CN106656162B - 器件特性老化自适应控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种器件特性老化自适应控制方法，包括：实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；利用所述校准控制信号值控制电压调节器输出校准的电源电压，并将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。有效解决MOSFET器件老化造成电路性能退化的问题，延长集成电路芯片的工作寿命。

Description

器件特性老化自适应控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电路的设计领域，尤其具体涉及一种器件老化特性自适应控制方法及装置。

背景技术

MOS集成电路的长时间工作过程中,MOSFET的器件热载流子注入(HCI)、衬底正偏不稳定性(PBTI)、负偏不稳定性(NBTI)会明显导致MOSFET阈值电压的漂移，进一步引起电流-电压曲线的变化,在电路上表现为充放电电流大小的变化，同一工作电压下电路性能退化。因此，HCI、PBTI、NBTI等效应会导致器件特性偏移正常工作范围，缩短集成电路芯片的工作寿命，这样的过程称之为器件特性老化。随着制造处理技术的发展，特征尺寸变得不断缩小，当前小到几十纳米，这也加重了这种器件特性老化对电路性能的影响，并且电路长时间工作会引发电路故障。

器件特性老化对超阈值电压工作、近阈值电压工作、以及亚阈值电压工作的MOS电路性能均有一定的影响。器件特性老化对极低功功耗电路的电路性能影响更为明显，极低功耗电路利用MOSFET器件的亚阈区特性进行工作，表征亚阈区特性的最重要的参数是MOSFET的阈值电压。MOSFET器件亚阈区漏-源电流与栅-源电压和阈值电压之差成指数变化关系。因此，MOSFET阈值电压的漂移会引起亚阈区的电流-电压关系显著漂移。

为了延长集成电路芯片,特别是极低功耗集成电路芯片的工作寿命，有必要从集成电路结构上提供支持器件特性老化自适应的电路结构设计。

发明内容

本发明提供一种器件特性老化自适应电路的设计方法及装置，有效解决MOSFET器件老化造成电路性能退化的问题，延长集成电路芯片的工作寿命。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种器件特性老化自适应控制方法，包括：

实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；

根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；

利用所述校准控制信号值控制电压调节器输出校准的电源电压，并将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。

优选的，所述实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值包括：

获取环形振荡器电路产生的振荡周期；

获取所述振荡周期的计数值，并将所述计数值作为所述器件特性老化状态表征值。

优选的，所述方法还包括：

预置所述器件特性老化状态表征值与所述校准控制信号值的对应表；

所述根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值包括：

根据所述对应表确定所述校准控制信号值。

优选的，所述根据所述对应表确定所述校准控制信号值包括：

如果所述器件特性老化状态表征值N介于所述对应表中相邻的器件特性老化状态表征值N_i和N_i+1之间，则对应的所述控制信号值为{[(N_i+1-N)*(N_i对应的所述控制信号值)]+[(N-N_i)*(N_i+1对应的所述控制信号值)]}/[N_i+1-N_i]。

优选的，所述根据所述对应表确定所述校准控制信号值还包括：

如果所述器件特性老化状态表征值N介于所述对应表中相邻的器件特性老化状态表征值N_i和N_i+1之间，若N更接近N_i，则所述校准控制信号值等于N_i对应的校准控制信号值，否则等于N_i+1对应的校准控制信号值。

本发明还提供一种器件特性老化自适应控制装置，包括：器件特性老化状态检测电路、电源电压校准控制电路、电压调节器；

所述器件特性老化状态检测电路用于实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；

所述电源电压校准控制电路根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；

所述电压调节器根据所述校准控制信号值向所述集成电路输出校准的电源电压，将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。

