第四章 晶片量測結果與分析
4.7 溫度改變對晶片影響的 PVT 測試
在此節之前的所有量測結果，皆是在室溫下所進行的觀測，而本論文在設計 Ring-VCO 的時候，曾將製程變異對頻率漂移的影響與 PVT 分析做結合，判斷晶 片 Corner 改變是等同於外部環境電壓以及溫度這兩項變異。可以在實際量產時 附上一份統計資料，裡面紀錄了電壓以及溫度各變異多少時，所帶來了晶片效能 改變量，讓使用者根據不同環境下做調整讓晶片能正常工作。因此在設計電路時
選擇相信製程檔的TT 標準 corner，而量測結果也顯示了本論文設計的晶片確實 在電源 1.8V 的情況下便可產生所需的 6GHz 時脈，跟模擬結果是一致的，可說 明確實是落在 TT 標準 corner。同時在 4.6 節的所有晶片量測中，也從晶片之間 的變異(標準差)，證實了 Process Variation 確實可被控制在穩定的範圍。
這邊所做的便是更進一步的量測，測試外部溫度變異達到相當於晶片 corner 改變而出現異常的程度時，需要調整多少對應的電壓才能讓晶片正常工作，而考 量到晶片現實情況最有可能遇到的是溫度上升，因此在以下量測中將以升溫為觀 察目標，本論文將會測試三種溫度的差異性，分別是 : 25°C (常溫)，70°C (主機 板內工作溫度)，125°C (商用規格最高溫度)。需要特別說明的是，由於晶片需要 放置在特定儀器中改變溫度，因此在量測上從晶片信號出來到頻譜分析儀跟示波 器的距離會增加，需要將SMA 傳輸線提升至 1.8 公尺，這對高頻信號的傳輸來 說，振福會有很大的衰減，因此只能進行功能驗證，一些精細的規格便無法量測。
而除了溫度以及電源(皆為 Keithley)兩項為變異因素外，其餘的條件皆比照 4.6 節的環境。
4.7.1 溫度在 25°C 時的測試
首先常溫 25°C 下，電源提供 1.8V 時，圖 4.24 為 PLL 產生的 6GHz 時脈圖。
可以很明顯看到因為1.8 公尺 SMA 傳輸線導致信號振幅衰減到約 0.1V 左右，所 以不管是rms 還是 peak to peak jitter 都增加不少，但是 PLL 是可以正常工作產生 6GHz 時脈的。
圖4.24 25°C +1.8V 的 PLL 功能驗證
而圖 4.25 為展頻功能驗證，雖然因為信號振幅變小，導致儀器測到的能量 強度變弱，但是因為展頻功能正常，所以在 8192 點+RBW=100K 的條件下，還 是有著12.99dB 的 EMI reduction。可以說這項測試條件跟之前的量測是一樣的，
差別只在於1.8 公尺 SMA 傳輸線所帶來的影響
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 5.999994 GHz -17.72 dBm Peak
Log 10 dB/
W1 S2 S3 FS AA
Start 5.95 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.05 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 5.971963 GHz -30.71 dBm Peak
Log 10 dB/
V1 W2 S3 FS AA
Start 5.95 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.05 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
*
Marker
5.971963130 GHz -30.71 dBm
圖4.25 25°C +1.8V 的展頻功能驗證
4.7.2 溫度在 70°C 時的測試
當溫度提升到 70°C 時，可以從圖 4.26 的現象看到，如果電源還是維持在 1.8V 的話，那麼PLL 已經無法鎖定而導致產生的時脈偏掉(PLL 在 65°C 前尚可鎖定)。
這表示此時外部溫度的上升已經讓晶片對應的Corner 變化已經無法再支持 6GHz 這個頻段了，此需便需要提高整體電路的電源，讓PLL 重新進入鎖定。
圖4.26 70°C +1.8V 的 PLL 功能驗證
在這樣的情況下便需要提升整體晶片的電源讓 PLL 重新進入鎖定，測試後 得知需要將電源提升到2.0V 才能夠如圖 4.27 所示讓 PLL 鎖定在 6GHz。而頻譜 分析如圖4.28 所示。
圖4.27 70°C +2.0V 的 PLL 功能驗證
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 5.999896 GHz -23.88 dBm Peak
Log 10 dB/
W1 S2 S3 FS AA
Start 5.95 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.05 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
Marker
5.999896227 GHz -23.88 dBm
圖4.28 70°C +2.0V 的 PLL 頻譜分析
