余量和校準，以獲得樂趣和利潤

本應(yīng)用筆記概述了電子裕量調(diào)節(jié)及其在產(chǎn)品出廠前檢測潛在系統(tǒng)故障的價值。它是一種校準方法，可有效預(yù)測并允許調(diào)整以提高產(chǎn)品質(zhì)量。保證金還可用于將產(chǎn)品分類為性能級別，從而允許以高價出售優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。我們討論了分類的缺點，并提出了隔離產(chǎn)品的替代方法。

介紹

“邊際”一詞有多種含義。一種常見的頁邊距類型，即頁面上印刷文本周圍的空間，可以在 5000 多年前的粘土板上看到。這個詞最可怕的定義之一與以保證金購買股票有關(guān)（使用股票購買作為抵押品從經(jīng)紀人那里借錢）。在1929年美國股市崩盤之前，人們可以借入高達股票價值的90%。如果股票價值下跌，“追加保證金”要求人們支付資金以保留股票所有權(quán)。不滿足追加保證金要求意味著股票將被出售，投資者可能會損失所有資金。今天，保證金購買僅限于更小的百分比。

然而，我們將專注于計算機和電子行業(yè)的利潤。當?shù)谝粋€微處理器安裝在主板上以制造計算機時，許多人，特別是游戲玩家和模組制作者（修改器），都希望更快的速度。于是，“速度邊際”誕生了。

速度裕度，也稱為“推送”或“超頻”，正在更改計算機的系統(tǒng)硬件設(shè)置，使其以高于制造商額定值的速度運行。這可以在系統(tǒng)的各個點完成，通常通過調(diào)整 CPU、內(nèi)存、視頻卡或主板總線速度。

通常，制造商會對芯片進行微調(diào)和測試，以確定它們以何種速度失效。然后以比這低一級的速度對它們進行評級。IC制造商將嘗試盡可能快地制造他們的產(chǎn)品，因為更快的硬件可以賣更多的錢。據(jù)統(tǒng)計，晶圓中的某些IC可能能夠以比其他IC更高的速度運行。每個芯片都經(jīng)過測試，看看它的運行速度有多快，運行得更快的芯片被標記為“更高的速度”。由于測試非常嚴格和保守（因為必須保證部件以最低速度運行），游戲玩家認為有可能將 CPU 推得比其額定值略快，同時保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

超頻者還發(fā)現(xiàn)，一些IC廠商為了滿足市場需求，故意低估芯片，制造高端和低端產(chǎn)品的差異化。有時，當制造商缺貨時，他們會將較快的芯片封裝為較慢的芯片以滿足需求。超頻總是有效嗎？不。但是，超頻者嘗試是因為統(tǒng)計上有些成功了。

保證金的下一步

正如我們在應(yīng)用筆記4345“接地良好，數(shù)字即模擬”部分所討論的，數(shù)字信號比模擬信號更能容忍噪聲和電源電平。這是因為數(shù)字設(shè)備固有的閾值。模擬設(shè)備會立即損壞，而數(shù)字設(shè)備通常可以正常工作，只要信號高于或低于臨界閾值電平。在數(shù)字系統(tǒng)中，故障是突然的（懸崖效應(yīng)），因為信號的劣化最初被（閾值）拒絕，直到它們變得嚴重到足以破壞數(shù)據(jù)。在那里，有必要測試性能裕度，以確保產(chǎn)品在其保修期內(nèi)和極端條件下運行。

裕量是計算機行業(yè)中使用的一種長期成熟的技術(shù)，通過在比正常服務(wù)中遇到的壓力更大的條件下對其進行測試來證明數(shù)字過程的可靠性。失效前可以施加的額外應(yīng)力程度是性能裕度的衡量標準。

保證金技術(shù)可以應(yīng)用并取得巨大成功，如果使用得當，將提供急需的信心因子。對電路進行裕量有兩種典型方法：一種是使用病理數(shù)據(jù)模式。根據(jù)所使用的系統(tǒng)和編碼，具有 1 或 0 的長字符串的數(shù)據(jù)模式缺少時鐘數(shù)據(jù)，并且可能會強調(diào)閾值要求。第二種也是更通用的方法是改變電源電平（通常通過降低電壓）。

校準裕量

在 系統(tǒng) 或 PCB 的 設(shè)計 階段， 設(shè)計 人員 必須 定義 測試 協(xié)議。該過程將詳細說明如何量化施加到被測器件（DUT）的應(yīng)力，以及如何客觀地將DUT分類為不同的性能級別或使產(chǎn)品失效（表1）。該協(xié)議應(yīng)清除早期嬰兒故障，并提供DUT在其預(yù)計壽命內(nèi)運行的信心。典型的協(xié)議會逐步降低電源電壓，可能會改變時鐘速度等其他參數(shù)，并監(jiān)控一些關(guān)鍵功能參數(shù)。例如，將設(shè)置限制，將 DUT 分類為高性能到低性能單元，并刪除故障設(shè)備。

