CARACTERIZAÇÃO E TESTE DE MÓDULOS PARA UM SISTEMA EM CHIP CMOS

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1 CARACTERIZAÇÃO E TESTE DE MÓDULOS PARA UM SISTEMA EM CHIP CMOS Rafael R. P. Soares, Wellington A. do Amaral, Hélder H. Guimarães, José C. da Costa Universidade de Brasília Departamento de Engenharia Elétrica LTSD (Laboratório de Tratamento de Superfícies e Dispositivos) Caixa Postal 4386 Brasília DF rafaelsoares@unb.br, amaral@unb.br, et_guimaraes@pop.com.br, camargo@ene.unb.br ABSTRACT O trabalho apresenta os primeiros resultados de caracterização e testes de módulos de um sistema em chip em tecnologia CMOS, voltado para aplicações em controle de irrigação. Tais resultados foram obtidos no laboratório de medidas (LTSD) do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Brasília. O laboratório está equipado para realizar teste e caracterização de circuitos integrados encapsulados e não-encapsulados. Os procedimentos de teste também estão aqui mostrados. 1. INTRODUÇÃO O Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade de Brasília utiliza dois laboratórios equipados para projetar e medir circuitos integrados. O Laboratório de Projeto de Circuitos Integrados, LPCI ( possui estações de trabalho Unix/Linux rodando CAD s para projeto de CI s. O Laboratório de Tratamento de Superfícies e Dispositivos, LTSD ( contém equipamentos para caracterização e testes de circuitos integrados encapsulados ou diretamente na lâmina. As equipes do LPCI e do LTSD estão trabalhando em um projeto que visa a integração e teste de um Sistema em Chip, SoC, para um Sistema de Controle de Irrigação - SCI. O projeto do SCI faz parte do projeto do Instituto do Milênio SCMN. Fazem parte desse projeto a Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária (EMBRAPA) e diversos institutos de pesquisa de todo o Brasil, incluindo a Universidade de Brasília (UnB). O objetivo é o desenvolvimento de uma aplicação para monitoramento e controle de umidade do solo, baseada em um SoC que adquire dados dos sensores de umidade, processa e transmite a uma central de comando, que pode, assim, interferir sobre as condições de irrigação da plantação. Tal aplicação tem por objetivo a redução do desperdício de água e energia, enquanto melhora a produtividade do solo. O sistema em chip em desenvolvimento é composto por um processador, uma memória, um conversor AD e um transceptor de RF [5]. Dois protótipos contendo blocos isolados e estruturas de teste foram fabricados e estão sendo testados no LTSD. O presente trabalho apresenta o sistema de medidas montado no laboratório, assim como os procedimentos de medidas e os resultados obtidos para os protótipos fabricados. 2. SISTEMAS DE MEDIDAS 2.1 Instrumentos Keithley [6]: Eletrômetro e medidor de alta resistência 6517A; Fonte e medidor 2400; Calibrador e fonte 263; Agilent [1]: Analisador lógico 1673G; Medidor LCR de precisão 4284A; Analisador de redes de RF 8714ES; Analisador de Espectro E4402B; Osciloscópio Infiniium 2.25GHz, 8Gsa/S; Osciloscópio digital de dois canais HP 54600A; Gerador de funções HP 3310A; Controladora PCI-GPIB da Measurement Computing [8], instalada em um computador PC; Computador IBM-PC com interface HP GPIB [1] Software LabVIEW Utiliza-se programas feitos em LabVIEW [9] para configurar e controlar os equipamentos via GPIB [11]. Isso possibilita operação em conjunto e sincronizada de 2 ou mais medidores e o resultado pode ser salvo como figuras, textos ou tabelas. Na figura 1 temos uma subrotina que configura o Keithley 2400 para gerar tensão e medir corrente e o Keithley 6517A para gerar e medir tensão. Os comandos SCPI [11] são enviados aos instrumentos quando o programa é executado. Na figura 2 temos o código principal e na figura 3, a interface do usuário. 1

