開(kāi)關(guān)電流電路故障診斷技術(shù)的初步研究

開(kāi)關(guān)電流(SI)技術(shù)是繼開(kāi)關(guān)電容(SC)技術(shù)之后出現(xiàn)的又一種新的模擬采樣數(shù)據(jù)信號(hào)處理技術(shù)。在SC技術(shù)中，需要特殊的雙層多晶硅工藝，而SI技術(shù)則不同，他是一種僅由MOS晶體管和MOS開(kāi)關(guān)構(gòu)成的采樣數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，利用MOS晶體管在其柵極開(kāi)路時(shí)通過(guò)存儲(chǔ)在柵極氧化電容上的電荷維持其漏極電流的能力，電容精度要求并不嚴(yán)格，不需要線性浮地電容，與數(shù)字CMOS工藝相兼容，易于VLSI實(shí)現(xiàn)。此外，SI電路的信號(hào)用電流表示，對(duì)電壓要求并不嚴(yán)格，電路可以在低壓低功耗下工作。由于這些特點(diǎn)，SI技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并得到迅速發(fā)展[1-6]。由于SI技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，而電子電路都可能有故障存在，這就提出一個(gè)新的課題：怎樣對(duì)SI電路進(jìn)行故障診斷。故障診斷是指，在已知網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、輸入激勵(lì)信號(hào)和故障下的響應(yīng)時(shí)，求解故障元件的物理位置和參數(shù)。要求求解的結(jié)果是惟一的，但有時(shí)卻不能保證。SI測(cè)試技術(shù)已有所發(fā)展，故障診斷技術(shù)則剛剛開(kāi)始起步，有不少困難存在，需要一一克服。

1開(kāi)關(guān)電流基本功能塊

1．1 電流存儲(chǔ)單元

電流存儲(chǔ)單元主要利用MOS管柵電容的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電流存儲(chǔ)功能。圖1所示電路，TS1，TS2，TS3是由MOS管構(gòu)成的開(kāi)關(guān)，受互補(bǔ)時(shí)鐘信號(hào)φ1，φ2的控制。在采樣相φ1(處于高電平時(shí))，TSl，TS3閉合，TS2打開(kāi)，對(duì)T1管柵源電容充電，建立電壓Vgs，使流過(guò)T1管的電流Id=J+Jin；在保持相φ2(處于高電平時(shí))，TS1，TS3打開(kāi)，TS2閉合，理想情況下，T1管柵電容Cgs無(wú)放電回路，因而Vgs保持不變，流過(guò)T1管的電流保持不變，Iout=－Iin,實(shí)現(xiàn)了電流存儲(chǔ)功能。

1．2延遲單元

延遲單元包含兩個(gè)級(jí)聯(lián)的單晶體管電流存儲(chǔ)單元和一個(gè)為取得全時(shí)鐘周期輸出信號(hào)而附加的任選附件輸出級(jí)。在時(shí)鐘周期的φ2相(跟圖1相同)，輸入信號(hào)電流i(n－1)與晶體管T1中的第一個(gè)偏置電流相加。在下一個(gè)時(shí)鐘周期(n)的φ1相，T1保持電流J+i(n－1)，并且在第二個(gè)電流存儲(chǔ)器T2中取樣輸出電流－i(n－1)。在時(shí)鐘周期(n)的φ2相，T2保持電流J－i(n－1)，而輸出電流io1(n)=i(n－1)。在時(shí)鐘周期(n)的φ1相和φ2相期間，任選級(jí)輸出電流io2保持在i(n－1)。

1．3積分器模塊

同相無(wú)耗積分器的傳遞函數(shù)為：

式中有3項(xiàng)，第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于具有增益常數(shù)a/T的無(wú)耗連續(xù)時(shí)間同相積分器的頻率響應(yīng)；第二項(xiàng)(wT/2)/sin(wT/2)是取樣數(shù)據(jù)積分器與理想響應(yīng)的偏差；第三項(xiàng)e-jwT/2是剩余相位滯后。

