Spektrale Signalflussmodellierung durch Harmonischen-Transfer-Matrizen für den Selbsttest und die Selbstkorrektur von Hochfrequenzschaltungen

In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept für den integrierbaren Selbsttest BIST (built-in self-test) von Hochfrequenzschaltungen entwickelt, das besonders für einen schnellen Produktionstest geeignet ist. Es zeigt sich jedoch, dass aus der Stimulusantwort auf einfache Weise auch Informationen zum integrierbaren Selbstabgleich BISC (built-in self-correction) gewonnen werden können. Ausgehend von einer Recherche des aktuellen Standes der Technik auf diesem Gebiet wird die Verwendung eines orthogonalen Vielträgersignales (OFDM-Signal) als Stimulus favorisiert. Die daraus resultierende Stimulusantwort ist dann leicht analysierbar, wenn man ihre Orthogonalitätseigenschaft ausnutzt, denn die entstehenden Intermodulationsprodukte bilden zwar neue, aber zu den übrigen Komponenten wiederum orthogonale Spektralkomponenten. Durch die Kettenschaltung von Sender und Empfänger des zu testenden Transceivers mit loopback wird nicht nur die Hochfrequenztauglichkeit, sondern auch ein sehr geringer Aufwand erreicht, insbesondere durch den geringen Schaltungsumfang der loopback-Schaltung und die Mitbenutzung des Basisbandteils zur Stimulusgenerierung und Stimulusantwortanalyse. Das Problem der Unterdrückung von Intermodulationsprodukten durch nachfolgende schmalbandige Filter wird durch eine der Rauschklirrmessung entlehnte Methode gelöst, indem in den Stimulus eine spektrale Lücke eingefügt wird. Das vorgestellte Testkonzept ist damit eine Kombination der an sich bekannten Prinzipien loopback-Kettenschaltung, OFDM-Signal als Stimulus und Rauschklirrmessung, die zusammen eine innovative Möglichkeit des integrierten Selbsttests von RF-Front-Ends bietet. Als zentrales Resultat dieser Arbeit wird aus den Erkenntnissen bei der Betrachtung der Eigenschaften des OFDM-Stimulus, der Intermodulationsprodukte und der Rauschklirrmessmethode eine neue Theorie des spektralen Signalflusses entwickelt. Diese Theorie stellt eine Erweiterung der Signalflussgraphen dar. Dabei werden die Signale an jedem Punkt der Schaltung durch Fourierreihenentwicklung in ihre spektralen Komponenten zerlegt und deren Ausbreitung zum Ausgang des Testobjektes DUT (device under test) getrennt betrachtet. Die spektralen Signalflusspfade werden als spektrale Signalflussgraphen dargestellt, die durch die Angabe ihrer Adjazenzmatrizen charakterisiert sind. Diese Matrix, das Fehlermodell, wird als Harmonischen-Transfer-Matrix bezeichnet. Bei näherer Betrachtung zeigt sich, dass das Modell der spektralen Signalflusspfade das Pendant des analogen Tests zum digitalen Haftfehler -(stuck-at)-Fehlermodell ist. Daraus lassen sich erste Schlussfolgerungen zur zweckmäßigen Gestaltung des Stimulus ableiten. Nach einer Betrachtung der Möglichkeiten der spektralen Stimulusantwortanalyse wendet sich die Arbeit dem Entwurf von Schaltungen zum Selbstabgleich zu. Dabei werden an ausgewählten Beispielen Möglichkeiten zum empfindlichkeitsverringernden Entwurf und zum Abgleich von Mikrowellenschaltungen mittels Laser und mittels elektrischer Stellschaltungen vorgestellt. Die Arbeit schließt mit Hinweisen zur praktischen Implementierung.