Les microsystèmes sont des composants électromécaniques fabriqués à l'échelle du micron par des procédés technologiques issus des microélectronique. Ils associent sur un même substrat des capteurs et des actionneurs avec des circuits analogiques et numériques d'interface. Comme pour les circuits intégrés, le test des microsystèmes est une étape importante du cycle de fabrication en terme de coût mais également pour assurer un certain niveau de qualité et de fiabilité. Le but de cette thèse est de transposer aux microsystèmes les techniques de test structurel développées pour les circuits intégrés. Ces techniques sont la simulation de fautes et la "conception en vue du test". La simulation de fautes permet de générer des stimuli de test visant des défauts physiques du système et susceptibles d'affecter le comportement du composant. Pour transposer cette technique aux microsystèmes, il a fallu tout d'abord faire une étude des mécanismes de défaillance et des défauts des microsystèmes. Nous avons ciblé deux technologies différentes et représentatives des microsystèmes. Une fois les défauts répertoriés notre étude s'est portée sur la modélisation et l'injection des fautes dans les différents niveaux de modélisation des microsystèmes. La "conception en vue du test" est un ensemble de techniques facilitant les étapes de test de production par l'insertion d'éléments spécifiques dans le circuit. En ce qui concerne les microsystèmes, nous avons cherché, dans cette thèse, à développer des éléments permettant de générer des stimuli de test de différentes natures (multidisciplinaires) à partir de signaux électriques et ceci directement sur le circuit. Nous avons appliqué une conception auto-test à deux exemples de microsystèmes, un capteur d'empreintes digitales à micropoutres et un détecteur infrarouge à thermopiles. Dans les deux cas les éléments rajoutés permettent d'effectuer un test structurel sans avoir recours à une source externe

Le test de circuits analogiques et mixtes est de plus en plus coûteux, représentant parfois jusqu'à 50% du coût total de fabrication du circuit. Les techniques de BIST (Built-In Self-Test) permettent de réduire ce coût en intégrant sur la puce les ressources nécessaires au test. Dans cette thèse, nous présentons une nouvelle technique de BIST pour les Convertisseurs Analogiques-Numériques Sigma-Delta (CAN). Cette approche combine un surcoût en surface et un temps de test très réduits. Puisque les circuits numériques sont de plus en plus petits, nous avons choisi une technique principalement numérique, ce qui est en phase avec la philosophie des convertisseurs Sigma-Delta. Comme signal de test nous utilisons un stimulus numérique qui codifie avec une grande précision un signal sinusoïdal. Le même stimulus binaire est employé pour l'analyse de la réponse, effectuée au moyen d'une régression sinusoïdale (sine-wave fitting algorithm). La réutilisation de ressources présentes dans le circuit permet de calculer le SINAD (SIgnal-to-Noise And Distortion ratio) du convertisseur de manière très efficace. Afin de valider cette technique, un prototype a été conçu et fabriqué dans une technologie CMOS 0.13 µm de STMicroelectronics. Les résultats expérimentaux confirment la capacité de notre technique à mesurer le SINAD dans un convertisseur audio de 16 bits.

Cette thèse vise l'étude de techniques de type BIST pour un front-end RF, considérant des nouveaux types des capteurs intégrés très simples pour l'extraction de signaux. Ces signaux et les stimuli de test associés seront par la suite traités par des algorithmes de l'apprentissage automatique qui devront permettre une prédiction des performances des différents blocs du système. Une évaluation des capteur proposés en tant que métriques de test paramétrique et couverture des fautes catastrophique sera nécessaire pour pouvoir aboutir à des techniques de test à bas coût pour le test de production, permettant une réduction importante du coût de revient des produits.