積分器模塊還有同相阻尼積分器，反相阻尼積分器，反相阻尼放大器，通用積分器等。

1.4 微分器模塊
反相微分器的傳遞函數(shù)為：

式中，aT是增益常數(shù)，sin(wT/2)/(wT/2)是取樣數(shù)據(jù)微分器響應(yīng)與理想情況的偏差，e-jwT/2是剩余相位滯后。

微分器模塊還有通用反相微分器，同相微分器，雙線性z變換微分器等。

2開(kāi)關(guān)電流的誤差

2．1 影響故障診斷的誤差

在SI電路中，各MOS管基本上是序貫的，電路中任何一處出現(xiàn)的故障都會(huì)序貫地通過(guò)電路，因此，可在輸出端觀察電路是否有故障發(fā)生。以電流監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的模擬電路測(cè)試是通過(guò)比較已知的良好源和被測(cè)器件的電流特征標(biāo)記進(jìn)行判斷。通過(guò)了嚴(yán)格的參數(shù)和功能檢驗(yàn)的器件或通過(guò)仿真，可獲得良好特征標(biāo)記。

SI電路屬于模擬電路，他的元件參數(shù)具有很大的離散性，即具有容差，由于"容差"事實(shí)上就是輕微的"故障"(只是尚在允許的范圍內(nèi))，其影響往往可與一個(gè)或幾個(gè)元件的"大故障"等效，因此導(dǎo)致實(shí)際故障的模糊性，而無(wú)法惟一定位實(shí)際故障的物理位置。

SI電路的非理想性能主要是失配誤差，輸出一輸入電導(dǎo)比誤差，調(diào)整誤差，電荷注入誤差，噪聲誤差，而限制故障診斷精度和靈敏度的誤差主要是由于有限的電導(dǎo)和電荷注入引起的[1-4]。本文將重點(diǎn)分析電荷注入誤差。

2．2 電荷注入誤差

對(duì)圖1所示SI存儲(chǔ)單元，電荷注入誤差主要是由于開(kāi)關(guān)晶體管TS3在關(guān)斷時(shí)(時(shí)鐘的下降沿)，存儲(chǔ)在該晶體管的溝道和襯底中的電荷流入存儲(chǔ)晶體管T1柵源電容，導(dǎo)致Vgs變化所致。該電荷通過(guò)兩種途徑流入T1管的柵：通過(guò)溝道流入或通過(guò)柵源或柵漏重疊電容的饋通方式流入，即通常所說(shuō)的時(shí)鐘饋通效應(yīng)。

設(shè)流人T1柵源電容的電荷電量為△Q，他是開(kāi)關(guān)管TS3的柵襯底和柵源漏重疊電容所存儲(chǔ)的總電荷的一部分，由他引起的柵源電壓變化為△Verr，誤差電流為△Ierr。設(shè)C為柵源等效電容，就有△Verr=△Q／C，則：

△Ierr=gm*△Verr

顯然，gm，△Verr同輸入電流和輸出誤差電流存在一定的關(guān)系。

(1)開(kāi)關(guān)管TS3在關(guān)斷期間所產(chǎn)生的電荷量是同其柵和源漏的電位差有關(guān)的，而TS3源漏電位的大小受輸入信號(hào)的影響，即這部分電荷注入誤差與信號(hào)有關(guān)；

(2)作為T1管的跨導(dǎo)gm，其非線性的特點(diǎn)(I-V特性為平方關(guān)系)導(dǎo)致了輸出電流偏差。尤其是當(dāng)輸入信號(hào)較大時(shí)，偏差尤其嚴(yán)重，如圖5所示。

