2022年12月8日
大家好,由是德科技与上海集成电路技术与产业促进中心(上海ICC)联合执笔的芯片测试系列与大家见面了,

大家好,我是以德科和上海集成电路技术与产业促进中心(上海ICC)共同撰写的芯片测试系列与大家见面的。此次内容主要集中在MIPI D-PHY测试上。这个内容汇集了双方高级工程师的经验,总结如下。

1.MIPI简介

2.MIPI D-PHY技术概述

3.MIPI D-PHY物理层CTS测试

4.MIPI D-PHY测量困难

第4节总结了很多实测中的难点和注意事项,以便更好地进行MIPI D-PHY相关测试。

1 MIPI简介

MIPI联盟是移动行业处理器接口联盟(mobile industry processor interface,MIPI)。2003年由ARM、Nokia、ST、TI等公司成立的移动应用处理器的开放标准和规范;目前,MIPI是移动领域应用最广泛的视频传输接口规范,MIPI D-PHY和MIPI C-PHY两组协议集群、C-PHY中使用最广泛。还有MIPI M-PHY和A-PHY,我们的后续句子将更多地分享。

MIPI联盟下面是定义各种移动设备内部接口标准的各种WorkGroup,包括摄像头接口CSI、显示接口DSI、BBIC和RFIC之间的互连DigRF、麦克风/扬声器接口SLIMbus等,MIPI技术是包括物理层、协议层和应用层的层。下图是MIPI系统框图和多媒体规范。

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图1: mipi系统框架

起源于MIPI联盟官网

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图2: mipi多媒体规格

起源于MIPI联盟官网

2 MIPI D-PHY技术概述

MIPI应用程序中最成熟的两个界面是:协议层为CSI-2、DSI/DSI-2。

摄像头接口:CSI(摄像头串行接口)

显示接口:DSI(显示串行接口)

CSI-2、DSI/DSI-2的物理层(Phy Layer)由专业工作组开发,目前使用的物理层标准为D-PHY和C-PHY。下面比较了D-PHY的技术演进和各个版本的技术特点。

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图:摘自MIPI联盟

D-PHY通过摄像头/显示器(Camera/Display)和应用程序处理器(AP)之间的互连提供高速、低功耗、低成本等功能,不仅适合移动应用程序,还适合IoT。D-PHY提供了主从源同步接口,包括1对单向差分时钟,支持SSC、1至4对单向或双向差分数据线。数据传输使用DDR方法,时钟的上、下边缘有数据传输。下图显示了D-PHY的Two Data Lane PHY Configuration。

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图:d-phy two data lane phy configuration

D-PHY的物理层同时支持高速(HS)和低功耗(LP)操作模式。HS模式使用低电压差异信号,并具有终端连接,可传输高数据传输速率(80m到1.5gbps/withoutskewcal,1.5G到2.5Gbps/with deskew cal,2.5g到9g)。LP模式使用单端信号考虑到EMI,生成的信号slew-rate和驱动电流受到限制。支持的可选替代低功耗模式符合端到端低电压差异信号、最低数据速率4Mbps、反向最低1Mbps和最高HS速度。HS和LP的结合使MIPI总线能够在需要传输大量数据(如图像)时高速传输,如果不需要传输大量数据,则可以降低功耗。

下面的图1显示了HS和LP模式下的信号电平。下面的图2是用示波器捕获的MIPI D-PHY信号,可以清楚地看到HS和LP信号。

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图1: hs和LP模式下的信号水平

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图2:示波器捕获的MIPI D-PHY信号

MIPI D-PHY的板级设计很简单,但MIPI芯片的内部体系结构、I/O技术非常复杂。复杂性体现在以下几个方面:

1)MIPI通信体系结构由发送(通常是主)、接收(通常是从属)和互连通道组成。

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图:MIPI D-PHY点对点互连

2)信道类型包括时钟信道、单向数据信道和双向数据信道。发送和接收通道模块包括线路接口、控制/接口逻辑和协议接口。控制/接口逻辑实现了与LP-TX相关的、与HS-Deskew、Sequences HS-TX相关的、可收集HS-RX数据的、与HS-Deskew和LP相关的Escape模式编码器

电气水平要求LP-TX实施Slew-Rate控制推拉电路、HS-TX实施高速低压差分驱动电路(如果睡眠/速度超过2.5Gbps,则需要2个选项以2taps的放大来克服ISI影响)、HS-RX实施高速差分接收电路(

