Impuls-/Pattern-Generatoren Wie sich mit Impedanzeffekten komplexe Bauteile testen lassen

Impuls-/Pattern-Generatoren können über ihre Grundeinstellungen hinaus so eingestellt werden, dass sich ihre Ausgangssignale an jeweilige Anforderungen anpassen lassen. Impedanzeffekte können dazu benutzt werden, das Verhalten eines Bauteils zu überprüfen. Wir zeigen Ihnen, wie das geht.

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Keithley Instruments, Inc.

Zu den Grundeinstellungen von Impuls/Pattern-Generatoren beim Test unterschiedlicher Bauteile gehören Amplitude, Impulsbreite, Anstiegs- und Abfallzeiten, Frequenz sowie Verzögerungen zwischen den Spannungs- und Stromausgängen. Darüber hinaus lassen sich durch Kanal-Additions- und Pattern-Modus-Funktionen bei zweikanaligen Instrumenten auch zusammengesetzte Signale erzeugen, die über einfache Rechteckschwingungen hinausgehen. Derartige vielseitige Signale sind oftmals für den Test komplexer Bauteile, wie Halbleiter, Speicherzellen oder serielle Datenbauteile, erforderlich.

Impedanzeffekte am Impulsausgang

Doch wie wird ein Impulssignal erzeugt? Entscheidend ist, wie sich die Impedanzen der Quelle und des Testobjekts auf den Impulsausgang auswirken. Hilfreich ist beispielsweise das Verständnis der Impedanzeffekte, wenn mit einem Impulsgenerator „Quittierungsfunktion“ eines Bauteils getestet werden.

Die Ausgangsspannung eines Impulsgenerators (PG) ist nicht nur von der eingestellten Ausgangsspannung, sondern ebenfalls von der internen Quellenimpedanz und der Impedanz des Testobjektes (DUT) abhängig. Normalerweise liegt die Quellenimpedanz bei 50 Ω. Diese ist vom Anwender zwischen 50 Ω oder 1 kΩ einstellbar.

Mit der Einstellung LoadZ am Messgerät lässt sich die DUT-Impedanz gut abschätzen. Damit die Ausgangspannung der eingestellten Spannung entspricht, muss LoadZ mit der DUT-Impedanz möglichst gut übereinstimmen. Wenn es hier große Unterschiede gibt, stimmt auch die Ausgangspannung nicht mit der eingestellten Spannung überein.

Als ISRC-Stromquelle kann das Messgerät parallel zu einer Quellenimpedanz von 50 Ω (Bild 1) betrachtet werden. Wird der Ausgang auf 10 V und LoadZ auf 50 Ω eingestellt, berechnet der Generator die Lastlinie entsprechend dem Ohmschen Gesetz. Bei 10 V und zwei parallelen Widerständen von 50 Ω ergibt sich ein Strom von I = 400 mA. Wird der Quellenstrom auf Basis der Quellenimpedanz, LoadZ und der Ausgangsamplitude eingestellt, ist die Ausgangsspannung über dem DUT nur noch von der Impedanz abhängig. Ist die DUT-Impedanz unterschiedlich oder ändert sich, ändert sich die Ausgangsspannung entlang der Lastlinie (Bild 1 blau).

Bei einer Quellenimpedanz von 50 Ω und einer LoadZ-Einstellung von 50 Ω zeigt Bild 1 unterschiedliche Lastlinien und Ausgangspannungen (rote Punkte) für unterschiedliche Spannungseinstellungen (5 und 10 V) und DUT-Impedanzen (10, 50 und 100 Ω).

Quittierungsfunktion des Bauteils testen

Neben der gewünschten Impulsamplitude am Messobjekt können die Impedanzeffekte auch genutzt werden, um das Verhalten eines Bauteils zu überprüfen, das einen seriellen Datenstrom empfangen und darauf reagieren soll. Im Beispiel enthält der serielle Datenstrom ein Adressbyte, Befehls-Byte und ein Datenbyte. Das DUT wurde so entwickelt, dass es den Empfang jedes dieser Bytesegmente quittiert. Erreicht wurde das, indem das Bauteil die Leitung „herunterzieht“. Dabei ändert das Bauteil seinen Impedanzstatus.

Um dieses Verhalten zu testen, wird meist eine komplexe äußere Beschaltung oder eine Schaltroutine benötigt. Allerdings kann dieser Test mit einem Impulsgenerator deutlich vereinfacht werden. Dazu wird der PG auf einen Ausgangswiderstand von 50 Ω konfiguriert und sendet dem DUT eine Reihe von Impulsen.

Die Spannung am Bauteil wird mit einem Oszilloskop überwacht. Wenn beispielsweise die normale Impedanz des DUT bei 1 kΩ liegt und zur Quittierung des Empfangs der Impulsfolge auf 50 Ω fällt, wird dadurch die Amplitude der Impulsspannung heruntergezogen (Bild 2). Die niedrigere Impulsamplitude zeigt, dass die Quittierung erfolgt ist.

