JP2008538863A - 電源電圧の監視 - Google Patents

Abstract

集積回路のそれぞれのモジュールにある複数の電圧モニタを１つの制御器により制御する分散式電源電圧監視システムを設けた当該集積回路を提供する。制御器と各電圧モニタとがデジタル変換器に類似する逐次近似手段を構成する。このようなシステムは、集積回路の各モジュールに対する小型の監視回路実現しうるようにする。

Description

本発明は、電源電圧の監視、特にＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）集積回路における電源電圧の監視に関するものである。

製造技術の進歩により、大型で高密度の回路を単一の半導体集積回路上に配置しうるようになってきた。この場合は、特に、回路を正規構造、すなわち、セルラー構造、例えば、ランダムアクセスメモリとして実現する場合である。高密度装置に関連する主たる問題は、検査問題である。信頼性を高く維持するには、装置の検査処理により、集積回路に生じるおそれのある欠陥に良好に対処する必要がある。

集積回路を検査する１つの技術は、いわゆるＳＩＳＴアーキテクチャ（シグナルインテグリティ自己検査アーキテクチャ）である。ＳＩＳＴアーキテクチャの目的は、集積回路の電気特性を表す重要なパラメータを実時間で監視しうるようにすることにある。例えば、クロストーク、電源雑音、基板雑音、温度、スイッチング動作、クロックデューティサイクル等を検出するモニタを設けることができる。ＳＩＳＴアーキテクチャには、使用前で検査及びデバッグプロセス中に、且つ使用（オンライン）中にも検査を実行しうるという利点がある。

添付図面の図１は、シグナルインテグリティ自己検査（ＳＩＳＴ）アーキテクチャを予め考慮している集積回路を示すブロック線図である。集積回路１００は、多数のファンクショナル（機能）コア、すなわち、モジュール２００を有する。これらのモジュールは、アナログ、デジタル又はメモリ機能を実行しうる。図面を簡単とするために、これらのコアは全て同じ寸法であるものと仮定した。更に、図面を簡単にするために、互いに異なるファンクショナルコア間での通信制御を行う通常の相互接続ラインやバスを図面から省略した。

集積回路１００は、モニタ選択バス６００を用いて多数のモニタ（図１に図示せず）と通信するモニタ制御ブロック４００を有する。基準及び比較回路８００は、モニタから受信した信号に応じて出力端１０００から自己検査信号を出力する。モニタはバス構造体１２００を介してモニタ出力信号を生じる。モニタは、標準セルとして設計されるものである為、これらモニタは各標準セルブロック内の如何なる個所にも配置することができる。

添付図面の図２は、図１の集積回路のファンクショナルコア２００を示す。コア２００は、デコーダ１４００及びバス構造体１２００に接続された複数のモニタ１６００を有する。図２では、図面を簡単にするために、コアの機能に関連するファンクショナルブロックを省略した。図２は、４つのモニタ１６００を有する代表的なコアを示す。コアには、測定すべきパラメータに応じて任意の個数のモニタを設けうることを容易に理解しうるであろう。前述したように、互いに異なる現象、すなわち、クロストーク、電源雑音、基板雑音、温度、スイッチング動作、クロックデューティサイクル等をモニタするのに互いに異なるセンサが用いられる。

ＳＩＳＴアーキテクチャ（図１）は、モニタ制御ブロック４００により制御されるモニタ選択バス６００を用いてコア中の個々の各モニタに対するアクセスを可能にする。モニタ制御ブロック４００は、特定のコア中のあるモニタを選択しうるようにする特定のコード（符号）を含むメモリを具えている。選択されたモニタの出力は通常、直流値又は差分信号に変換されてバス構造体１２００に供給される。このバス構造体１２００は、集積回路の接着バッド１０００に直接接続するか、又は図示するように、基準及び比較回路８００に接続することができる。この基準及び比較回路８００は、１つの特定例では、モニタからの出力信号が、ある許容範囲内にあるかどうかを決定するように動作する。この基準及び比較回路８００は、各種のモニタに対する基準値を有しうる。

モニタ制御ブロック４００は、集積回路上に配置しうるが、外部制御器、例えば、ソフトウェアプログラム又は解析ツールとすることもできる。あらゆる場合に、全てのモニタ１６００とモニタ制御ブロック４００との間で通信を行う手段を設ける必要がある。

ディープサブミクロンのＣＭＯＳにおける形状寸法を更に減少させると、高度なデジタルＣＭＯＳ回路にインテグリティ問題を生ぜしめる。

インテグリティ問題の１つは、電源、接地帰路及び基板電位と関連するものである。電圧降下はレイアウトフェーズ中に予め検出することができる。しかし、電源の一時的な電圧ディップ又は接地電圧及び基板電圧のバウンスは極めて局所的な特性であり、試験中の装置で予測又は決定するのが困難である。従って、これらの一時的な電圧変動を測定及び伝達することを目的とする“シグナルインテグリティ自己検査”（ＳＩＳＴ）モニタが用いられる。