2 Figura 1 Comandos SCPI enviados aos instrumentos Figura 2 - código principal do programa 2

3 2.4. Condições de teste Para o teste do chip encapsulado foi utilizada uma placa de circuito impresso especialmente construída para a sua caracterização, dado que seriam realizados tanto testes de blocos analógicos como digitais [4, 7, 10, 12]. Esta placa foi confeccionada com substrato de baixa permissividade relativa (de modo a minimizar as perdas devido ao surgimento de capacitâncias e resistências parasitárias, bem como, interferências devido ao efeito crosstalk) e trilhas projetadas levando-se em conta a freqüência a ser utilizada nos testes, de modo minimizar as perdas. Ela foi acondicionada em uma caixa metálica, possibilitando uma blindagem contra interferências de natureza eletromagnética. Figura 3 Interface do usuário Benchlink É um programa fornecido pela HP [1] para capturar telas do osciloscópio e outros instrumentos via GPIB. É utilizado nos testes dinâmicos. Na figura 18 temos um exemplo de tela do osciloscópio Probe Station A probe station, Figura 4, foi construída no próprio laboratório. Ela possui um sistema de medidas semiautomático e pode ser utilizada para lâminas de até 100 mm de diâmetro Placa de Teste O substrato utilizado, por apresenta poucas perdas para a freqüência de 900MHz, foi o Duróide. O utilizado para a confecção da placa de testes possuía permissividade relativa igual a 2.2. De modo a garantir que as radiações provindas do circuito de RF encontrassem um caminho mais curto em direção ao terminal de terra do sistema, foi necessária a incorporação de um plano de terra à placa de circuito impresso. Para o projeto desta placa foi empregada a técnica Microstrip em seu layout. Devido à necessidade da utilização de conectores de RF com 50Ω de impedância para o casamento entre os terminais do circuito e os instrumentos de medida (nos testes analógicos), foi necessário dimensionar as linhas da placa (que fazem as ligações aos conectores) para que elas apresentassem uma impedância característica igual a 50Ω. Foram fabricadas duas placas diferentes, uma para cada chip de teste. Cada placa foi montada em uma caixa de testes. Para a primeira placa, foram utilizados conectores de HF para as saídas de alta freqüência, enquanto que para a segunda placa, foram utilizados conectores tipo N Confecção da Placa Para a confecção da placa foi utilizado um sistema automatizado de comando numérico disponível no laboratório de linhas e fitas do departamento de engenharia elétrica (ENE). Trata-se de uma fresa que; alimentada com as coordenadas das trilhas da placa de circuito impresso, remove o metal laminado na superfície da placa virgem. O software de layout de PCB (Printed Circut Board) utilizado pela fresa do laboratório é o Traxmaker [2]. Figura 4 - Probe Station utilizada no LTSD 3