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图:发送和接收内部配置和电气实施

3)TLIS传输线互连体系结构支持不同的传输“距离”,如下所示:在1.5Gbps到4.5Gbps的速度下,本机支持标准参考通道,可选的长参考通道支持长参考通道

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图:互连损坏模板

由于复杂的内部配置和电气体系结构,为了确保接口信号的互操作性,需要进行复杂的测试。MIPI联盟开发了CTS (conformace test suite),以优化基于MIPI Spec的产品的互操作性。调查物理层功能(不是性能)和compliance test(项目全部通过)之间的差异。互操作性测试通过项目越多,开发人员就越有信心,表明产品在许多启用了MIPI的环境中可以正常工作。

对于物理层测试,发射机测试主要基于示波器,接收机测试基于高速任意波形发生器。通过自动协议分析和解码软件,可以显着提高调试和测试效率。以下部分详细介绍了物理层测试。

3 MIPI D-PHY物理层

CTS测试

与MIPI D-PHY物理层测试相关的主要测试项目如下(根据mipi_D-PHY-v2-1_CTS_v1-0):

TX Timers and Signaling

rx timers and electrical tolerances

interface impedance and s-parameters

其中,Tx测试基于示波器和自动化测试软件,Rx测试基于高速任意波形发生器,S参数包括阻抗测试基于网络仪器或TDR。下图中概括了。

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图:MIPI D-PHY物理层测试方案摘要

MIPI D-PHY Tx测试概述:

Tx测试主要基于示波器和自动化软件,根据MIPI D-PHY版本的速度和规格参数,选择需要选择适当带宽的示波器。根据MIPI协会的要求,不同速度的MIPI版本示波器带宽和可选的自动化测试软件如下:

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图:MIPI D-PHY Tx测试示波器带宽和软件建议

MIPI芯片或模块的测试可以根据MIPI协会推荐的方法设计评估板测试板TVB(测试板),将信号输出转换为标准SMA接口输出,并与协会提供的参考电信板(RTB)一起进行信号测试。RTB主板提供标准匹配切换和多种线路容量选择,如下图所示。

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图:基于测试显卡(TVB)的MIPI D-PHY芯片或模块测试

对于系统供应商(如手机供应商等),由于系统设计已经完成,执行MIPI的信号测试只能使用焊接或点探针测试PCB的实际信号。以下是典型的连接图。

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图:MIPI D-PHY板级测试连接

为了提高测试效率,测试建议使用四个探针,分别连接clk /clk-和data /data-信号。因此,每对差分无法满足DUT操作要求,因为D-PHY的信号线HS和LP将测试两种模式。如果有多个数据Lane,则可以单独测试每个Lane。

测试系统的核心是D9020DPHC MIPI一致性测试软件平台。该软件使用图形界面指导测试参数的设置和连接,并自动生成信号质量的测试和测试报告。对用户非常熟悉,可以大大提高测试效率。

MIPI D-PHY测试很复杂,需要了解LP模式下的测试序列、HS模式下的测试序列、HS进入、HS关闭、电压参数、时间参数等工作方式。

第1tx节信号如下:

1)数据LP-TX信号:ULPS序列等,50pF、lane0到lane4、DUT通常是CSI-2/DSI主数据

2)时钟LP-tx: ulps序列等,50pF、CLOCLANE、DUT通常是CSI-2/DSI主控制器

3)数据hs-tx: hsburst序列(包括LP退出/输入序列),DUT为CSI-2/DSI Master,Lane0/1(ZID=100),Lane21/2/3(zid:100)(hs-tx dynamic common-level variations hs exit)

4)时钟hs-tx: hsburst序列(包括LP关机/输入序列),DUT为CSI-2/DSI Master,CLOCK(zid:100)(HS Entry Commomotion)

5)时钟/数据计时要求:HS Burst序列(包括LP关闭/输入序列),DUT为CSI-2/DSI Master/,ZID=100

6)低功耗初始化序列/超低功耗序列/BTA要求:Init/ULPS/BTA序列,DUT为CSI-2/DSI主设备,50pf

以下是测试参数的简单示例。

1)数据信号LP-TX的VOH/VOL级测试应通过将DUT数据lane0~lane3分别连接到50pF容量负载板进行测试,DUT应生成ULPS序列。生成此序列的方法,序列的特征如下:DUT必须在LP-Escape模式下工作,并且必须能够使用ULPS命令(“0001110”),如下所示:这是异步模式、Space-one-hot编码、端到端时钟信号。