將 DUT 放入箱 A、B、C、D、E 或故障的示例過程

實施一個軟件或固件程序，可以調(diào)整電源電壓和改變時鐘速度，同時交替將兩種數(shù)據(jù)模式之一寫入存儲器。每次寫入內(nèi)存后，讀取內(nèi)存以監(jiān)視錯誤。

在以下分檔操作中，將執(zhí)行校準以精確設(shè)置電源電壓。還將完成其他校準程序，以補償部件公差并確保滿足所有其他規(guī)格。

故障部件可以根據(jù)經(jīng)濟因素進行修復(fù)或丟棄。小心故障板的丟棄方式;它們必須被物理銷毀，以防止不道德的人在灰色市場上出售它們并損害合法制造商的聲譽。

使用裕量和校準的其他方法

其他系統(tǒng)規(guī)格可以通過裕量和校準的組合來滿足。可以改進的參數(shù)包括功耗和電源噪聲抑制（見圖1）。

圖1.電源去耦和監(jiān)控系統(tǒng)。

工程似乎總是涉及某些優(yōu)點和缺點之間的權(quán)衡。線性（低壓差）穩(wěn)壓器很安靜，但多余的功率會轉(zhuǎn)化為熱量。開關(guān)穩(wěn)壓器通電高效，但往往噪聲大。圖1使用校準來兩全其美。電源穩(wěn)壓器的容差通常在 5% 至 10% 的范圍內(nèi)?，F(xiàn)在，設(shè)想一個具有裕量的系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須將功耗降至最低。兩個穩(wěn)壓器的輸出通過單獨的低通濾波器或去耦，以最大限度地降低噪聲。大多數(shù)電源穩(wěn)壓器都針對直流進行了優(yōu)化，并且具有足夠的頻率響應(yīng)來響應(yīng)線路和負載的變化。它們用作反饋環(huán)路，將輸出電壓與基準進行比較。典型的頻率響應(yīng)限制在幾十到幾百千赫茲，以防止振蕩。

MAX11600系列具有輸入多路復(fù)用器，后接模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可監(jiān)測多達12個獨立點。為了最大限度地降低功耗，我們通過在開關(guān)穩(wěn)壓器上設(shè)置數(shù)字電位計（電位器）來測量點A，該點考慮了開關(guān)穩(wěn)壓器去耦端的壓降。B點測量通過調(diào)整LDO上的數(shù)字電位器來補償LDO去耦網(wǎng)絡(luò)上的壓降。通過將開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)置為略高于所需的LDO電壓，我們可以以最小的功率損耗獲得相對安靜的功率。為了進一步降低噪聲，可以用基準電壓源代替LDO，或者在LDO輸出端增加一個基準電壓源，為關(guān)鍵電路（如低噪聲放大器）供電。

裕量調(diào)節(jié)具有明顯的優(yōu)勢，并允許在產(chǎn)品發(fā)貨前檢測和糾正潛在的故障。但是對于所有工程，都有危險。在工藝和組件公差范圍內(nèi)，給定批次可能無法獲得最高等級的風(fēng)險。因此，人們可能會被大量低級單位的庫存所困。將產(chǎn)品分類為性能等級并相應(yīng)地定價是有問題的，但作為一種測試工具，測試它要安全得多。問題是統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

仔細的統(tǒng)計設(shè)計對于防止低產(chǎn)量陷阱是必要的。可以找到可以幫助設(shè)計的工具示例。它們包括用于HP 50g的模擬設(shè)計計算器，包括在個人計算機上運行的免費模擬器。統(tǒng)計過程控制計算器有助于預(yù)測和分析過程產(chǎn)量。它計算每百萬缺陷數(shù)、良率、過程偏移、標準偏差、平均值以及規(guī)格下限和規(guī)格上限。Micro-Cap 10是Spectrum Software的電路模擬器（有一個免費的評估版本）。該軟件允許掃描電阻值并執(zhí)行蒙特卡羅分析，以探索元件公差的影響。

隨著變量（組件）數(shù)量的增加，“保證”低收益保護可能變得不切實際。然后，可以采用另一種校準技術(shù)。假設(shè)產(chǎn)品有幾個校準區(qū)域。我們將這些區(qū)域稱為 A、B 和 C（可以容納任意數(shù)量的區(qū)域）。最高性能（價格）的設(shè)備在所有領(lǐng)域都經(jīng)過全面校準。中端產(chǎn)品在A區(qū)和C區(qū)進行校準。最便宜的產(chǎn)品只能在C區(qū)校準，調(diào)節(jié)器件（數(shù)字電位器或DAC）在A區(qū)和B區(qū)用固定電阻代替。這通過降低低精度產(chǎn)品的測試和組件成本，創(chuàng)造了真正的產(chǎn)品差異化。

結(jié)論

裕量調(diào)節(jié)可以有效地檢測系統(tǒng)中的早期故障，并提供一種區(qū)分產(chǎn)品性能水平的方法。盡管股票市場中的追加保證金通知可能風(fēng)險更大，但保護自己免受電子保證金的低收益陷阱也很重要。