abstract: Current sensing ability is one of the most desirable features of contemporary current or voltage mode controlled DC-DC converters. Current sensing can be used for over load protection, multi-stage converter load balancing, current-mode control, multi-phase converter current-sharing, load independent control, power efficiency improvement etc. There are handful existing approaches for current sensing such as external resistor sensing, triode mode current mirroring, observer sensing, Hall-Effect sensors, transformers, DC Resistance (DCR) sensing, Gm-C filter sensing etc. However, each method has one or more issues that prevent them from being successfully applied in DC-DC converter, e.g. low accuracy, discontinuous sensing nature, high sensitivity to switching noise, high cost, requirement of known external power filter components, bulky size, etc. In this dissertation, an offset-independent inductor Built-In Self Test (BIST) architecture is proposed which is able to measure the inductor inductance and DCR. The measured DCR enables the proposed continuous, lossless, average current sensing scheme. A digital Voltage Mode Control (VMC) DC-DC buck converter with the inductor BIST and current sensing architecture is designed, fabricated, and experimentally tested. The average measurement errors for inductance, DCR and current sensing are 2.1%, 3.6%, and 1.5% respectively. For the 3.5mm by 3.5mm die area, inductor BIST and current sensing circuits including related pins only consume 5.2% of the die area. BIST mode draws 40mA current for a maximum time period of 200us upon start-up and the continuous current sensing consumes about 400uA quiescent current. This buck converter utilizes an adaptive compensator. It could update compensator internally so that the overall system has a proper loop response for large range inductance and load current. Next, a digital Average Current Mode Control (ACMC) DC-DC buck converter with the proposed average current sensing circuits is designed and tested. To reduce chip area and power consumption, a 9 bits hybrid Digital Pulse Width Modulator (DPWM) which uses a Mixed-mode DLL (MDLL) is also proposed. The DC-DC converter has a maximum of 12V input, 1-11 V output range, and a maximum of 3W output power. The maximum error of one least significant bit (LSB) delay of the proposed DPWM is less than 1%. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2011

abstract: Built-in-Self-Test (BiST) for transmitters is a desirable choice since it eliminates the reliance on expensive instrumentation to do RF signal analysis. Existing on-chip resources, such as power or envelope detectors, or small additional circuitry can be used for BiST purposes. However, due to limited bandwidth, measurement of complex specifications, such as IQ imbalance, is challenging. In this work, a BiST technique to compute transmitter IQ imbalances using measurements out of a self-mixing envelope detector is proposed. Both the linear and non linear parameters of the RF transmitter path are extracted successfully. We first derive an analytical expression for the output signal. Using this expression, we devise test signals to isolate the effects of gain and phase imbalance, DC offsets, time skews and system nonlinearity from other parameters of the system. Once isolated, these parameters are calculated easily with a few mathematical operations. Simulations and hardware measurements show that the technique can provide accurate characterization of IQ imbalances. One of the glaring advantages of this method is that, the impairments are extracted from analyzing the response at baseband frequency and thereby eliminating the need of high frequency ATE (Automated Test Equipment). / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2012

Com a crescente demanda por produtos eletrônicos de consumo de alta complexidade, o mercado necessita de um rápido ciclo de desenvolvimento de produto com baixo custo. O projeto de equipamentos eletrônicos baseado no uso de núcleos de propriedade intelectual ("IP cores") proporciona flexibilidade e velocidade de desenvolvimento dos chamados "sistemas num chip". Entretanto, os custos do teste destes sistemas podem alcançar um percentual significativo do valor total de produção, principalmente no caso de sistemas contendo "IP cores" analógicos ou "mixed-signal". Técnicas de teste embarcado (BIST e DFT) para circuitos analógicos, embora potencialmente capazes de minimizar o problema, apresentam limitações que restringem seu emprego a casos específicos. Algumas técnicas são dependentes do circuito, necessitando reconfiguração do circuito sob teste, e não são, em geral, utilizáveis em RF. No ambiente de "sistemas num chip", como recursos de processamento e memória estão disponíveis, eles poderiam ser utilizados durante o teste. No entanto, a sobrecarga de adicionar conversores AD e DA pode ser muito onerosa para a maior parte dos sistemas, e o roteamento analógico dos sinais pode não ser possível, além de poder introduzir distorção do sinal. Neste trabalho um digitalizador simples e de baixo custo é usado ao invés de um conversor AD para possibilitar a implementação de estratégias de teste no ambiente de "sistemas num chip". Graças ao baixo acréscimo de área analógica do conversor, múltiplos pontos de teste podem ser usados. Graças ao desempenho do conversor, é possível observar características dos sinais