优选的，所述器件特性老化状态检测电路包括环形振荡器电路，所述环形振荡器电路产生的振荡周期的计数值作为所述器件特性老化状态表征值。

优选的，所述器件特性老化状态检测电路还包括：分频器电路、计数器电路、数值取样电路；

所述环形振荡器电路输出周期性的振荡信号至所述分频器电路；

所述分频器电路对所述周期性的振荡信号进行分频，产生分频器输出信号；

所述计数器电路对所述分频器输出信号的周期数进行计数，并输出计数值；

所述数值取样电路在设定时间间隔后获取所述计数器电路输出的计数值作为所述器件特性老化状态表征值，所述数值取样电路还输出复位清零信号给所述计数器电路进行复位。

优选的，所述电源电压校准控制电路包括：设置模块和生成模块；

所述设置模块用于预置用于表征器件特性老化状态表征值与校准控制信号值的对应表；

所述生成模块用于接收所述器件特性老化状态表征值，并根据所述对应表模块输出所述校准控制信号值。

优选的，所述电压调节器是可控制的。

本发明提供一种器件特性老化自适应控制方法及装置，通过器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值，实现控制电压调节器输出校准的电源电压，并将所述电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。能有效解决MOSFET器件老化造成电路性能退化的问题，延长集成电路芯片的工作寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的具体实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1：是本发明提供的一种器件特性老化自适应控制方法示意图；

图2：是本发明实施例提供的器件特性老化状态表征值与校准控制信号值的对应表；

图3：是本发明实施例提供的无老化自适应电路的工作电压和工作频率与工作时间的特性曲线示意图；

图4：是本发明实施例提供的老化自适应电路的工作电压和工作频率与工作时间的特性曲线示意图；

图5：是本发明实施例提供的一种器件特性老化自适应控制装置结构示意图；

图6：是为本发明实施例提供的器件特性老化状态检测电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

针对集成电路的器件特性老化对电路性能的影响，并可能引发电路故障。本发明提供一种器件特性老化自适应控制方法及装置，通过器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值，实现控制电压调节器输出校准的电源电压，并将所述电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。能有效解决MOSFET器件老化造成电路性能退化的问题，延长集成电路芯片的工作寿命。

如图1所示，为本发明提供的一种器件特性老化自适应控制方法，包括以下步骤：

S1:实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；

S2:根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；

S3:利用所述校准控制信号值控制电压调节器输出校准的电源电压，并将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。

实际应用中，器件特性老化直接表征为MOSFET器件阈值电压的漂移，在电路上表征为在同一工作电压下的电路性能的退化，也表现为充放电电流大小的变化，在数字环形振荡器上表现为振荡频率的变化。获取上述表征值的变化，能够很好说明器件特性老化状态。同时，MOSFET器件漏-源电流与栅-源电压和阈值电压之差存在依赖变化关系，特别是亚阈区工作的MOS电路中MOSFET器件亚阈区漏-源电流与栅-源电压和阈值电压之差成指数变化关系。因此，改变工作电压可以改变电路的工作性能，合适的工作电压保持电路的工作频率，从而消除器件特性老化对电路性能的影响。

进一步，所述实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值包括：获取环形振荡器电路产生的振荡周期；获取所述振荡周期的计数值，并将所述计数值作为所述器件特性老化状态表征值。

具体地，器件特性老化状态表征值可以是电流大小的变化，也可以是数字电路门延时的变化、还可以是数字环形振荡器电路的振荡频率的变化，当然也可以用其他的参数来表征器件特性老化状态。本发明实施例采用环形振荡器的振荡频率来表征。

进一步，所述方法还包括：预置所述器件特性老化状态表征值与所述校准控制信号值的对应表；所述根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值包括：根据所述对应表确定所述校准控制信号值。

具体地，使所述器件特性老化状态表征值与所述工作电压为对应关系，可采用对应表的形式，把所述器件特性老化状态表征值与所述工作电压相连系，所述工作电压由校准控制信号值决定，这样就可以用对应表实现所述器件特性老化状态表征值与所述校准控制信号值的对应关系。如图2所示，为本发明实施例提供的器件特性老化状态表征值与校准控制信号值的对应表。所述器件特性老化状态表征值由N₀、N₁、N₂……N_n表示，相对应的所述校准控制信号值由Cntr-Vdd₀、Cntr-Vdd₁、Cntr-Vdd₂……Cntr-Vdd_n等表示。当然也可以采用其他形式来表征所述对应关系。

