Pipeline ADC Built-In Self Test

204 Pages·2017·6.3 MB·English

by  Guillaume Renaud

Pipeline ADC Built-In Self Test
Guillaume Renaud
To cite this version:
Guillaume Renaud. Pipeline ADC Built-In Self Test. Micro and nanotechnologies/Microelectronics.
Université Grenoble Alpes, 2016. English. ￿NNT: 2016GREAT064￿. ￿tel-01468218￿
HAL Id: tel-01468218
https://theses.hal.science/tel-01468218
Submitted on 15 Feb 2017
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE la Communauté UNIVERSITÉ
GRENOBLE ALPES
Spécialité : Nano-électronique et Nano-technologies
Arrêtéministériel:7Août2006
Présentéepar
Guillaume Renaud
Thèse dirigée par Salvador Mir
et co-encadrée par Manuel J. Barragán
préparée au sein TIMA
etdel’ÉcoleDoctoraleÉlectronique,Électrotechnique,Automatiqueet
Traitement du Signal (E.E.A.T.S)
Auto Test de Convertisseurs de
Signal de Type Pipeline
Thèse soutenue publiquement le 29 Novembre 2016,
devant le jury composé de :
M. Dominique Dallet
Professeur,IMS/BordeauxINP,Président
Mme. Adoración Rueda
Professeur,IMSE-CNM/InstitutdeSéville,Rapporteur
M. Serge Bernard
HDR,LIRMM/UniversitédeMontpellier,Rapporteur
M. Hervé Naudet
Ingénieursenior,STMicroelectronicsGrenoble,Examinateur
M. Salvador Mir
Directeur de recherche CNRS, TIMA/Université Grenoble-Alpes, Directeur de
thèse
M. Manuel J. Barragán
ChargéderechercheCNRS,TIMA/UniversitéGrenoble-Alpes,Co-Encadrant

Tomyfamilyandmyfiancée

Acknowledgments
I would like to first and foremost thank my advisors Salvador Mir and Manuel Barragán
for their guidance and support. I learned a lot during my PhD thesis, and it is definitely
thankstothem. IwouldalsoliketothankSalvadorandEmmanuelSimeuforhostingme
intheRMSteam.
Many thanks also go to the people who helped me during these years. I would like to
acknowledge the staff of TIMA Laboratory for their efficient help (Anne-Laure Fourne-
ret Itié, Laurence Bentito, Youness Rajab, Frédéric Chevrot, Ahmed Khalid and Nicolas
Garnier). ThankstoMamadouDialloforthedesignofthetestchipandtheevaluationbo-
ards,andthankstoAlexandreChagaloyaforthesupportduringthetestchipdesignphase.
Morevover,thankstoSkandarBasrourforlettingmeaccessandusetheequipmentofthe
test room facilities at CIME. Thanks to Slim Bellil and Robin Rolland for their support
onthetestingplatform,andthankstotheMNS/Hap2Usquad(Mickaël,Emilie,François,
Adrian, Achraf) for kind of accepting me in the team while I was performing the measu-
rements. ThankstoHervéLeGall,HervéNaudet,andAlexandreProustforthetechnical
supportatSTMicroelectronics.
Sincere thanks to the members of the jury for accepting and finding the time in their
respective agendas, especially Adoración Rueda, Dominique Dallet, and Serge Bernard
fortravellinglongdistancesinordertoattendmyPhDdefense.
I would like to thank my (former) colleagues and close friends from the RMS team
(Martin,Thanasis,Asma,Rshdee,Hani,Laurent,Brice,Diane)andfromotherteams(Si-
mon, Alban) for the technical help and the good times we spent together in (and outside)
thelab.
Many (if not all) of those who are PhD now know that the PhD thesis is not an easy
pathtowalk,soIwouldliketospeciallythankmyfriends,myfamily,andmyfiancéefor
theircaringloveandsupportduringroughtimes.
i

Contents
Acknowledgments i
ListofFigures vi
ListofTables x
1. Introduction 1
1.1. Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. Industrialproductiontesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3. Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4. Outlineofthisthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2. StateoftheartofADCtesting 9
2.1. ADCperformancetesting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1. Basicconcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2. DifferentialNonLinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.3. IntegralNonLinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.4. Gainerror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.5. Inputoffseterror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.6. Correctionofgainandoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. ADCtestingtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1. Standardstaticlinearitytesttechniques . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2. State-of-the-artstaticlinearitytesttechniques . . . . . . . . . . . . 20
2.3. On-chipstimulusgeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1. Integration-basedstimulusgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2. DAC-basedstimulusgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.3. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3. Servo-loopalgorithm 49
3.1. Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.1. Classicalservo-looptechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.2. Proposedservo-looptechniqueforBISTapplication . . . . . . . . 51
3.2. Characterizationandcomparisonofthetwotechniques . . . . . . . . . . 56
3.2.1. Numberofaveragedsamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.2. Generatorstepsize . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
iii
Contents
3.2.3. Accuracy-testtimetrade-off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.4. INLestimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3. Reduced-codetestingtechniquesforpipelineADCs . . . . . . . . . . . . 70
3.3.1. PipelineADCoverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3.2. ApplicationoftheRCLTtopipelineADCs . . . . . . . . . . . . . 78
3.4. Proposedservo-loopalgorithmwithRCLTforpipelineADCBIST . . . . 87
3.4.1. Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.2. Comparisonoftheproposedservo-loopalgorithmwithandwithout
RCLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
3.5. Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4. DesignofarampgeneratorforADCtesting 91
4.1. Proposedsignalgenerationtechnique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2. Design considerations for a practical implementation of the proposed on-
chipstimulusgenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.1. Operationalamplifierdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.2.2. Finitegainandintegratorleakage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.3. Gainbandwidthandslewrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.2.4. Input-referrednoise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.5. Operationalamplifierinputoffset . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.2.6. Chargeinjectionandclockfeedthrough . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.2.7. Clockgeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3. Practicalimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.1. Fully-differentialrampgeneratorforstaticlinearityADCtest . . . 111
4.3.2. Layoutofthegenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5. Simulationandexperimentalresults 119
5.1. Simulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.1.1. Rampgeneratorsimulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.1.2. Servo-loopsimulationresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2. Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1. Testsetups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.2. Rampgeneratorexperimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.3. ADCtestexperimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6. Conclusion 141
6.1. Summaryofthecontributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
6.2. Furtherwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
iv
Contents
Bibliography 145
Publications 153
A. Résuméenfrançais 154
Abstract 187
v