analógicos presentes nos "IP cores", incluindo a faixa de freqüências de RF usada em transceptores para comunicações sem fio. O digitalizador foi utilizado com sucesso no teste de circuitos analógicos de baixa freqüência e de RF. Como o teste é baseado no domínio freqüência, características nãolineares como produtos de intermodulação podem também ser avaliadas. Especificamente, resultados práticos com protótipos foram obtidos para filtros de banda base e para um mixer a 100MHz. A aplicação do conversor para avaliação da figura de ruído também foi abordada, e resultados experimentais utilizando amplificadores operacionais convencionais foram obtidos para freqüências na faixa de áudio. O método proposto é capaz de melhorar a testabilidade de projetos que utilizam circuitos de sinais mistos, sendo adequado ao uso no ambiente de "sistemas num chip" usado em muitos produtos atualmente. / With the ever increasing demands for high complexity consumer electronic products, market pressures demand faster product development and lower cost. SoCbased design can provide the required design flexibility and speed by allowing the use of IP cores. However, testing costs in the SoC environment can reach a substantial percent of the total production cost. Analog testing costs may dominate the total test cost, as testing of analog circuits usually require functional verification of the circuit and special testing procedures. For RF analog circuits commonly used in wireless applications, testing is further complicated because of the high frequencies involved. In summary, reducing analog test cost is of major importance in the electronic industry today. BIST techniques for analog circuits, though potentially able to solve the analog test cost problem, have some limitations. Some techniques are circuit dependent, requiring reconfiguration of the circuit being tested, and are generally not usable in RF circuits. In the SoC environment, as processing and memory resources are available, they could be used in the test. However, the overhead for adding additional AD and DA converters may be too costly for most systems, and analog routing of signals may not be feasible and may introduce signal distortion. In this work a simple and low cost digitizer is used instead of an ADC in order to enable analog testing strategies to be implemented in a SoC environment. Thanks to the low analog area overhead of the converter, multiple analog test points can be observed and specific analog test strategies can be enabled. As the digitizer is always connected to the analog test point, it is not necessary to include muxes and switches that would degrade the signal path. For RF analog circuits, this is specially useful, as the circuit impedance is fixed and the influence of the digitizer can be accounted for in the design phase. Thanks to the simplicity of the converter, it is able to reach higher frequencies, and enables the implementation of low cost RF test strategies. The digitizer has been applied successfully in the testing of both low frequency and RF analog circuits. Also, as testing is based on frequency-domain characteristics, nonlinear characteristics like intermodulation products can also be evaluated. Specifically, practical results were obtained for prototyped base band filters and a 100MHz mixer. The application of the converter for noise figure evaluation was also addressed, and experimental results for low frequency amplifiers using conventional opamps were obtained. The proposed method is able to enhance the testability of current mixed-signal designs, being suitable for the SoC environment used in many industrial products nowadays.

Atualmente, os sistemas eletrônicos integrados seguem o paradigma do projeto baseado em núcleos de hardware. Além de núcleos digitais, tais sistemas podem incluir núcleos analógicos, que, neste caso, dominam os requisitos de teste, como tempo de teste e número adicional de pinos. Consequentemente, há um aumento do custo total de manufatura do dispositivo. O presente trabalho propõe o uso de técnicas de autoteste integrado (BIST) analógico, baseado no reuso de núcleos digitais presentes no mesmo sistema, com objetivo de reduzir os custos relativos ao teste do sistema. Além disso, uma estratégia satisfatória requer um adequado planejamento de teste, de forma a melhor explorar as possibilidades de teste simultâneo de mais de um núcleo e o escalonamento do teste de cada um destes, diminuindo custos associados ao teste. Adaptando uma ferramenta computacional voltada ao planejamento de sistemas compostos exclusivamente de núcleos digitais para o universo dos sistemas mistos e considerando a possibilidade do uso de BIST, pode-se avaliar o impacto da estratégia proposta em termos de tempo de teste, acréscimo de área em virtude das estruturas de teste e pinos extras. Restrições de dissipação de potência também são consideradas. Para validação das hipóteses levantadas, sistemas mistos foram descritos a partir de benchmarks industriais e acadêmicos puramente digitais, através da inclusão de núcleos analógicos. Os resultados obtidos através de simulações com a ferramenta apontam para uma redução no tempo de teste e otimização de custos de pinos e área, além da redução no custo de equipamentos automatizados de teste (ATE), para o caso de teste de produção. Com isso, uma redução no custo total do procedimento de teste de tais sistemas pode