自分で学ぶ半導体テストセミナー:技術者の自己啓発の参考に

創作幸房:身の回りにある半導体のテスト技術:PLLのテスト

標準回路としてのPLLの半導体テスト入門
このサイトは創作幸房の自分で学ぶでテストセミナー資料室シリーズのNo11です。ここでは技術者の自己啓発の一環や技術常識として、多くの分野に応用できる標準集積回路としてのPLL(フェイズロックループ:位相同期回路)を学んでいきます。テスト手法を中心に分かりやすく解説していますので学習の参考として活用してください。

参考のテスターやデバイスの構成などは創作幸房の半導体量産テスト用の大型自動検査装置の経験に基きます。注意として資料の活用はご自身の判断と責任で行っていただけますようお願いいたします。


半導体の設計、評価、出荷検査などに量産に必要となる半導体のテスト技術において、多くの半導体を構成する標準パーツとして使われているPLL(フェイズロックループ)を基礎を学ぶ一環として取り上げています。DCやAC測定のシリーズにくわえて今回あらたに信号の時間変動の基礎となるジッタ測定を中心にパソコン関係の周辺回路やチューナー関係など身の回りにある多くの製品の半導体テストにも応用できます。「PLLとは」の解説から評価・テストの基本まで大切な基礎技術の入門として学んでいきましょう。

始めに:PLLとは

PLL(フェイズロックループ)とは位相同期回路(いそうどうきかいろ)とも呼ばれ、入力の周期信号に対してフィードバック制御を行い、基準周波数とVCOなどの別の発振器から位相が同期した信号を出力し、(周波数を)同期させる電子回路です。
入力から抽出加工(波形整形など)したフィードバックと元の信号を加えるなどの操作をすることで、様々な入力信号を安定した状態で作り出すことができます。多様な用途に使用されており、用途によって各種のPLLが開発されています。使用頻度の高い標準集積回路(セルとも)にもなっています。

動作原理は、入力信号を基準周波数として、電圧で周波数を制御するVCO(電圧制御発振器)の出力信号と入力信号の位相差をVCOにフィードバックすることにより、入力信号と出力信号の位相を同期させます。
発信周波数を一定に保つことやカウンタと組み合わせて入力信号の整数倍ので信号を出力することができることから、
用途としては携帯電話や無線機の周波数制御やマイクロプロセッサを外部クロックにより高速化することにも使用されています。


サイトの目次:

・半導体テスト技術:PLLデバイステスト入門

■PLLテスト入門
1.PLLデバイスの動作と基本構成
2.PLL出力信号波形の取り込み手法
3.PLLデバイスのACファンクションテスト
 ・アイパターン
 ・ライズ・フォールタイム
 ・タイムインターバル
 ・離散フーリエ変換
 ・ジッタ評価
 ・ロックタイム
 ・直交変(復)調法


■テスト手法
1.測定値データの変動
2.スムージング
3.アベレージング




 
PLLデバイスの動作と基本構成


標準電子回路として使用頻度の高いPLLデバイスの基本構成を学びましょう。

・PLLの動作と基本構成

■PLL(フェイズロックループ)

・PLLの動作と基本構成
入力信号の位相に同期して出力(N逓倍)信号を同期出力する


資料の活用に関してはご自身の責任で判断いただけますようお願いいたします。引用する場合はソースを明示していただけますようお願いいたします。




PLLデバイスのテスト入門


標準電子回路として使用頻度の高いPLLデバイスの半導体テスタによるテストを学びましょう。

・PLL出力信号波形の取り込み手法

■PLLの出力波形の取り込みは周波数がテスタ装備のデジタイザ(ADコンバータ)
のナイキスト周波数より低ければリアルタイムで取り込み、それ以上の場合は
アンダーサンプリングによりサンプラーかデジタルコンパレータをフロントエンド
として行う。