因此，與信號(hào)無(wú)關(guān)的△Q將被轉(zhuǎn)化為與信號(hào)相關(guān)的△I。盡管該誤差與信號(hào)的大小有關(guān)，但追根究底，他是由晶體管的非線性造成的，因此被稱為與信號(hào)無(wú)關(guān)的電荷注入誤差。所以，在對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，只要有效地抑制由△Q引起的△Verr，就能避開(kāi)這個(gè)問(wèn)題。因?yàn)槿簟鱒err=0，gm的大小對(duì)輸出電流不產(chǎn)生任何影響。

以上分析表明，與信號(hào)有關(guān)的電荷注入誤差是SI電路精度問(wèn)題難以解決的根源。只要能有效抑制該誤差，SI電路精度將得到很好的改善。在高速電路的應(yīng)用中，由于要求存儲(chǔ)管的跨導(dǎo)盡可能地大，柵積累電容盡可能地小，由△Ierr=gm*(△Q/C)可知，這將導(dǎo)致更大的電荷注入誤差。因此，要消除該誤差，就必須對(duì)SI電路基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3故障模型

在晶體管中有兩種故障存在，一種是引起晶體管完全斷路或短路/橋接的嚴(yán)重故障；另一種是產(chǎn)品未完全損壞，而是有缺陷，最初可能(或不可能)引起功能問(wèn)題，但在預(yù)燒后很可能被損壞，這是非嚴(yán)重故障，在嚴(yán)重和非嚴(yán)重故障之間存在差異。對(duì)于開(kāi)關(guān)電流單元，至今未研究后一種形式的故障，研究工作集中在純粹的嚴(yán)重故障。使用的故障模型如圖6所示，根據(jù)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)或閉合，能將其分成4種不同的嚴(yán)重故障：柵源短路(GSS)；柵源短路(GDS)；漏極開(kāi)路(DOP)；源極開(kāi)路(SOP)。

SI電路就是由第二節(jié)所述的存儲(chǔ)單元、延遲單元、積分器、微分器組成，構(gòu)成了濾波器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、一般信號(hào)處理等，他的結(jié)構(gòu)可用圖7表示。

一個(gè)無(wú)故障源的SI電路，對(duì)應(yīng)于某個(gè)規(guī)定的激勵(lì)電流產(chǎn)生一個(gè)"標(biāo)準(zhǔn)電流"，然后用圖6的故障模型去模擬該電路中的故障。假定電路一次只有一個(gè)故障，簡(jiǎn)化故障性能的分析。這就是說(shuō)，每個(gè)可能的故障依次注入被測(cè)電路的每個(gè)晶體管，再用規(guī)定的測(cè)試激勵(lì)電流進(jìn)行激勵(lì)，可找到被測(cè)電路的"測(cè)試電流"。然后，可從標(biāo)準(zhǔn)電流中減去取樣的測(cè)試電流，即為"誤差電流"。從理論上講，如果該電流為非零值，則被測(cè)電路有故障。同時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的"誤差電流"，可確定故障發(fā)生在電路的某個(gè)模塊中。但顯然，這有些過(guò)分簡(jiǎn)單化，因?yàn)镾I的非理想性能、仿真模型的不準(zhǔn)確性、對(duì)測(cè)試電路有不利影響的外界條件的變化等，都可能使誤差電流不為零值，或出現(xiàn)交叉，致使不能惟一定位故障發(fā)生的模塊。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，對(duì)開(kāi)關(guān)電流電路進(jìn)行故障診斷的難點(diǎn)在于：

(1)實(shí)際電路，由于SI的非理想性能，難以確定標(biāo)準(zhǔn)電流的值，就不好區(qū)分電路是否有故障；

(2)模擬仿真，對(duì)含故障模型的SI電路進(jìn)行PSpice仿真時(shí)，仿真結(jié)果很不理想，難以用于故障診斷，這可能是由于MOS管的PSpice模型不夠精確的原因。對(duì)SI電路，還可以用Hspice，Asiz進(jìn)行仿真，這是以后研究的重點(diǎn)。