開關電流電路故障診斷技術的初步研究

開關電流(SI)技術是繼開關電容(SC)技術之后出現的又一種新的模擬采樣數據信號處理技術。在SC技術中，需要特殊的雙層多晶硅工藝，而SI技術則不同，他是一種僅由MOS晶體管和MOS開關構成的采樣數據網絡，利用MOS晶體管在其柵極開路時通過存儲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格，不需要線性浮地電容，與數字CMOS工藝相兼容，易于VLSI實現。此外，SI電路的信號用電流表示，對電壓要求并不嚴格，電路可以在低壓低功耗下工作。由于這些特點，SI技術引起了國內外學術界的廣泛關注，并得到迅速發展[1-6]。由于SI技術得到廣泛應用，而電子電路都可能有故障存在，這就提出一個新的課題：怎樣對SI電路進行故障診斷。故障診斷是指，在已知網絡的拓撲結構、輸入激勵信號和故障下的響應時，求解故障元件的物理位置和參數。要求求解的結果是惟一的，但有時卻不能保證。SI測試技術已有所發展，故障診斷技術則剛剛開始起步，有不少困難存在，需要一一克服。

1開關電流基本功能塊

1．1 電流存儲單元

電流存儲單元主要利用MOS管柵電容的電荷存儲效應來實現電流存儲功能。圖1所示電路，TS1，TS2，TS3是由MOS管構成的開關，受互補時鐘信號φ1，φ2的控制。在采樣相φ1(處于高電平時)，TSl，TS3閉合，TS2打開，對T1管柵源電容充電，建立電壓Vgs，使流過T1管的電流Id=J+Jin；在保持相φ2(處于高電平時)，TS1，TS3打開，TS2閉合，理想情況下，T1管柵電容Cgs無放電回路，因而Vgs保持不變，流過T1管的電流保持不變，Iout=－Iin,實現了電流存儲功能。

1．2延遲單元

延遲單元包含兩個級聯的單晶體管電流存儲單元和一個為取得全時鐘周期輸出信號而附加的任選附件輸出級。在時鐘周期的φ2相(跟圖1相同)，輸入信號電流i(n－1)與晶體管T1中的第一個偏置電流相加。在下一個時鐘周期(n)的φ1相，T1保持電流J+i(n－1)，并且在第二個電流存儲器T2中取樣輸出電流－i(n－1)。在時鐘周期(n)的φ2相，T2保持電流J－i(n－1)，而輸出電流io1(n)=i(n－1)。在時鐘周期(n)的φ1相和φ2相期間，任選級輸出電流io2保持在i(n－1)。

1．3積分器模塊

同相無耗積分器的傳遞函數為：

式中有3項，第一項對應于具有增益常數a/T的無耗連續時間同相積分器的頻率響應；第二項(wT/2)/sin(wT/2)是取樣數據積分器與理想響應的偏差；第三項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為：

式中，aT是增益常數，sin(wT/2)/(wT/2)是取樣數據微分器響應與理想情況的偏差，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開關電流的誤差

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的故障都會序貫地通過電路，因此，可在輸出端觀察電路是否有故障發生。以電流監測為基礎的模擬電路測試是通過比較已知的良好源和被測器件的電流特征標記進行判斷。通過了嚴格的參數和功能檢驗的器件或通過仿真，可獲得良好特征標記。

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

SI電路的非理想性能主要是失配誤差，輸出一輸入電導比誤差，調整誤差，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和電荷注入引起的[1-4]。本文將重點分析電荷注入誤差。

2．2 電荷注入誤差

對圖1所示SI存儲單元，電荷注入誤差主要是由于開關晶體管TS3在關斷時(時鐘的下降沿)，存儲在該晶體管的溝道和襯底中的電荷流入存儲晶體管T1柵源電容，導致Vgs變化所致。該電荷通過兩種途徑流入T1管的柵：通過溝道流入或通過柵源或柵漏重疊電容的饋通方式流入，即通常所說的時鐘饋通效應。

設流人T1柵源電容的電荷電量為△Q，他是開關管TS3的柵襯底和柵源漏重疊電容所存儲的總電荷的一部分，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系。

(1)開關管TS3在關斷期間所產生的電荷量是同其柵和源漏的電位差有關的，而TS3源漏電位的大小受輸入信號的影響，即這部分電荷注入誤差與信號有關；

(2)作為T1管的跨導gm，其非線性的特點(I-V特性為平方關系)導致了輸出電流偏差。尤其是當輸入信號較大時，偏差尤其嚴重，如圖5所示。

因此，與信號無關的△Q將被轉化為與信號相關的△I。盡管該誤差與信號的大小有關，但追根究底，他是由晶體管的非線性造成的，因此被稱為與信號無關的電荷注入誤差。所以，在對電路進行改進時，只要有效地抑制由△Q引起的△Verr，就能避開這個問題。因為若△Verr=0，gm的大小對輸出電流不產生任何影響。

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

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/橋接的嚴重故障；另一種是產品未完全損壞，而是有缺陷，最初可能(或不可能)引起功能問題，但在預燒后很可能被損壞，這是非嚴重故障，在嚴重和非嚴重故障之間存在差異。對于開關電流單元，至今未研究后一種形式的故障，研究工作集中在純粹的嚴重故障。使用的故障模型如圖6所示，根據開關斷開或閉合，能將其分成4種不同的嚴重故障：柵源短路(GSS)；柵源短路(GDS)；漏極開路(DOP)；源極開路(SOP)。

SI電路就是由第二節所述的存儲單元、延遲單元、積分器、微分器組成，構成了濾波器、A/D和D/A轉換器、一般信號處理等，他的結構可用圖7表示。

一個無故障源的SI電路，對應于某個規定的激勵電流產生一個"標準電流"，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故障，簡化故障性能的分析。這就是說，每個可能的故障依次注入被測電路的每個晶體管，再用規定的測試激勵電流進行激勵，可找到被測電路的"測試電流"。然后，可從標準電流中減去取樣的測試電流，即為"誤差電流"。從理論上講，如果該電流為非零值，則被測電路有故障。同時，對應不同的"誤差電流"，可確定故障發生在電路的某個模塊中。但顯然，這有些過分簡單化，因為SI的非理想性能、仿真模型的不準確性、對測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，或出現交叉，致使不能惟一定位故障發生的模塊。

4 結 語

目前，對開關電流電路進行故障診斷的難點在于：

(1)實際電路，由于SI的非理想性能，難以確定標準電流的值，就不好區分電路是否有故障；

(2)模擬仿真，對含故障模型的SI電路進行PSpice仿真時，仿真結果很不理想，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SI電路，還可以用Hspice，Asiz進行仿真，這是以后研究的重點。