在這樣的情況下，圖 4.29 為啟動展頻功能後的頻譜分析，發現調變電路已 經 無 法 將 中 心 頻 率 平 均 在 5.97GHz~6GHz 範 圍 內 ， 因 此 無 法 再 測 量 EMI reduction。
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 5.99006 GHz -30.05 dBm Peak
Log 10 dB/
W1 S2 S3 FS AA
Start 5.8 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.2 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
Marker
5.990062263 GHz -30.05 dBm
圖4.29 70°C +2.0V 的展頻功能驗證
4.7.3 溫度在 125°C 時的測試
125°C 的溫度下，電源維持之前 70°C 量測的 2.0V，從圖 4.30-31 可以觀測 到PLL 只需要整體電源提升到 2.0V，即使在商規的最高溫度 125°C 也能鎖定。
圖4.30 125°C +2.0V 的 PLL 功能驗證
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 6.000385 GHz -24.17 dBm Peak
Log 10 dB/
W1 S2 S3 FS AA
Start 5.95 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.05 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
Marker
6.000384568 GHz -24.17 dBm
圖4.31 125°C +2.0V 的 PLL 頻譜分析
當然有了 70°C 展頻測試對照，確實在 125°C 下啟動展頻一樣也是無法正常 工作，不管是整體電源為 2.0V 的圖 4.32 還是再提高到 2.2V 的圖 4.33。在這兩 張圖中可以看到電壓的改變帶來的是展頻範圍的變化，這表示其實調變電路一直 有在工作，只是電壓的提升，讓它失去了將除率控制在限定範圍變化的能力，而 不同的電壓讓它改變的除率也不同，不再是以前1.8V 時的 116~123 等 8 種變化。
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 5.96438 GHz -35.85 dBm Peak
Log 10 dB/
W1 S2 S3 FS AA
Start 5.8 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.2 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
Marker
5.964375534 GHz -35.85 dBm
圖4.32 125°C +2.0V 的展頻功能驗證
Ref 0 dBm Atten 10 dB
Mkr1 5.88526 GHz -37.94 dBm Peak
Log 10 dB/
W1 S2 S3 FS AA
Start 5.8 GHz
#Res BW 100 kHz VBW 100 kHz
Stop 6.2 GHz Sweep 81.91 ms (8192 pts)
1
Marker
5.885264314 GHz -37.94 dBm
圖4.33 125°C +2.2V 的展頻功能驗證
4.7.4 溫度量測統計資料
總結所有溫度變異的量測結果可以判斷兩件事情，第一是從 2.22 節模擬溫 度變異現象所觀測到的，溫度上升確實會令晶片產生相當於 Corner 改變所帶來 的製程漂移導致 PLL 無法鎖定，但也能透過改變整體電壓令晶片回到正常工作 區間，這一點在70°C 的量測中已經被証實，但是可惜的是，第二雖然 PLL 功能 可以鎖定，但是SSCG 的展頻調變電路卻也因為偏壓點設計不對，導致除率改變 的範圍異常而失去功能。不過整體結果來看，至少最重要的 PLL 功能可以正常 鎖定，表示下一版只需要重新設計好調變電路便可以讓展頻功能也能正常，因為 這一塊是全數位電路，對於電壓改變的偏壓修改相對於 PLL 來說並不困難。最 後本論文將溫度量測結果整理在表4.9。
表4.9 溫度變異對晶片影響的統計資料
溫度 測試功能 電壓 功能紀錄
PLL 鎖定 1.8V 正常工作
25°C
SSCG 展頻 1.8V 正常工作
PLL 鎖定 2.0V 正常工作，1.8V 在 65°C 以前可鎖定 70°C
SSCG 展頻 2.0V 失敗
PLL 鎖定 2.0V 正常工作
125°C
SSCG 展頻 2.0V~2.2V 失敗
在本論文的 PVT 分析中，看到的量測結果現象確實能夠跟模擬現象做結 合，而對應溫度上升所需要改變的電壓值也跟模擬結果大致吻合，而 2.0V 的電 壓在主機板內是很容易做到的值，這樣的調整可令 PLL 在 125°C 都還是能夠維 持鎖定，只是調變電路需要再針對電壓改變做設計，讓SSCG 展頻功能也可運作。