1.サンプリングによる波形取り込みの基礎

■離散時間システム:デジタイザ(ADコンバータ)のサンプリング周波数で標本化された自然数列n(等時間間隔でサンプリング)として測定演算をおこなう。


2.リアルタイムの信号取り込みの基礎1

■エリアシングフィルタの必要性:信号の高周波成分の折り返しの影響を除く


3.リアルタイムの信号取り込みの基礎2

■サンプリング周波数が入力周波数より大きい場合はナイキイスト周波数までは問題なく取り込みと信号の再現が可能
注:サンプリング周波数の半分の周波数のサイン波まで再生が可能( 2点のデータからフィットするサイン波を再現・計算。ただしサンプリング周波数の1/2まで)それ以上ではエリアシング(計算上も)で折り返された信号と元信号の区別がつかない


4.アンダーサンプリングによるエリアシングの利用

■アンダーサンプリング:サンプリング周波数より高い信号波形を正しく再現するために、コヒーレントな周波数設定(注1)をおこなって折り返しにより波形を演算で再現。


5.アンダーサンプリングによる取り込み波形の並び替え

■アンダーサンプリング:測定演算に必要なサンプル数の波数を取り込む。この波形を再度信号周期内に仮想サンプリングで並び替え(シャッフル演算)て再現する。


6.近接信号の差分抽出とミラーリング信号を利用  

■出力信号と近接するサンプリング周波数で標本化を行い、2波の周波数の差分信号をエリアシングにより抽出する。この差分周波数からfsのミラー信号としてfiを再現する


7.デジタルチャンネルによる信号波形の取り込み1

■デジタルチャンネルのコンパレータの周波数特性がカバーできる範囲の信号ではパーピンタイミングジェネレータにより、信号出力波形をコンパレータレベル、ストロボタイミングの2次元シュムーとしてスキャンして取り込む。波形はPassとFailの境界線として観測される。


8.デジタルチャンネルによる信号波形の取り込み2

■信号周波数がデジタルチャンネルの仕様より高い場合は外付けの高速なラッチ回路と高周波AWGやSGなど
を高精度・高分解能クロックとして使用して2次元シュムーで波形を取り込む。


資料の活用に関してはご自身の責任で判断いただけますようお願いいたします。引用する場合はソースを明示していただけますようお願いいたします。



PLLデバイステスト


■ PLLデバイステストの項目

・PLLデバイスのACファンクションテスト
 1.アイパターン
 2.ライズ・フォールタイム
 3.タイムインターバル
 4.離散フーリエ変換
 5.ジッタ評価
 6.ロックタイム
 7.直交変(復)調法


・テスト手法の概要



1.アイパターンの測定

■アイパターンの測定では信号波形のパターン依存性、ノイズ、ジッタ、ライズタイム、フォールタイム、レベルの変動などを最大最小値の累積から最悪条件として総合的に判定する。
アイが大きく開くほど信号に対する劣化成分が小さい。


2.ライズ/フォールタイムの測定

■ライズ/フォールタイムの測定ではデジタル波形の、ドライバ特性や非対称性、などを評価する。
10−90%や20−80%などレベルを規定して測定する。
システムのTIM(タイムインターバルメジャメント)機能がカバーできる周波数まではリアルタイムでまたそれ以上はコンパレータや外付けラッチの併用などで2次元シュムーでおこなう。


3. 出力信号周波数の測定

■ライズまたはフォールエッジでのタイムインターバル測定により周波数を測定する。
測定周波数がTIMの仕様を超える場合はアンダーサンプリングで取り込んだ波形を使う。


4. DFT/FFTによる周波数測定

■TIMの仕様を超えた周波数帯域ではアンダーサンプリングで取り込んだ波形をDFT/FFTなどの時間・周波数変換演算を用いて基本波の測定を行う。


5.1 ジッタ評価:タイムメジャメントによる解析

■タイムインターバルを配列変数に取り込み、この時間軸の変化をそのまま周波数領域で振幅・位相、パワーの解析を行う。
これによりジッタの周波数や遷移幅のデータが得られる。
またこれらのデータのなかに振幅の大きな周波数成分があれば、抽出して後述のシステムで測定のタイミング変調に用いれば、変調した基準タイミングテストでが行える。
またサンプル数を多く取り、観測時間を長くすれば周波数の遷移(ドリフト)の解析もある程度可能になる。