ser alcançada. / Currently, integrated electronic systems follow the core-based design paradigm. Such systems include not only digital circuits as internal blocks, but also analog circuits, which dominate test resources, such as testing time, extra pins and overhead area, thus increasing the total manufacture cost of these devices. The present work proposes the application of analog Built-in Self Test (BIST) techniques based on the reuse of available digital cores within the same integrated system, aiming to reduce the test costs of the analog cores. Moreover, a satisfactory strategy requires an adequate test planning, so that the design space is better explored. By adapting a software tool, which was originally designed for test planning of exclusively digital SOC, to consider analog cores, as well as the possibility of BIST, one can evaluate the impact of the proposed strategy in terms of test application time, area overhead due to test structures added and extra pins. Power dissipation restrictions may also be taken into account. In order to validate the hypotheses considered, mixed-signal systems are described from digital industrial and academic benchmarks, just adding analog cores. Through simulation with the adapted tool, the obtained results point to a decrease in the system test time, as well as a reduction in the cost of Automatic Test Equipment (ATE), in case of a production test. Thus, a reduction in the overall cost of the test procedure for such devices can be achieved.

Os sistemas eletrônicos digitais estão sendo cada vez mais utilizados em aplicações de telecomunicações, processamento de voz, instrumentação, biomedicina e multimídia. A maioria dessas aplicações requer algum tipo de processamento de sinal, sendo que essa função normalmente é executada em grande parte por um bloco digital. Além disso, considerando-se os diversos tipos de circuitos existentes num sistema, tais como memórias RAM (Random Access Memory) e ROM (Read Only Memory), partes operativas e partes de controle complexas, é cada vez mais importante a preocupação com o teste desses sistemas complexos. O aumento da complexidade dos circuitos a serem testados exige também um aumento na complexidade dos circuitos testadores (teste externo), tornando estes últimos muito caros. Uma alternativa viável é integrar algumas ou todas as funções de teste no próprio chip a ser testado. Por outro lado, essa estratégia pode resultar em um custo proibitivo em termos de área em silício.É interessante observar, no entanto, que se os testes e a função de processamento de sinal não necessitarem ser executados em paralelo, então é possível utilizar uma única área reconfigurável para realizar essas funções de uma maneira sequencial. Logo, este trabalho propõe uma arquitetura reconfigurável otimizada para a implementação desses dois tipos de circuitos (processamento digital de sinais e teste). Com esta abordagem pretende-se ter ganhos de área em relação tanto a uma implementação dedicada (full-custom) quanto a uma implementação em dispositivos reconfiguráveis comerciais. Para validar essas idéias, a arquitetura proposta é descrita em uma linguagem de descrição de hardware, e são mapeados e simulados algoritmos de teste e de processamento de sinais nessa arquitetura. S˜ao feitas estimativas da área ocupada pelas três abordagens (dedicada, dispositivo reconfigurável comercial e nova arquitetura proposta), bem como uma análise comparativa entre as mesmas. Também são feitas estimativas de atraso e frequência máxima de operação. / Digital electronic systems have been increasingly used in a large spectrum of applications, such as communication, voice processing, instrumentation, biomedicine, and multimedia. Most of these applications require some kind of signal processing. Most of this task is usually performed by a digital block. Moreover, these complex systems are composed of different kinds of circuits, such as RAM (Random Access Memory) and ROM (Read Only Memory) memories, complex datapaths and control parts. This way, the test of such systems is ever more important. Likewise, the increasingly complexity of the circuits to be tested requires more complex testers (external test), making the latter more expensive. An approach to address this problem is to embbed the test functions onto the chip to be tested itself. Nevertheless, this approach may bring a prohibitive cost in terms of area on silicon. However, if the test and the signal processing functions are not required to run in parallel, then it is possible to use the same reconfigurable area to implement these functions one after another. Thus, this work proposes an optimized reconfigurable architecture to implement this kind of circuits (digital signal processing and test). This approach intends to decrease the occupied area in comparison to a dedicated and also to a comercial reconfigurable device implementation. To validate these ideas, the proposed architecture is described using a hardware description language and some test and digital signal processing applications are mapped and simulated on this architecture. In this work an estimative of the occupied area by the three approaches (dedicated, comercial reconfigurable device, and the new proposed architecture) as well as a comparison analysis between them are performed. Likewise, a delay estimate is performed and the maximum operation frequency is evaluated.