4 Blocos da memória isolados; Divisores de freqüência. 4. PROCEDIMENTOS DE MEDIDAS Figura 5 Segundo chip de teste fabricado 3. CHIP DE TESTE FAPESP 112 E 119 Dois protótipos foram fabricados e estão sendo testados. Os protótipos contêm blocos isolados do processador, da memória e do transceptor de RF, além de estruturas de teste. Esse projeto está sendo implementado em tecnologia CMOS, 0,35µm, duas camadas de poli e quatro camadas de metais da AMS [3]. O primeiro protótipo foi adquirido sem encapsulamento e em encapsulamento CLCC 68. Esse chip contém: Unidade lógica aritmética, ULA, de 1 bit; Multiplexadores e portas lógicas isoladas; Controle de potência para o PA; Oscilador controlado por tensão, VCO; Detector de fase e freqüência, PFD; Divisor de freqüência de 11 bits; Buffers isolados utilizados nas entradas e saídas de teste. Outras estruturas foram adicionadas pela equipe da Universidade de São Paulo. O segundo protótipo, figura 5, foi adquirido sem encapsulamento e em encapsulamento JLCC 84. Esse chip contém: Amplificador de Potência, PA, completo; Amplificador de baixo ruído, LNA, completo; Sintetizador de freqüências completo; Memória RAM; Memória ROM; Banco de registradores; ULA; Controlador da ULA; Controlador de interrupções; Transistor de RF de potência do PA isolado; Indutor; Capacitor MOS; Transistores NMOS e PMOS; Buffer isolado utilizado nas saídas de teste; 4.1. Caracterização de Transistores Isolados A caracterização dos transistores é feita utilizando os instrumentos Keithley 2400 e 6517A. Os dois instrumentos trabalham em conjunto controlados via GPIB por programas feitos em LabVIEW. Os instrumentos aplicam as tensões determinadas pelo operador e envia ao programa as correntes resultantes. Os programas então traçam as curvas IDSxVDS e IDSxVGS e também salva o resultado em arquivos de textos. A figura 6 mostra o diagrama de ligação. A entrada e saída de tensão do 6517A são ligadas em série. O operador pode facilmente determinar a faixa de tensões e o programa traça as curvas. Figura 6 Caracterização do Transistor 4.2. Caracterização do Transistor de RF Para o transistor de Rf o diagrama de ligação, mostrado na figura 7, foi alterado com o acréscimo de um resistor de 120 ohms para limitar a corrente e a entrada do 6517A foi configurada como voltímetro e usada para medir VDS. O programa configura os instrumentos para medir corrente e gerar as tensões. O gráfico é traçado como no primeiro caso. Figura 7 Caracterização do transistor de RF 4

5 Figura 8 Código Fonte do Programa 4.3. Medida do Indutor O instrumento Agilent 4284A depois de calibrado para compensar as indutâncias e resistências dos cabos e conectores, é configurado por um programa em LabVIEW para medir a indutância e a resistência do dispositivo. A figura 8 mostra o código fonte do programa que contém a sub-rotina mostrada na figura 9 e a figura 10 a interface de usuário do programa. Figura 9 Sub-rotina de inicialização Teste dos Buffers. Foram usados o osciloscópio de 2 canais, o gerador de funções o 2400 como fonte. O resultado é salvo no computador através do programa Benchlink. A senóide varia de 0 a 3,3V. Os testes foram feitos nas freqüências de 1KHz, 100KHz e 3MHz Teste estático da ULA Nas figuras 11 e 12 estão apresentados o esquemático e o layout, respectivamente, da Unidade lógico-aritmética (ULA) caracterizada neste trabalho [4]. Trata-se de um dispositivo combinacional que aceita dois dados de 1 bit e realiza operações como soma, subtração, AND, OR, XOR e NOT. Como, além da ULA, o chip abrigava outras estruturas (digitais e analógicas) que também poderiam ser testadas isoladamente, foi necessário disponibilizar pinos excedentes para o acesso aos pontos de testes. Logo, para economizar pinos no chip foi utilizado um multiplexador de 4 bits para o teste da ULA, como visto na figura 11. Utilizando este multiplexador era possível o acesso a outras estruturas digitais, como portas lógicas e uma unidade carry lookahead, variando as entradas de endereçamento f e g. Figura 10 Tela do programa em execução. A ULA foi caracterizada através de testes estáticos e dinâmicos. Para a realização dos testes estáticos foi utilizada a tabela com os vetores de teste mostrada na figura 20. Este conjunto de vetores foi inserido manualmente um a um nas entradas da ULA, utilizando um conjunto fonte-medidor Keithley modelo 2400 e um kit lógico. O resultado do teste está apresentado na coluna TESTE, onde pode ser observado que para apenas uma das entradas, a saída não correspondeu ao valor esperado. 5