5.2 ジッタ評価:アンダーサンプリングによる波形取り込み1

■アンダーサンプリング:サンプリング周波数より高い信号波形を正しく再現するために、コヒーレントな周波数設定(注1)をおこなって折り返しにより波形を演算で再現。


5.3 ジッタ評価:アンダーサンプリングによる波形取り込み2

■アンダーサンプリング:測定演算に必要なサンプル数の波数を取り込む。
この波形を再度信号周期内に仮想サンプリングで並び替え(シャッフル演算)て再現する。


5.4 ジッタ評価:ジッタコンプライアンステスト

■主なジッタの要因:周期性ジッタ/パターン依存性ジッタ/ランダムジッタ


5.5 ジッタ評価:高速PLLのテストの設定例

■外付けラッチなどによるデジタルコンパレータを使用する場合は2次元シュムーを使用する。
(サンプラーを使用した設定例、システムのデジタル信号処理用メモリに直接取り込む。)


5.6 ジッタ評価:デジタルチャンネルによるエッジの取り込み

■ジッタ測定(ヒストグラムから確率分布計算)


5.7 ジッタ評価:デジタルチャンネルによるエッジの取り込み

■パターン依存性ジッタとランダムジッタ


5.8 ジッタ評価:周波数応答の時間遷移

■デジタル信号処理演算:
理想的な出力信号周期の平均値サイクルでのディスクリートフーリエ変換により各周期における位相データを計算する


5.9 ジッタ評価:周波数応答と時間応答のピーク値

■フェイズノイズでは時間領域のピーク値のフェイルを検知できない


6. ロックタイム(引き込み時間)

■デジタル信号処理演算:
理想的な出力信号周期の平均値サイクルでのディスクリートフーリエ変換により各周期における位相データを計算する


7. 直交変復調法

■信号出力の瞬時変動をデジタル信号処理演算で変調(サンプリング周波数との乗算)を行って、2波の周波数の差分信号をローパスフィルタ演算により周波数変化分として抽出する。これによりPLLの動特性を周波数の時間変動として評価できる。
注:アナログの変調手法では近接する2搬送波(信号波)のビート信号(包絡線)の抽出に相当する。


資料の活用に関してはご自身の責任で判断いただけますようお願いいたします。引用する場合はソースを明示していただけますようお願いいたします。




テスト手法:データの平均化と平滑化



■測定値データのスムージングとアベレージング

1.現象(測定信号)の変動
 測定データの変動を時間的な変動(または周波数応答)として観た場合
 1.比較的低速なドリフト
 2.測定系や測定法による、ある周波数帯域での不規則なデータの変動(外乱も含む)
 3.熱的な揺らぎなどによるランダムノイズ
などが考えられます。

2.スムージング:
  移動平均(個々の測定サンプル値を毎回参照せずに過去からの任意の測定期間
  での平均値を順次適用する)を用いることで、周波数応答でのローパスフィルタと
  同様の効果を得ることが出来る。

3.アベレージング:
  測定現象が周期的な場合、ランダムなノイズは同期加算を行うことにより
  加算回数に応じた低減が可能になる。



1.現象(測定信号)の変動



2.スムージング



3.アベレージング



3.1アベレージングの特性

■平均回数を増やせばノイズの影響を下げられるが、測定時間は長くなる。
また外乱を含めて平均すると測定値は安定するが、外乱がランダムでない場合は外乱の平均値の影響を受ける。



資料の活用に関してはご自身の責任で判断いただけますようお願いいたします。引用する場合はソースを明示していただけますようお願いいたします。






あなたがデジタル信号処理の仕事で壁を感じた時、
心構えの問題だと感じたら読み進めて下さい。


はじめに

論理思考だけではなかなか壁を越えられない

担当技術者自身が難局面を打開して解決へと向かうには教科書的な(言語や理論による)論理思考だけではなかなか壁を越えられない事があります。
 この資料では技術者がテストパッケージの作成やデバッグ時の壁や困難さに直面したとき堂々巡りの悪循環から抜け出せるよう、マインドセットによる解決法を学びます。
  テスタにおける問題解決を念頭に置いています。しかしながらプログラム開発や不良解析の局面で、あなたが解決したいと思う場面でも応用可能です。 若手の方は発想の転換で得た結果・方法に関して必ず経験者や上司のアドバイスをもらうようにしてください。  
あなたが壁を乗り越え、次のステップへと向かわれますように。


