Phase Locked Loop; Phase Noise; Integrated Circuit; Self Test
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Abstract:
As integrated circuits are becoming smaller and smaller, testing them has become a more tedious, time consuming and costly task. Testing occurs throughout various stages of the device life-cycle, guaranteeing its proper functioning and ensuring it meets certain specifications determined by the customer. Built-in self-tests are a design for testability technique which includes additional hardware on the integrated circuit, allowing it to periodically test its own operation. The use of such tests considerably reduces the testing cost since the need for automated test equipment is eliminated and additionally significantly improves the test time.A phase lock loop is a negative feedback control system which is frequently included in high-frequency transmitters and receivers generating a stable, usually high, output frequency signal from a fixed low frequency signal. There are several different performance parameters which must be tested to ensure proper functionality, one of these being the phase noise. Phase noise negatively effects the overall performance of a phase lock loop by causing undesired variations in the phase of the output signal. Some undesired effects caused by phase noise include reciprocal mixing, increase bit error rate and channel interference. Therefore, modeling the phase noise in phase lock loops is critical when designing radio frequency systems. Testing helps to ensure that the phase noise remains within the specification values. However, conventional methods for testing phase noise are suboptimal, since the parameters which are currently being used are not always accurate predictors of performance, causing an opening in the market for new testing techniques using modern approaches.The objective of the thesis was to model the phase noise and to determine if a built-in self-test could be introduced to ease the testability of such a component. The results were obtained via simulating the phase noise via a MATLAB model. In the first step, the phase noise was modeled before and after the voltage controlled oscillator and compared for different frequency ranges. From these plots it was possible to determine which noise contributions are dominant in which frequency range. Additionally, it was determined which parameters could limit the functionality of such a measurement system and what components should be added or removed to ensure the most reliable results. Suggested values for these parameters, as well as their respective calculations, are provided in this thesis. Furthermore, it was shown that not all information can be retained via such a measurement, some would be permanently lost. The conclusion provided in this work states which noise contributors would be visible via such a measurement and which exact information would be lost.
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Da die integrierten Schaltkreise immer kleiner werden, wird die Durchführung von Tests immer mehr zu einer aufwendigen, zeitintensiven und kostspieligen Aufgabe. Das Testen erfolgt in verschiedenen Phasen des Lebenszyklus des Geräts, um dessen ordnungsgemäße Funktionsfähigkeit zu gewährleisten und sicherzustellen, dass die vom Kunden festgelegten Vorgaben erfüllt werden können. Eingebaute Selbsttests sind ein probates technisches Mittel, die durch die Ausstattung des integrierten Schaltkreises mit zusätzlicher Hardware ermöglichen, dass der eigene Betrieb regelmäßig selbst getestet wird. Durch den Einsatz solcher Tests lassen sich die Testkosten beträchtlich senken, da der Bedarf an automatisierten Testgeräten entfällt und die Testzeit zudem erheblich verkürzt wird. Ein Phasenregelkreis ist ein Regelsystem mit negativer Rückkopplung, das häufig in Hochfrequenzsendern und Empfangsgeräten, die aus einem festen Niederfrequenzsignal ein stabiles, in der Regel hohes, Ausgangsfrequenzsignal generieren, verwendet wird. Es gibt verschiedene Leistungsparameter, die geprüft werden müssen, um die ordnungsgemäße Funktionsweise sicherzustellen, darunter das Phasenrauschen. Ein hoher Beitrag des Phasenrauschens wirkt sich negativ auf die Gesamtleistung eines Phasenregelkreises aus, da es unerwünschte Schwankungen in der Phase des Ausgangssignals verursacht. Zu den unerwünschten Effekten, die durch Phasenrauschen verursacht werden, gehören gegenseitige Vermischung, Erhöhung der Bitfehlerrate und Kanalstörungen. Daher ist die Modellierung des Phasenrauschens in Phasenregelschleifen bei der Entwicklung von Hochfrequenzsystemen von entscheidender Bedeutung. Mit Hilfe von Tests kann sichergestellt werden, dass das Phasenrauschen innerhalb der Spezifikationswerte bleibt. Herkömmliche Methoden zum Testen des Phasenrauschens sind jedoch suboptimal, so dass eine Marktlücke für neue und von modernen Herangehensweisen geprägten Testmethoden vorliegt. Ziel dieser Arbeit war es, das Phasenrauschen zu modellieren und festzustellen, ob ein eingebauter Selbsttest zur Erleichterung der Testbarkeit eines solchen Bauteils verwendet werden kann. Die Ergebnisse wurden durch die Simulation des Phasenrauschens mit einem MATLAB-Modell erzielt. Zuerst wurde, das Phasenrauschen vor und nach dem spannungsgesteuerten Oszillator modelliert und die Ergebnisse für verschiedene Frequenzbereiche miteinander verglichen. Nach einer Analyse der im Rahmen dieser Arbeit erstellten Diagramme ließ sich feststellen, welche Rauschbeiträge in welchem Frequenzbereich dominant waren. Um möglichst zuverlässige Ergebnisse erzielen zu können, wurde außerdem ermittelt, welche Parameter die Funktionalität einer solchen Messung einschränken könnten und welche Komponenten hinzugefügt oder entfernt werden sollten. Vorgeschlagene Werte für diese Parameter sowie die entsprechenden Berechnungen wurden ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit thematisiert. Des Weiteren zeigt sich in dieser Arbeit, dass nicht alle Informationen durch eine solche Messung erfasst werden können, einige gehen dauerhaft verloren. In der Schlussfolgerung dieser Arbeit wurde näher dargelegt, welche Störquellen im Rahmen einer solchen Testmethode ausfindig gemacht werden könnten und welche konkreten Informationen verloren gehen würden.