6 Figura 11 Esquemático da ULA de 1 Bit. Figura 13 Característica de transferência simulada do VCO. Figura 12 Layout da ULA de 1 Bit (48.72µm x 45.65µm) Teste dinâmico da ULA Com o analisador lógico 1673G, injeta-se um padrão de pulsos no barramento de entrada. O gerador de padrão pode ser programado para gerar os sinais previstos na tabela verdade e a saída é capturada. Os resultados são salvos em arquivos de texto e figuras com os gráficos Oscilador Controlado por Tensão - VCO O VCO é um oscilador em anel baseado em inversores onde a cada estágio inversor é adicionado um resistor variável e um capacitor para fazer o controle da freqüência de oscilação. Ele possui a mesma topologia do circuito apresentado em [10], porém com uma faixa de freqüências de operação inferior. A característica de transferência simulada do VCO utilizado pode ser é apresentada na Figura 13. O teste do VCO foi realizado com o chip encapsulado utilizando a caixa de medidas projetada. A caixa possui um conector de HF, 300 MHz, para a saída do VCO. Foi utilizado um cabo que possui um conector de HF em uma ponta e um conector tipo N na outra para realizar as medidas utilizando o analisador de espectro da Agilent E4402B e o osciloscópio Infiniium. Foi utilizada uma fonte DC para a alimentação e outra para determinar a tensão de controle do VCO. Inicialmente foi utilizado o analisador de espectro para determinar as freqüências máxima e mínima. Em seguida a tensão de controle foi variada e os valores de freqüências correspondentes foram observados. Outro aspecto observado no espectro de freqüências foi a diferença em db s entre o pico principal e os secundários. O osciloscópio foi utilizado para determinar a amplitude e a forma de onda do sinal de saída do VCO, além de permitir observar o ruído do oscilador que resultava no espalhamento do espectro observado para algumas tensões de controle. 6

7 Figura 14 NMOS: IDSxVDS Figura 16 Transistor de RF: IDSxVDS Figura 15 NMOS: IDSxVGS 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1. Caracterização de Transistores Isolados Todos os transistores funcionaram da forma desejada. Nas figuras 14 e 15, temos as curvas características IDSxVDS e IDSxVGS de um transistor NMOS 5.2. Caracterização do Transistor de RF O transistor apresentou as curva características nos padrões desejados. As figuras 16 e 17 apresentam o resultado Medida do Indutor O indutor apresentou uma variação lenta na indutância. Ele foi observado durante o dia todo e seu valor variou entre 2,20 nh a 4,04 nh. A resistência medida ficou na faixa dos 8,9 ohms. Figura 17 Transistor de RF: IDSxVGS 5.4. Teste dos Buffers Todos os Buffers funcionaram conforme esperado. Na figura 18 temos as formas de onda de entrada e saída de um buffer não inversor e na figura 19 temos o teste de um inversor Teste estático da ULA A maioria das funções funcionou corretamente. Apenas a AND2 apresentou uma falha. Providências estão sendo tomadas para localizar e corrigir o erro. O resultado pode ser observado na figura Teste dinâmico da ULA A figura 21 mostra as formas de ondas de entrada e saída. A maioria das funções funcionou corretamente. Apenas a XOR ficou invertida e as portas AND2 e OR2 apresentaram 1 bit errado. Providências estão sendo tomadas para localizar e corrigir o erro. 7

8 Figura 18 Buffer não inversor Figura 20 Vetores de teste para caracterização da ULA de 1 bit. Figura 19 Buffer inversor 5.7. Oscilador Controlado por Tensão - VCO As freqüências máxima e mínima medidas foram muito próximas das freqüências simuladas, conforme mostra a Tabela 1. Tensão de Controle [V] Freqüência simulada [MHz] Tabela 1 Freqüências máxima e mínima simuladas e medidas para o VCO Freqüência medida [MHz] As Figuras 22 e 23 mostram, respectivamente, o espectro de freqüências e a forma de onda em função do tempo para o VCO com tensão de controle igual a 3.3. A amplitude da saída esperada era de 3.3 V e a amplitude medida variou com a freqüência do sinal, ficando, em média, em 1 V. Uma possível causa é o fato da caixa de medidas ter sido construída com conector de HF que possui faixa de operação de até 300 MHz. A Figura 24 mostra a característica de transferência medida para o VCO. A seleção de freqüência se limitou à faixa de 1.4 V a 1.9 V na variação da tensão de controle do oscilador. Esse resultado não correspondeu à especificação, que determina que o controle de freqüência seja realizado na faixa de 0.9V a 3.3V da tensão de controle, Figura 13. Novos esforços estão sendo realizados para ajustar o controle do VCO. Figura 21 Teste dinâmico da ULA 6. CONCLUSÃO Nesse trabalho foi mostrada a estrutura montada no laboratório de medidas da Universidade de Brasília para teste e caracterização de circuitos integrados encapsulados ou não encapsulados. Os procedimentos de testes utilizados foram relatados e os resultados, sendo alguns preliminares, estão colocados nesse artigo. Os chips de teste fabricados e testados incluem estruturas digitais, analógicas e de alta freqüência. 8

