开关电流电路故障诊断技术的初步研究

开关电流(SI)技术是继开关电容(SC)技术之后出现的又一种新的模拟采样数据信号处理技术。在SC技术中，需要特殊的双层多晶硅工艺，而SI技术则不同，他是一种仅由MOS晶体管和MOS开关构成的采样数据网络，利用MOS晶体管在其栅极开路时通过存储在栅极氧化电容上的电荷维持其漏极电流的能力，电容精度要求并不严格，不需要线性浮地电容，与数字CMOS工艺相兼容，易于VLSI实现。此外，SI电路的信号用电流表示，对电压要求并不严格，电路可以在低压低功耗下工作。由于这些特点，SI技术引起了国内外学术界的广泛关注，并得到迅速发展[1-6]。由于SI技术得到广泛应用，而电子电路都可能有故障存在，这就提出一个新的课题：怎样对SI电路进行故障诊断。故障诊断是指，在已知网络的拓扑结构、输入激励信号和故障下的响应时，求解故障元件的物理位置和参数。要求求解的结果是惟一的，但有时却不能保证。SI测试技术已有所发展，故障诊断技术则刚刚开始起步，有不少困难存在，需要一一克服。

1开关电流基本功能块

1．1 电流存储单元

电流存储单元主要利用MOS管栅电容的电荷存储效应来实现电流存储功能。图1所示电路，TS1，TS2，TS3是由MOS管构成的开关，受互补时钟信号φ1，φ2的控制。在采样相φ1(处于高电平时)，TSl，TS3闭合，TS2打开，对T1管栅源电容充电，建立电压Vgs，使流过T1管的电流Id=J+Jin；在保持相φ2(处于高电平时)，TS1，TS3打开，TS2闭合，理想情况下，T1管栅电容Cgs无放电回路，因而Vgs保持不变，流过T1管的电流保持不变，Iout=－Iin,实现了电流存储功能。

1．2延迟单元

延迟单元包含两个级联的单晶体管电流存储单元和一个为取得全时钟周期输出信号而附加的任选附件输出级。在时钟周期的φ2相(跟图1相同)，输入信号电流i(n－1)与晶体管T1中的第一个偏置电流相加。在下一个时钟周期(n)的φ1相，T1保持电流J+i(n－1)，并且在第二个电流存储器T2中取样输出电流－i(n－1)。在时钟周期(n)的φ2相，T2保持电流J－i(n－1)，而输出电流io1(n)=i(n－1)。在时钟周期(n)的φ1相和φ2相期间，任选级输出电流io2保持在i(n－1)。

1．3积分器模块

同相无耗积分器的传递函数为：

式中有3项，第一项对应于具有增益常数a/T的无耗连续时间同相积分器的频率响应；第二项(wT/2)/sin(wT/2)是取样数据积分器与理想响应的偏差；第三项e-jwT/2是剩余相位滞后。

积分器模块还有同相阻尼积分器，反相阻尼积分器，反相阻尼放大器，通用积分器等。

1.4 微分器模块
反相微分器的传递函数为：

式中，aT是增益常数，sin(wT/2)/(wT/2)是取样数据微分器响应与理想情况的偏差，e-jwT/2是剩余相位滞后。

微分器模块还有通用反相微分器，同相微分器，双线性z变换微分器等。

2开关电流的误差

2．1 影响故障诊断的误差

在SI电路中，各MOS管基本上是序贯的，电路中任何一处出现的故障都会序贯地通过电路，因此，可在输出端观察电路是否有故障发生。以电流监测为基础的模拟电路测试是通过比较已知的良好源和被测器件的电流特征标记进行判断。通过了严格的参数和功能检验的器件或通过仿真，可获得良好特征标记。

SI电路属于模拟电路，他的元件参数具有很大的离散性，即具有容差，由于"容差"事实上就是轻微的"故障"(只是尚在允许的范围内)，其影响往往可与一个或几个元件的"大故障"等效，因此导致实际故障的模糊性，而无法惟一定位实际故障的物理位置。

SI电路的非理想性能主要是失配误差，输出一输入电导比误差，调整误差，电荷注入误差，噪声误差，而限制故障诊断精度和灵敏度的误差主要是由于有限的电导和电荷注入引起的[1-4]。本文将重点分析电荷注入误差。