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图:Escape模式中的LP序列

2)高速数据信号HS-TX差分电压VOD(0)、VOD(1)与测量时间参数的水平标准相关,是非常重要的。这里选择了基于脉冲的测量方法,并使用平均数据处理算法。HS序列不使用常用的编码方法来实现DC平衡。为了便于在测量一致性、迭代和数据内获得,将选择两种参考代码类型(“011111”/“100000”)作为数据源,然后平均处理,此连接1和连接0在内容上比较典型,可以考虑容量效果和阻抗适应效果。为了在测试时同时测量时钟和数据,必须对探针进行deskew,为了准确测量电压,示波器必须满足仪器校准要求。对于芯片测试,lane0~3必须通过RTB的各种负载(80/125/100)。

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图:VOD(1)测量波形

3)高速时钟和数据计时参数Tskewcal-sync/Tskewcal。DUT操作速度超过1.5Gbps,因此需要支持clock/data的deskew。

为此,DUT必须创建一个HS Burst序列,其中包含LP-11/LP-01/LP-00/HS-0/同步代码/校准代码/HS-trail/HS-exes

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图:HS-TX SkewCal同步和校准序列

下面显示了使用示波器测量该序列(约2Gbps)的时间参数。其中,Tskewcal-sync明显不能满足典型的16个1的时间要求,Tskewcal不能满足典型的4096个UI的时间要求。

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图:HS-TX Tskewcal-sync测量

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图:HS-TX Tskewcal测量

4)芯片测试有专用的测试板TVB和RTB,支持用户根据标准执行conformance。如果是移动终端产品,测量相对复杂,空间狭小,电磁环境复杂,负荷参数与标准相比可能会有所不同,测量参数和结果可以作为参考,总体测量通过挑战会成为非常大的问题。

MIPI D-PHY Rx测试概述:

Rx测试,基于高速任意波形发生器,与自动化测试软件一起执行,使用M8190/95A生成特定波形信号,以模拟MIPI D-PHY的Tx信号。信号通过示波器校准后,输入DUT的Rx,并在DUT内完成测试。测试结果可以读取DUT的Error Counter,也可以通过PPP。系统测试方块图如下:

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图:MIPI D-PHY Rx测试方块图

如前所述,MIPI D-PHY信号包括高速HS和低功耗LP模式,由于信号幅度、数据速率和格式不同,HS和LP的Rx测试模式需要在不同信号级别、数据速率和格式之间无缝切换。MIPI的D-PHY Conformance Test Suite(D-PHY CTS)定义了各种信号设置和校准规范,使用M8085DC1A可以自助完成这些校准、信号创建和测试过程,从而使用户无需仔细学习CTS规范即可进行快速设置和测试。

M8085A软件支持Debug和Conformance测试。LP-RX电压/时间支持包括输入电压级别、延迟、最小脉冲宽度响应、干扰容限、竞争监视阈值等。LP-Rx操作需要初始化时间、唤醒时间、无效/终止序列、忽略Post-Trigger-Command Extra bits命令的Escape Mode序列以及不支持命令的Escape Mode序列。HS-RX电压/设置-保持时间要求包括:共模电压容差、差分输入高/低阈值、单输入高/低阈值、正弦共模干涉容差、设置-保持时间抖动容差。这些测试项目(例如HS-RX时间参数要求)通常向DUT提供使用调整后的电压、时间等参数实施的测试序列HS或LP。通过观察DUT是否存在接收错误来判断标准(图像是否正常或数据是否正确)。

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图:M8085A可以编辑多种格式的数据序列,如HS Burst

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图:M8085A生成CSI/DSI格式的帧

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图:M8085A生成信号水平/抖动/干扰/信道延迟/时间参数/ISI/延迟等可调序列

4 MIPI D-PHY测量困难

由于MIPI技术协议的复杂性高,主板集成度高,在实测中也有很多需要注意的地方。我们总结了平时测试中需要经常注意的几个问题,希望能帮助减少实测中的试错,提高效率。

01.MIPI D-PHY信号排序项目多,复杂性高。

MIPI D-PHY测试项目很多。以Tx测试为例,共有50多个测试项目,根据高速数据速率的数字大小和DUT,根据规格的不同,版本也会有所不同。CTS详细指定每个测试项目的设置和条件,但直接设置会使测试变得复杂。