9 0,4 0,8 1,2 1,6 1,9 2,3 2,7 3, Figura 22 Espectro de freqüências do VCO para tensão de controle igual a 3.3 V Figura 24 Característica de transferência medida para o VCO 7. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer a CAPES, CNPq e PADCT pelo apoio financeiro ao projeto. Os autores também agradecem a equipe do Laboratório de Estruturas de Microondas e Ondas Milimétricas, LEMOM, pela ajuda nos testes realizados. 8. REFERÊNCIAS [1] Agilent Technologies: Informações sobre instrumentos de medidas e softwares de marca HP podem ser encontradas no site da Agilent. [2] Traxmaker: Figura 23 Forma de onda em função do tempo do VCO para tensão de controle igual a 3.3 V Os procedimentos de testes realizados na ULA mostraram resultados coerentes, com exceção de algumas estruturas. Tais discordâncias, com relação aos valores esperados, estão sendo avaliadas através da análise das simulações dos esquemáticos das estruturas e pela averiguação dos respectivos layout's. Através dos procedimentos realizados foi possível extrair as curvas que caracterizam os transistores utilizados nos testes. O bloco do VCO funcionou na faixa de freqüências esperada, apresentando uma variação no controle da freqüência fora da especificação. As demais estruturas e blocos testados apresentaram resultados satisfatórios com pequenas variações em relação ao comportamento averiguado em simulação. [3] ENG 182 Rev um CMOS C35 Process Parameters AustriaMicroSystems [4] J. D. Costa, G. S. Beserra, G. M. Araújo, J. C. Marra, A. F. Rocha, J. C. Costa, "Projeto de Estruturas de um Processador Risc para Aplicação em um SOC para Controle de Irrigação", X Taller IBERCHIP, Cartagena de Índias, Colômbia, 10 a 12 de março de [5] J. D. Costa, M. D. B. Melo, W. H. Veneziano, R. P. Jacobi, A. F. Rocha, J. C. Costa, Módulo I.P. de um Processador para aplicações Embarcadas sem Fio, IX Taller IBERCHIP, Havana, Cuba, [6] Keithley: [7] Leandro Santana Assunção, José Camargo da Costa, A 0-10dBm, MHz, 0.35ìm CMOS Class e Power Amplifier with Digital Power Control and Direct Modulation, SBCCI 2003, São Paulo-SP Brasil, Setembro

10 [8] Measurement Computing: [9] National Instruments: Getting Started with LabVIEW - Part Number D- 01, LabVIEW User Manual - Part Number C-01. [10] R. R. P. Soares, P. R. O. Vogel, J. C. da Costa, Sintetizador de Freqüências para Transceptor de RF CMOS em Sistema em Chip, X Taller IBERCHIP, Cartagena de Índias, Colômbia, 10 a 12 de março de [11] Tutorial GPIB: [12] W. A. Amaral, L. Santana, J. C. Costa, R. S. Romariz, Amplificador de Baixo Ruído para Transceptor de RF em SOC, X Taller IBERCHIP, Cartagena de Índias, Colômbia, 10 a 12 de março de