発想の転換のために

左脳の働き

このサイトに来られたあなたは技術者として、すでに仕事で左脳の反復使用を続けていると思います。
 (技術)教育では特に言語、数学、科学の学習を主に受けてきたため、自然と左脳を多く使う状況になっています。
特徴として左脳は言語と理論で論理的に思考し、計算し、記憶します。演算のバッファ領域が限られるため、処理が終わるとすぐに忘れて(リセット・クリアして)しまいます。覚えているためには定期的な反復が必要ですし、能力の維持には継続的な努力が必要です。
 さらに肉体的な特性から、意識集中には緊張が必要で、疲れやすく、ストレスがたまりやすいなどの特徴があります。

先ず右脳の特徴をみてみましょう。左脳が直接意識する顕在意識脳なら右脳は本能的な感覚や直感で処理をする潜在意識脳です。
イメージ的な処理を得意とし、大量の情報を超高速に処理し、極めて許容力の大きな記憶領域をもっています。
また創造性、空間構成、感情表現に係わっています。
現象を理解できない局面やストレスを感じながら、どう対処してよいか迷ったり、アイデアが出てこない、壁を越えられない時など発想の転換をすべき場面がたくさんあるはずです。
 そんな時積極的に視点を変え発想の転換を図りましょう。(量産の現場では社内基準とノウハウを理解しておく必要があります)



デバッグのブラックホール

右脳を活用する?

以下のことにひとつでも思い当たったら、あなたには右脳を活用する十分なチャンスがあります。(ぜひ活用してください)
‐XXXのせいでうまくいかないんだ。(責任の転嫁)
‐こんな方法で上手くいくだろうか?(疑いと不安)
‐この方法でよかったんだろうか?。(選択の迷い)
‐終わるまで徹夜してでもがんばっていくんだ。(楽は悪だ)
 これらの考えが浮かんだら積極的に発想の転換を計る機会だと考えましょう。ただし量産の現場では経験者の指導を必ず受けてください。


あなたが電子計測の壁を感じた時
心の散歩道に出かけてちょっとだけゆとりを取り戻す参考にして下さい。


心の散歩道

原因:どこか素直に発想できない

質問です。あなたの嫌いな人を心の中に思い浮かべて下さい。 どうでしょうか?何人かの顔や名前が浮かびましたか?
 嫌いな人が一人でも思い浮かんだら、とても大切なことがあります。それはあなたが先ずあなた自身を許す必要があることです。
 心理学的にはあなたの嫌いな人(許せない人)はあなたの抑圧された、生き残れなかった分身だといわれています。
 もしあなたが誰かを嫌いだとしたら、それはあなたがあなた自身を許していないことになります。自己を否定していてはあなたの思い描いたことはそのままでは受け入れられないことになります。

対策:相手を祝福する

アメリカのビジネスで成功を収めた多くの人の中の一人は、大きな成功を目指すなら、すべての人を許す必要があると述べています。
 もしあなたが誰かを許さないことで、自己を否定していてはあなたの思い描いたことはそのままでは右脳に受け入れられないことになります。
どうしても許せなかったらどうしましょう?
 そんな時は嫌いな対象をみんな「祝福」してしまいましょう。 表現をかえるとあなたの考えが変わります。
 彼(彼女)には彼らなりの考え方と取り組み方があるのです。やり方を尊重することで否定しないことを選択できます。

対策:自分を許す・解放する

心理療法の世界では悩み・苦しみはその人の過去の体験に基づくと考えて対応をしている例があります。
 過去の失敗などにより生じたこころの痛手を消せなければこの悩み・苦しみからは逃れられません。あなたの心の傷として残っていることも、被害者として相手を恨む・憎悪の気持ちとしての感情も、いずれにしてもあなたはマイナスのわなに捕らわれている事になります。目的達成のためにはにこれらのしがらみからあなたを解放する必要があります。
 心理療法の手法では過去の失敗体験などをロケットにのせて飛ばしてしまうなどの方法もあります。
 こだわりの残る過去のデバッグの失敗から自分を許してしまいましょう。