进一步，所述根据所述对应表确定所述校准控制信号值包括：

如果所述器件特性老化状态表征值N介于所述对应表中相邻的器件特性老化状态表征值N_i和N_i+1之间，则对应的所述控制信号值为{[(N_i+1-N)*Cntr-Vdd_i]+[(N-N_i)*Cntr-Vdd_i+1]}/[N_i+1-N_i]。

所述根据所述对应表确定所述校准控制信号值还包括：

如果所述器件特性老化状态表征值N介于所述对应表中相邻的器件特性老化状态表征值N_i和N_i+1之间，若N更接近N_i，则所述校准控制信号值等于Cntr-Vdd_i，否则等于Cntr-Vdd_i+1。

在实际应用中，如图3所示，为本发明实施例提供的无老化自适应电路的工作电压和工作频率与工作时间的特性曲线示意图。电路工作的电源电压保持为V0,在0～T0工作时间范围内电路工作频率为F0；在工作时间T0处电路工作频率开始下降，T0～T1工作时间范围内电路实际工作频率低于所需要的电路工作频率，电路失效。在这种情况下，电路的工作寿命为T0。

如图4所示，为本发明实施例提供的老化自适应电路的工作电压和工作频率与工作时间的特性曲线示意图。电路工作的电源电压在0-T0工作时间范围内始终保持为V0，电路工作频率为F0；在T0～T1工作时间范围内器件因为HCI和BTI等影响的累积，器件阈值电压产生漂移，对器件的电流-电压特性产生显著影响，老化自适应电路的工作电压变化使得电路保持工作频率F0，在T0～T1工作时间范围内，工作电源电压由V0随工作时间变化，在T1时间点变为V1，而电路实际工作频率保持为F0，与所需要的电路工作频率一致。在这种情况下电路的工作寿命大于T1。

可见，本发明提供一种器件特性老化自适应控制方法，采用器件特性老化状态表征值来控制集成电路的工作电压，能有效解决MOSFET器件老化造成电路性能退化的问题，延长集成电路特别是极低功耗集成电路芯片的工作寿命。

本发明还提供一种器件特性老化自适应控制装置，如图5所示，为本发明实施例提供的一种器件特性老化自适应控制装置结构示意图，包括：器件特性老化状态检测电路、电源电压校准控制电路、电压调节器。

所述器件特性老化状态检测电路用于实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；所述电源电压校准控制电路根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；所述电压调节器根据所述校准控制信号值向所述集成电路输出校准的电源电压，将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。

如图6所示，为本发明实施例提供的器件特性老化状态检测电路结构示意图，所述电路包括环形振荡器电路，所述环形振荡器电路产生的振荡周期的计数值作为所述器件特性老化状态表征值。

所述器件特性老化状态检测电路还包括：分频器电路、计数器电路、数值取样电路。所述环形振荡器电路输出周期性的振荡信号至所述分频器电路。所述分频器电路对所述周期性的振荡信号进行分频，产生分频器输出信号。所述计数器电路对所述分频器输出信号的周期数进行计数，并输出计数值。所述数值取样电路在设定时间间隔后获取所述计数器电路输出的计数值作为所述器件特性老化状态表征值，所述数值取样电路还输出复位清零信号给所述计数器电路进行复位。

具体地，所述环形振荡器电路输出的振荡信号，所述振荡信号的信号频率为F1,所述分频器对环形振荡器电路输出的振荡信号作X分频,则所述计数器在T时间窗口内对所述分频器输出信号的周期数进行计数,计数值为T*F1/X,以计数值T*F1/X表征器件特性老化状态。在实际应用中，所述数值取样电路可以是一个锁存器电路，在设定时间到来时触发工作。

进一步，所述电源电压校准控制电路包括：设置模块和生成模块。所述设置模块用于预置用于表征器件特性老化状态表征值与校准控制信号值的对应表。所述生成模块用于接收所述器件特性老化状态表征值，并根据所述对应表模块输出所述校准控制信号值。

需要说明的是，所述设置模块主要是设置器件特性老化状态表征值与校准控制信号值的对应表，可以采用硬件电路的形式存在，也可以软件的形式存在，当然还可以软硬件混合形式存在。