2．2 电荷注入误差

对图1所示SI存储单元，电荷注入误差主要是由于开关晶体管TS3在关断时(时钟的下降沿)，存储在该晶体管的沟道和衬底中的电荷流入存储晶体管T1栅源电容，导致Vgs变化所致。该电荷通过两种途径流入T1管的栅：通过沟道流入或通过栅源或栅漏重叠电容的馈通方式流入，即通常所说的时钟馈通效应。

设流人T1栅源电容的电荷电量为△Q，他是开关管TS3的栅衬底和栅源漏重叠电容所存储的总电荷的一部分，由他引起的栅源电压变化为△Verr，误差电流为△Ierr。设C为栅源等效电容，就有△Verr=△Q／C，则：

△Ierr=gm*△Verr

显然，gm，△Verr同输入电流和输出误差电流存在一定的关系。

(1)开关管TS3在关断期间所产生的电荷量是同其栅和源漏的电位差有关的，而TS3源漏电位的大小受输入信号的影响，即这部分电荷注入误差与信号有关；

(2)作为T1管的跨导gm，其非线性的特点(I-V特性为平方关系)导致了输出电流偏差。尤其是当输入信号较大时，偏差尤其严重，如图5所示。

因此，与信号无关的△Q将被转化为与信号相关的△I。尽管该误差与信号的大小有关，但追根究底，他是由晶体管的非线性造成的，因此被称为与信号无关的电荷注入误差。所以，在对电路进行改进时，只要有效地抑制由△Q引起的△Verr，就能避开这个问题。因为若△Verr=0，gm的大小对输出电流不产生任何影响。

以上分析表明，与信号有关的电荷注入误差是SI电路精度问题难以解决的根源。只要能有效抑制该误差，SI电路精度将得到很好的改善。在高速电路的应用中，由于要求存储管的跨导尽可能地大，栅积累电容尽可能地小，由△Ierr=gm*(△Q/C)可知，这将导致更大的电荷注入误差。因此，要消除该误差，就必须对SI电路基本结构进行改进。

3故障模型

在晶体管中有两种故障存在，一种是引起晶体管完全断路或短路/桥接的严重故障；另一种是产品未完全损坏，而是有缺陷，最初可能(或不可能)引起功能问题，但在预烧后很可能被损坏，这是非严重故障，在严重和非严重故障之间存在差异。对于开关电流单元，至今未研究后一种形式的故障，研究工作集中在纯粹的严重故障。使用的故障模型如图6所示，根据开关断开或闭合，能将其分成4种不同的严重故障：栅源短路(GSS)；栅源短路(GDS)；漏极开路(DOP)；源极开路(SOP)。

SI电路就是由第二节所述的存储单元、延迟单元、积分器、微分器组成，构成了滤波器、A/D和D/A转换器、一般信号处理等，他的结构可用图7表示。

一个无故障源的SI电路，对应于某个规定的激励电流产生一个"标准电流"，然后用图6的故障模型去模拟该电路中的故障。假定电路一次只有一个故障，简化故障性能的分析。这就是说，每个可能的故障依次注入被测电路的每个晶体管，再用规定的测试激励电流进行激励，可找到被测电路的"测试电流"。然后，可从标准电流中减去取样的测试电流，即为"误差电流"。从理论上讲，如果该电流为非零值，则被测电路有故障。同时，对应不同的"误差电流"，可确定故障发生在电路的某个模块中。但显然，这有些过分简单化，因为SI的非理想性能、仿真模型的不准确性、对测试电路有不利影响的外界条件的变化等，都可能使误差电流不为零值，或出现交叉，致使不能惟一定位故障发生的模块。

4 结 语

目前，对开关电流电路进行故障诊断的难点在于：

(1)实际电路，由于SI的非理想性能，难以确定标准电流的值，就不好区分电路是否有故障；

(2)模拟仿真，对含故障模型的SI电路进行PSpice仿真时，仿真结果很不理想，难以用于故障诊断，这可能是由于MOS管的PSpice模型不够精确的原因。对SI电路，还可以用Hspice，Asiz进行仿真，这是以后研究的重点。