建议使用D9020DPHC MIPI一致性测试软件平台。通过图形界面指导测试参数的设置和连接,并自动生成信号质量测试和测试报告。不需要深入研究CTS规范。通过几个简单的设置,可以完成测试和相应报告的输出,大大提高了测试效率。需要注意的是,完全运行50个以上的测试项目只需要20至30分钟。DUT需要测试的Lane数量越多,相应的测试周期就越长。

2.MIPI板密度高,很难直接触摸测试点

MIPI技术主要应用于移动端设备,板集线高,焊接点小,焊接也是D-PHY测试的大问题,这对于工程有很高的水平要求。如果焊接点不准确,引线过长,则信号太差或信号无法发出,测试可能无法运行(见下图1)。MIPI D-PHY的TX测试需要同时连接4个差分探针(1对Data、1对Clock)、前面的正连接信号和阴极接地。在狭小的空间中,引导尽可能多的测试信号,对探测器前端的体积提出了更高的要求。建议同时使用N5425B系列探针前端和116xB系列探针放大器。保持探头的小尺寸,同时提供良好的信号探头质量。下面的图2是Tx测试链接图和实物图。

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图1: mipi测量探针焊接连接图

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图2: 4个1169B探针连接25G带宽示波器示意图和N5425B探针前端物理

选择Tx测试固定机制

在使用静态高速串行技术(如PCI Express、SATA等)的某些情况下,通常使用测试设备输入端口作为测量的参考终端负载,完成100Ohm差分基准端连接环境。但是,由于MIPI D-PHY技术将动态可切换电阻器连接到接收器(节电功能),因此不能使用测试设备(示波器)作为参考终端。这种可切换的100欧姆差分参考电阻终端在高速(HS)操作模式下激活,在低功耗(LP)模式下激活。

执行MIPI D-PHY测试测量的常用方法是,在使用能够处理各种必要末端负载的测量夹具选择测试表(高速模式或低功耗模式测试)进行Tx测试时,夹具选择很重要。

通常有两种类型的测试夹具。一个可以处理所需的自动切换端子负载,另一个一次只能支持一个端子负载,用户在实际测试时必须根据需要选择两种不同的夹具配合。

4.信道探针延迟校准

MIPI总线主要应用于智能手机和移动设备,因此MIPI信号非常重视对射频信号的干扰。一般来说,EMI是由共模噪声引起的,规范对共模噪声有严格的要求。例如,D-PHY v2.1标准要求450MHz以上的动态共模噪声小于15mVrms。为了满足这个指标,除了优化设计外,还必须满足这个指标。为了获得准确的共模噪声参数,必须补偿信道探测延迟,以减少信道延迟引起的共模参数。

5.LP和HS测试网络

C/D-PHY应使用LP和HS相结合的机制,注意测试网络的差异。HS信号的眼睛测试(例如C-PHY的三相编码)具有特殊的时钟恢复功能。必须使用连续HS代码型进行测试。芯片测试需要通过同轴电缆直接连接到示波器,以提高测量信噪比和眼睛裕度。

校准工人模式水平,获得准确的幅度参数。

在MIPI芯片测试中,HS信号如何保证绝对幅度和共模的准确性,在C/D-PHY中,信号本身有共模点,因此HS信号的参数(如眼睛形状、跳跃时间等)的测试需要通过同轴电缆将信号直接连接到示波器测试。一般来说,示波器时50ohm对的结构在示波器内直接测量就可以共享,为了确保准确的共模均衡和绝对振幅,必须使用N7010A端适配器。在C/D-PHY测试软件中,通过N7010A进行补偿,补偿共模电平,可以获得准确的幅度参数。

7.Rx测试同步AWG以生成更快的速度

由于Rx测试需要测量信号的多级特性和eSpike等参数,因此为了在未来实现更快速度的标准(例如D-PHY v3.0),必须使用高性能AWG同步两个AWG,生成达到10G符号速度的C-PHY或D-PHY信号。

资料来源:德国技术密钥西格特

原创:德国科技上海ICC

-芯片测试礼堂——MIPI D-PHY

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