Der Speicherzellen-Test ist nur ein Beispiel, wie diese Funktionen genutzt werden können. In einem typischen Schreib-/Löschzyklus erfolgt das Schreiben mit einem positiven Impuls und das Löschen mit einem negativen Impuls. Der in Bild 3 gezeigte Ausgang illustriert eine zusammengesetzte Impulsfolge aus positiven und negativen Impulsen, die für den Test von FLASH-Speicherbauteilen genutzt werden kann.

Werden die Signale von Kanal 1 und 2 in anderer Form kombiniert, so ergibt sich eine Signalform für den Test: beispielsweise für PRAM. Die verschiedenen Darstellungen in Bild 4 zeigen zusammengesetzte Signale aus positiven und negativen Impulsen mit unterschiedlichen Amplituden, Breiten, Anstiegszeiten und Verzögerungszeiten. Interessant dabei ist, dass sich allein durch die Veränderung der Zeitverzögerung zwischen den zwei Kanälen sehr unterschiedliche Ausgangssignalformen ergeben.

Pattern Modus für komplexe Ausgangssignale

Der Pattern-Modus wird normalerweise für eine serielle Datensimulation genutzt, eignet sich aber auch für die Erstellung komplexer Ausgangssignale. Im Pattern-Modus erzeugt der Gernerator eine Serie von 0- und 1-Bits, um das Signal zu generieren. Im Non-Return to Zero-Modus kehrt der Impuls allerdings am Ende der Impulsfolge nicht auf den Low-Pegel zurück. In diesem Modus bleibt der Impuls bis zum nächsten Bit auf dem High-Pegel. Wenn dieses Bit erneut einen High-Pegel aufweist, bleibt der Ausgang auf dem High-Pegel. Der Ausgang kehrt erst auf den Low-Pegel zurück, wenn ein Null-Bit festgestellt wird.

Durch eine Serie von 1-Bits kann ein zunehmender Impulsbreiten-Sweep generiert werden. In Bild 5 ist ein Impulsbreiten-Sweep dargestellt, bei dem die Impulsbreite im Laufe der Zeit zunimmt. In diesem Beispiel ist die Anzahl der 0 Bits abnehmend, wodurch eine gleichbleibende Frequenz erreicht wird. In einer anderen Testanwendung könnte die Anzahl der 0-Bits verändert werden, so dass ein Frequenz-Sweep erreicht wird.

Pattern überlappen oder verzögern

Für noch komplexere Signalformen können der Pattern-Modus- und die Kanal-Additions-Funktionen kombiniert werden, durch die sich verschiedene Ausgangskombinationen erzeugen lassen. Um das erwünschte Ausgangssignal zu erhalten können die Pattern überlappt oder verzögert werden. Ein Beispiel ist in Bild 6 dargestellt. Hier wird ein Bauteil durch eine Datenkommunikationsleitung gesteuert.

Das Empfangssignal wird auf Kanal 1 und das Übertragungssignal auf Kanal 2 erzeugt (Bild 6). Mit der Kanal-Additions-Funktion werden die beiden Signale dann zu dem im linken Bild dargestellten Signal zusammengesetzt. Der Pattern-Modus erstellt das Empfangssignal, so dass der für das Bauteil benötigte genaue serielle Daten-Bit-Strom gewährleistet werden kann.

Für das Übertragungssignal wird eine sehr lange Anstiegszeit benötigt, da diese von dem Bauteil als Steuersignal zur Umschaltung in den Übertragungsmodus benötigt wird. Dies wird erreicht, indem die Anstiegszeit auf Kanal 2 einstellt wird. Dann wird das Ausgangs-Pattern erzeugt, indem mehr als 200 1-Bits erzeugt werden. Sobald die beiden Kanäle konfiguriert sind, wird das komplette Signal durch die Kanal-Additions-Funktion auf einem Kanal ausgegeben. Das Bauteil kann jetzt Daten empfangen und zum Test des Bauteilausgangs auch in den Übertragungsmodus geschaltet werden.

Weitere zu berücksichtigende Merkmale

Die heutigen Impuls/Pattern-Generatoren verfügen über unterschiedlichste Funktionen, um komplexe Signale für einen Test hochentwickelter elektronischer Bauteile zu erstellen. Neben den bereits beschriebenen Funktionen gibt es eine Reihe von weiteren Merkmalen und Spezifikationen, die berücksichtigt werden sollten:

• Impuls-Frequenzbereich,
• Amplitudenbereich und Genauigkeit (Flachheit),
• Einstellbereich für Impulsbreite und Anstiegs-/Abfallzeiten,
• Verfügbarkeit eines Burst-Modus,
• Spannungsüberschwingen, Unterschwingen und Dachschräge,
• verfügbare Schnittstellen für die Datenkommunikation,
• Geschwindigkeit und Einfachheit des Setup und
• intuitive Anwenderschnittstelle.

*Todd Stocker ist Marketing Manager bei Keithley Instruments in Cleveland, Ohio.

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