原因:思いとは裏腹の結果を連想してしまう

次の質問です。あなたの欠点を心の中に思ってください。
どうでしょうか?いくつか心の中に浮かびましたか?
 欠点がひとつでも思い浮かんだら、大切なことがあります。それはあなたには技術者として豊かな人生を過ごす価値がある人間だとあなた自身が認識することが必要です。
 自己啓発の世界では成長のため、その第一歩として欠点を認めさせます。そしてその改善への取り組みが始まります。
 失敗などをした時、慰める意味で「完璧な人間などいない」などの表現も使われます。これは広く受け入れられています。
 ここに落とし穴があります。

対策:改善の余地

自己啓発として欠点を認識し、それを改善するアプローチはおごりを鎮め、自己を成長させる方法としては有効です。しかしながら右脳への伝達にはちょっと注意が必要です。
 自分は欠点のある人間だと考えることはマイナスの要因として、技術者として価値のない人間だ。まだ成功するほどの存在ではないと今の自分を貶めてしまう危険があります。
 視点を変えて伸びる可能性(余地)を認識すればよいのです。この部分を延ばせば成長するなどと発想を変えればよいのです。
 これは視点を変えただけではありません。視点を変えたことであなたが変わるのです。

原因:期待と逆の結果が導かれる

前提:仕事上のライバルが存在する
目的を達成するためにあなたはライバルに勝つ事を思い描きました。ところが相手に勝つことはできませんでした。
「うまくいかなかった。なぜなんだ」いったいどこに原因があるのでしょうか?
「ライバルに勝ちたい」と思ったこころの底に:
           今は勝っていない自分がいる(負けの肯定)
           負けたくない、負けたら困る(恐れや恐怖)
ライバル勝ちたいと念じたつもりでも勝たないこと(願いの否定)が右脳に伝達されてしまうことがあります。

対策:自分に勝つ

ライバルに勝とうと意識すると、相対的な優位性を目指すことになります。仕事ではうまくいく場合もあります。しかしながらこれは結果の質を考えた場合、マイナス要因を伴うことがあります。目的の達成を低いレベルで競うことや、相手の妨害をするなど手段を選ばぬ方向に走ってしまうことがあります。
 技術レベルの高い目的を目指す場合は相手を良いライバルと考えて、お互いにより高い目標を目指すことが良い結果(高いレベルに到達する)をもたらします。相手との相対関係を意識すると不安が付きまといます。負けることへの恐怖が広がることもあります。そんな状況より、高い目標の達成に向けて自分に勝つようにつとめることで、集中力をたかめて右脳に願いを正しく伝達することができます。

参考対策:習慣化する

それでも「できない」と言うあなたは、繰り返し、繰り返し実行する(言葉にする)ことで達成する方法があります。
 仏教の信者でなくとも、最近では情報起業のコピーライトの教材にも写経(書き写すこと)の大切さが説かれています。
 自己啓発の世界でも成功者には共通した習慣があり、その良い習慣の大切さが広く知られています。会社に自己啓発のプログラムがあれば身近に体験できると思います。
 技術の世界も例外ではありません。学習なら単純に繰り返すことで効果が上がることが知られています。
 成功を目指すならアファーメーションと呼ばれる自分に対する肯定の宣言文を繰り返し唱える方法もあります。



このサイトが、実際にあなたの目的達成のお役に立てれば幸いです。
前半では技術的な内容をお話しました。後半は視点を変えてその内容を生かすための心構え(マインドセット)についてお話しました。 
あなたが目的を達成され、次の目的へと向かわれますように応援しています。
 ご意見とフィードバックをいつでも歓迎いたします。



掲載ガイドライン
学習には個人差があります。サイトの訪問者の方に誤解を与えたり不快感を感じるような誇大な表現は極力排除するように努めております。出来る限り事実をお伝えし、目的達成に少しでも貢献できますように改善に努めて参ります。また使用に関する結果にはご自身の責任で対応していただけますようお願いいたします

今更聞けない人に。CMSのすすめ