Os sistemas eletrônicos digitais estão sendo cada vez mais utilizados em aplicações de telecomunicações, processamento de voz, instrumentação, biomedicina e multimídia. A maioria dessas aplicações requer algum tipo de processamento de sinal, sendo que essa função normalmente é executada em grande parte por um bloco digital. Além disso, considerando-se os diversos tipos de circuitos existentes num sistema, tais como memórias RAM (Random Access Memory) e ROM (Read Only Memory), partes operativas e partes de controle complexas, é cada vez mais importante a preocupação com o teste desses sistemas complexos. O aumento da complexidade dos circuitos a serem testados exige também um aumento na complexidade dos circuitos testadores (teste externo), tornando estes últimos muito caros. Uma alternativa viável é integrar algumas ou todas as funções de teste no próprio chip a ser testado. Por outro lado, essa estratégia pode resultar em um custo proibitivo em termos de área em silício.É interessante observar, no entanto, que se os testes e a função de processamento de sinal não necessitarem ser executados em paralelo, então é possível utilizar uma única área reconfigurável para realizar essas funções de uma maneira sequencial. Logo, este trabalho propõe uma arquitetura reconfigurável otimizada para a implementação desses dois tipos de circuitos (processamento digital de sinais e teste). Com esta abordagem pretende-se ter ganhos de área em relação tanto a uma implementação dedicada (full-custom) quanto a uma implementação em dispositivos reconfiguráveis comerciais. Para validar essas idéias, a arquitetura proposta é descrita em uma linguagem de descrição de hardware, e são mapeados e simulados algoritmos de teste e de processamento de sinais nessa arquitetura. S˜ao feitas estimativas da área ocupada pelas três abordagens (dedicada, dispositivo reconfigurável comercial e nova arquitetura proposta), bem como uma análise comparativa entre as mesmas. Também são feitas estimativas de atraso e frequência máxima de operação. / Digital electronic systems have been increasingly used in a large spectrum of applications, such as communication, voice processing, instrumentation, biomedicine, and multimedia. Most of these applications require some kind of signal processing. Most of this task is usually performed by a digital block. Moreover, these complex systems are composed of different kinds of circuits, such as RAM (Random Access Memory) and ROM (Read Only Memory) memories, complex datapaths and control parts. This way, the test of such systems is ever more important. Likewise, the increasingly complexity of the circuits to be tested requires more complex testers (external test), making the latter more expensive. An approach to address this problem is to embbed the test functions onto the chip to be tested itself. Nevertheless, this approach may bring a prohibitive cost in terms of area on silicon. However, if the test and the signal processing functions are not required to run in parallel, then it is possible to use the same reconfigurable area to implement these functions one after another. Thus, this work proposes an optimized reconfigurable architecture to implement this kind of circuits (digital signal processing and test). This approach intends to decrease the occupied area in comparison to a dedicated and also to a comercial reconfigurable device implementation. To validate these ideas, the proposed architecture is described using a hardware description language and some test and digital signal processing applications are mapped and simulated on this architecture. In this work an estimative of the occupied area by the three approaches (dedicated, comercial reconfigurable device, and the new proposed architecture) as well as a comparison analysis between them are performed. Likewise, a delay estimate is performed and the maximum operation frequency is evaluated.