进一步，所述电压调节器是可控制的。所述电压调节器根据接收的校准控制信号值，产生输出校准的电源电压给极低功耗电路，此时，电路由于器件特性老化而不能在原电压下正常保持时序性能，需通过电压调节器输出的校准电源电压自动调节电路的工作电压，使电路保持同样的时序性能，从而使电路保持很稳定的频率特性。

可见，本发明提供的一种器件特性老化自适应控制装置，采用器件特性老化状态检测电路获取器件特性老化状态表征值，通过电源电压校准控制电路控制电压调节器输出校准电源电压给需要保持正常性能的工作电路供电，能有效解决MOSFET器件老化造成电路性能退化的问题，延长集成电路芯片的工作寿命。

以上依据图示所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种器件特性老化自适应控制方法，其特征在于，包括：

实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；

根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；

利用所述校准控制信号值控制电压调节器输出校准的电源电压，并将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。

2.根据权利要求1所述的器件特性老化自适应控制方法，其特征在于，所述实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值包括：

获取环形振荡器电路产生的振荡周期；

获取所述振荡周期的计数值，并将所述计数值作为所述器件特性老化状态表征值。

3.根据权利要求1所述的器件特性老化自适应控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

预置所述器件特性老化状态表征值与所述校准控制信号值的对应表；

所述根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值包括：

根据所述对应表确定所述校准控制信号值。

4.根据权利要求3所述的器件特性老化自适应控制方法，其特征在于，所述根据所述对应表确定所述校准控制信号值包括：

如果所述器件特性老化状态表征值N介于所述对应表中相邻的器件特性老化状态表征值N_i和N_i+1之间，则对应的所述控制信号值为{[(N_i+1-N)*(N_i对应的所述控制信号值)]+[(N-N_i)*(N_i+1对应的所述控制信号值)]}/[N_i+1-N_i]。

5.根据权利要求3所述的器件特性老化自适应控制方法，其特征在于，所述根据所述对应表确定所述校准控制信号值还包括：

当所述器件特性老化状态表征值N介于所述对应表中相邻的器件特性老化状态表征值N_i和N_i+1之间时，若N更接近N_i，则所述校准控制信号值等于N_i对应的校准控制信号值，否则，所述校准控制信号值等于N_i+1对应的校准控制信号值。

6.一种器件特性老化自适应控制装置，其特征在于，包括：器件特性老化状态检测电路、电源电压校准控制电路、电压调节器；

所述器件特性老化状态检测电路用于实时获取集成电路当前的器件特性老化状态表征值；

所述电源电压校准控制电路根据所述器件特性老化状态表征值确定校准控制信号值；

所述电压调节器根据所述校准控制信号值向所述集成电路输出校准的电源电压，将所述校准的电源电压作为所述集成电路当前的工作电压。

7.根据权利要求6所述的器件特性老化自适应控制装置，其特征在于，所述器件特性老化状态检测电路包括环形振荡器电路，所述环形振荡器电路产生的振荡周期的计数值作为所述器件特性老化状态表征值。

8.根据权利要求7所述的器件特性老化自适应控制装置，其特征在于，所述器件特性老化状态检测电路还包括：分频器电路、计数器电路、数值取样电路；

所述环形振荡器电路输出周期性的振荡信号至所述分频器电路；

所述分频器电路对所述周期性的振荡信号进行分频，产生分频器输出信号；

所述计数器电路对所述分频器输出信号的周期数进行计数，并输出计数值；

所述数值取样电路在设定时间间隔后获取所述计数器电路输出的计数值作为所述器件特性老化状态表征值，所述数值取样电路还输出复位清零信号给所述计数器电路进行复位。

9.根据权利要求6所述的器件特性老化自适应控制装置，其特征在于，所述电源电压校准控制电路包括：设置模块和生成模块；

所述设置模块用于预置用于表征器件特性老化状态表征值与校准控制信号值的对应表；

所述生成模块用于接收所述器件特性老化状态表征值，并根据所述对应表模块输出所述校准控制信号值。

10.根据权利要求6所述的器件特性老化自适应控制装置，其特征在于，所述电压调节器是可控制的。