的動態範圍。
本文所述之不同實施例的各元件可加以結合用以形成上面未明確提出的其它實施例。本文未明確提出的其它實 施例同樣涵蓋在下面申請專利範圍的範疇內。
10‧‧‧系統
12‧‧‧測試器
14‧‧‧電腦系統
16‧‧‧硬線連接線
18‧‧‧待測裝置
20‧‧‧導體
22‧‧‧接針
24‧‧‧介面卡
26‧‧‧介面卡
28‧‧‧介面卡
30‧‧‧積體電路晶片
32‧‧‧參數測量單元級
34‧‧‧接針電子電路級
36‧‧‧積體電路晶片
38‧‧‧積體電路晶片
40‧‧‧導電線路
42‧‧‧介面板連接器
44‧‧‧導體
46‧‧‧介面連接器
48‧‧‧PMU控制電路系統
50‧‧‧PE控制電路系統
52‧‧‧電腦介面
54‧‧‧來源頻道電路系統
55‧‧‧捕捉頻道電路系統
56‧‧‧來源記憶體
57‧‧‧待測裝置
59‧‧‧記憶體定序器
60‧‧‧查找表
61‧‧‧數位至類比控制器
62‧‧‧驅動器
64‧‧‧濾波器群
65‧‧‧濾波器群
66‧‧‧驅動器
67‧‧‧類比至數位轉換器
69‧‧‧捕捉記憶體
70‧‧‧控制器
71‧‧‧同相查找表
73‧‧‧加法器
74‧‧‧正交查找表
圖1所示的係用於測試裝置的ATE的方塊圖。
圖2所示的係用於該ATE之中的測試器的方塊圖。
圖3a所示的係該ATE的來源頻道的方塊圖。
圖3b所示的係該ATE的捕捉頻道的方塊圖。
圖4所示的係分別用於補償圖3a與3b的來源頻道與捕捉頻道中的諧波失真的查找表(LUT)與相關聯電路系統的方塊圖。
圖5a所示的係一具有諧波失真的信號的關係圖。
圖5b所示的係在使用圖4的LUT進行修正之後的諧波失真衰減的關係圖。
10‧‧‧系統
12‧‧‧測試器
14‧‧‧電腦系統
16‧‧‧硬線連接線
18‧‧‧待測裝置
20‧‧‧導體
22‧‧‧接針

Claims (19)

  1. 一種用於諧波失真補償之設備，其包括：電路系統，其配置成用以在該設備的一頻道中傳送信號；記憶體，其配置成用以儲存一第一組係數以及一第二組係數，該第一組係數配置成用以依據該信號的第一型式來提供一第一修正值，該第一修正值係用來修正和該頻道相關聯的靜態非線性性質；以及該第二組係數會被配置成用以依據該信號的第二型式來提供一第二修正值，該第二修正值係用來修正和該頻道相關聯的動態非線性性質；以及數位信號處理邏輯，其會被配置成用以使用該第一修正值、該第二修正值、以及該信號來補償來自該頻道的諧波失真。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，其進一步包括一相位移電路，用以移動該信號的相位以便產生該信號的第二型式。
  3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中，該相位移電路包括一希爾伯特(Hilbert)濾波器，而移動則可能包括將該信號的相位移動約90°。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該電路系統、該記憶體、及該邏輯包括自動測試設備(ATE)的一捕捉頻道的部件，該捕捉頻道用來從一待測裝置(DUT)處接收信號。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該電路系統、該記憶體、以及該邏輯包括自動測試設備(ATE)的一來源頻道的部件，該來源頻道用來提供信號給該待測裝置(DUT)。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該第一組係數包括複數個第一修正值，它們係用來修正因靜態非線性性質所造成的一第一N次諧波；以及其中，該等複數個第一修正值d1 (x)包括： 其中，Hn 為第n個諧波的大小，θn 為第n個諧波的相位，x為該頻道中一信號的取樣值，而ψ為會產生諧波的基頻信號的相位。
  7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中，該等複數個第一修正值會被配置成用以修正鋸齒諧波。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中，H n =|H (f nalias )| θ n =∠H (f nalias )，其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。
  9. 如申請專利範圍第7項之設備，其中，H n =|H (f nalias )| θ n =-∠H (f nalias )，其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。
  10. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該等第二修 正值會被配置成用以修正鋸齒諧波。
  11. 如申請專利範圍第10項之設備，其中，H n =|H (f nalias )| θ n =∠H (f nalias )，其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。
  12. 如申請專利範圍第10項之設備，其中，H n =|H (f nalias )| θ n =-∠H (f nalias )，其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於該頻道的取樣時脈頻率。
  13. 如申請專利範圍第1項之設備，其進一步包括一可切換的濾波器群，該可切換的濾波器群包括一或多個濾波器，它們可被切換至該頻道之中或是被切換至該頻道之外，該等一或多個濾波器會被配置成用以補償來自該頻道的諧波失真。
  14. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該邏輯包括用以組合該第一修正值與該第二修正值的電路系統，用以產生一總和，並且用以從該信號中扣除該總和，從而降低該諧波失真。
  15. 如申請專利範圍第1項之設備，其中，該設備包括下面其中一者：自動測試設備(ATE)、資料轉換器電路、信號產生器、以及頻譜分析器。
  16. 一種機器可讀取媒體，其包括可執行的複數個指令，用以產生用來補償一儀器之頻道中之諧波失真的修正 值，該等指令係用來讓一或多個處理裝置進行下面作業：產生複數個第一修正值，以便修正和該儀器之頻道相關聯的靜態非線性性質；將該等第一修正值儲存在記憶體中的一第一查找表(LUT)之中；產生複數個第二修正值，以便修正和該儀器之頻道相關聯的動態非線性性質；以及將該等第二修正值儲存在記憶體中的一第二LUT之中。
  17. 如申請專利範圍第16項之機器可讀取媒體，其中，該等第一修正值用來修正因該靜態非線性性質所造成的一第一N次諧波；其中，該等第一修正值d1 (x)包括： 其中，Hn 為第n個諧波的大小，θn 為第n個諧波的相位，x為該頻道中一信號的取樣值，而ψ為會產生諧波的基頻信號的相位；以及其中，當該基頻信號的相位ψ為零時，該等第一修正值d1 (x)包括：
  18. 如申請專利範圍第17項之機器可讀取媒體，其中，該等第一修正值會被配置成用以修正鋸齒諧波；其中，倘若在一取樣時脈的奇數尼奎斯(Nyquist)帶之中 出現一直流諧波的話，那麼，H n =|H (f nalias )| θ n =∠H (f nalias )，其中，，nf0 對應於第n次直流諧波，而Fs對應於一取樣時脈頻率；以及其中，倘若在該取樣時脈的偶數尼奎斯(Nyquist)帶之中出現該直流諧波的話，那麼，H n =|H (f nalias )| θ n =-∠H (f nalias )，其中，。
  19. 如申請專利範圍第16項之機器可讀取媒體，其中，該等第二修正值會被配置成用以修正鋸齒諧波。
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