Com a crescente demanda por produtos eletrônicos de consumo de alta complexidade, o mercado necessita de um rápido ciclo de desenvolvimento de produto com baixo custo. O projeto de equipamentos eletrônicos baseado no uso de núcleos de propriedade intelectual ("IP cores") proporciona flexibilidade e velocidade de desenvolvimento dos chamados "sistemas num chip". Entretanto, os custos do teste destes sistemas podem alcançar um percentual significativo do valor total de produção, principalmente no caso de sistemas contendo "IP cores" analógicos ou "mixed-signal". Técnicas de teste embarcado (BIST e DFT) para circuitos analógicos, embora potencialmente capazes de minimizar o problema, apresentam limitações que restringem seu emprego a casos específicos. Algumas técnicas são dependentes do circuito, necessitando reconfiguração do circuito sob teste, e não são, em geral, utilizáveis em RF. No ambiente de "sistemas num chip", como recursos de processamento e memória estão disponíveis, eles poderiam ser utilizados durante o teste. No entanto, a sobrecarga de adicionar conversores AD e DA pode ser muito onerosa para a maior parte dos sistemas, e o roteamento analógico dos sinais pode não ser possível, além de poder introduzir distorção do sinal. Neste trabalho um digitalizador simples e de baixo custo é usado ao invés de um conversor AD para possibilitar a implementação de estratégias de teste no ambiente de "sistemas num chip". Graças ao baixo acréscimo de área analógica do conversor, múltiplos pontos de teste podem ser usados. Graças ao desempenho do conversor, é possível observar características dos sinais analógicos presentes nos "IP cores", incluindo a faixa de freqüências de RF usada em transceptores para comunicações sem fio. O digitalizador foi utilizado com sucesso no teste de circuitos analógicos de baixa freqüência e de RF. Como o teste é baseado no domínio freqüência, características nãolineares como produtos de intermodulação podem também ser avaliadas. Especificamente, resultados práticos com protótipos foram obtidos para filtros de banda base e para um mixer a 100MHz. A aplicação do conversor para avaliação da figura de ruído também foi abordada, e resultados experimentais utilizando amplificadores operacionais convencionais foram obtidos para freqüências na faixa de áudio. O método proposto é capaz de melhorar a testabilidade de projetos que utilizam circuitos de sinais mistos, sendo adequado ao uso no ambiente de "sistemas num chip" usado em muitos produtos atualmente. / With the ever increasing demands for high complexity consumer electronic products, market pressures demand faster product development and lower cost. SoCbased design can provide the required design flexibility and speed by allowing the use of IP cores. However, testing costs in the SoC environment can reach a substantial percent of the total production cost. Analog testing costs may dominate the total test cost, as testing of analog circuits usually require functional verification of the circuit and special testing procedures. For RF analog circuits commonly used in wireless applications, testing is further complicated because of the high frequencies involved. In summary, reducing analog test cost is of major importance in the electronic industry today. BIST techniques for analog circuits, though potentially able to solve the analog test cost problem, have some limitations. Some techniques are circuit dependent, requiring reconfiguration of the circuit being tested, and are generally not usable in RF circuits. In the SoC environment, as processing and memory resources are available, they could be used in the test. However, the overhead for adding additional AD and DA converters may be too costly for most systems, and analog routing of signals may not be feasible and may introduce signal distortion. In this work a simple and low cost digitizer is used instead of an ADC in order to enable analog testing strategies to be implemented in a SoC environment. Thanks to the low analog area overhead of the converter, multiple analog test points can be observed and specific analog test strategies can be enabled. As the digitizer is always connected to the analog test point, it is not necessary to include muxes and switches that would degrade the signal path. For RF analog circuits, this is specially useful, as the circuit impedance is fixed and the influence of the digitizer can be accounted for in the design phase. Thanks to the simplicity of the converter, it is able to reach higher frequencies, and enables the implementation of low cost RF test strategies. The digitizer has been applied successfully in the testing of both low frequency and RF analog circuits. Also, as testing is based on frequency-domain characteristics, nonlinear characteristics like intermodulation products can also be evaluated. Specifically, practical results were obtained for prototyped base band filters and a 100MHz mixer. The application of the converter for noise figure evaluation was also addressed, and experimental results for low frequency amplifiers using conventional opamps were obtained. The proposed method is able to enhance the testability of current mixed-signal designs, being suitable for the SoC environment used in many industrial products nowadays.