（電圧ディップ又は電圧バウンスのような）電圧の変動（イクスカーション）を測定することが現在の重要な課題となっており、利用可能な解決策も存在している。しかし、デジタルＣＭＯＳ集積回路の場合、幾つかの制約が適切な測定の可能性を制限している。すなわち、チップの外部にある測定点及びその他の必要な点に対する追加のラインに給電するのが困難である。その理由は、ワイヤは測定点に存在しない信号を取り込んでしまう為である。更に、追加の外部ピンが必要となる。電圧測定を表すデジタル信号を生ぜしめる完全なアナログ‐デジタルコンバータを構成するには、あまりにも多くのＩＣ領域を必要とし、回路に追加の電力制限を課する。

従って、本発明の目的は、上述した集積回路用の改善した電圧監視装置を提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、モジュールを有する集積回路に用いる電源電圧監視装置を提供する。この電源電圧監視装置は、制御器と、監視回路とを具え、この監視回路が、電源電圧を入力信号として受けるように接続され、平均電源電圧信号を出力するように動作しうる低域通過フィルタと、この低域通過フィルタから平均電源電圧信号を受けるように接続され、アナログ出力信号を出力するように動作しうるデジタル‐アナログ変換器と、このデジタル‐アナログ変換器からアナログ出力信号を受けるとともに測定電圧信号を受けるように接続され、アナログ及び電源電圧信号の比較に関連する比較信号であって、前記制御器に供給するための比較信号を生じるように動作しうる比較器とを有する。前記監視回路は前記集積回路の前記モジュール内に設けられ、前記制御器はこの監視回路を制御するように接続されている。

このような電源電圧監視装置によれば、関連の電圧供給点の近くで測定を行うことを可能にし、電圧監視装置が要する集積回路の領域を低減させる。

本発明の電圧監視装置は、集積回路のそれぞれのモジュール内に位置する複数の監視回路を有しうる。このような例では、前記制御器がそれぞれの監視回路からの比較信号を順次に受けるように接続されているとともに、これら監視回路に、関連の比較信号に関連する制御信号を順次に供給するように動作しうるようする。

前記測定電圧信号を電源電圧信号とすることができる。この電源電圧信号は、前記比較器に、直接供給するか又は分圧回路或いはレベルシフタ回路を介して供給することができる。後者の場合には、本発明を、電源電圧のオーバーシュートを測定する構成とすることができる。

測定電圧信号は基板電圧信号とすることができ、この場合、前記比較器はこの測定電圧信号をレベルシフタ回路を介して受けるように接続する。このような例によれば、基板電圧雑音を測定することができる。

本発明の他の観点によれば、上述した電圧監視装置を有する集積回路を提供する。

本発明の上述した及びその他の観点は以下の好適実施例の説明から明らかとなるであろう。

本発明の実施例では分散手法を用いる。電圧監視装置は集積回路上の所望の測定点の付近に配置する。このような実施例では、電源電圧の現在の測定値と、フィルタ及びデジタル‐アナログ変換器（ＤＡＣ）により形成された電源電圧の平均値とを比較する為に、測定点の付近に比較器を配置する。ＤＡＣによる制御は、測定点から離して配置した制御器により達成する。この制御器は複数の測定ＤＡＣに対し共通とし、これらＤＡＣと通信しうるようにする。可能な一例では、監視回路（モニタ）を通信ラインにより互いに接続して直列回路を構成する。この直列回路における最初と最後との監視回路を制御器に接続する。通信ラインは１ビットラインとしうる。

図３は、本発明の１つの観点を実施した電源電圧監視システムを示す。このシステムは、制御器８及び監視回路１を具え、この監視回路（モニタ）１は、低域通過フィルタ２（このフィルタ２は、本例では、抵抗２１及びキャパシタ２２、すなわち、ＲＣ回路網を有する）と、この低域通過フィルタ２の出力を受けるように接続したデジタル‐アナログ変換器（ＤＡＣ）４と、比較器６とを有する。

低域通過フィルタ２は、電源電圧ＶＤＤ（ライン１０）を入力信号として受け、平均ＶＤＤ信号ＶＤＤ,av （ライン１２）を生じる。この平均信号はデジタル‐アナログ変換器４に供給され、このデジタル‐アナログ変換器４がＤＡＣ信号Ｖ_DAC （ライン１４）を生じる。比較器６が、このＤＡＣ信号を受信し、この信号と元の電源電圧ＶＤＤとを比較して比較出力信号Ｖ_COMP（ライン１６）を生ぜしめる。この比較出力信号Ｖ_COMPは制御器８に供給される。この制御器８は、制御信号（ライン１８）を用いてＤＡＣ４の設定を制御するように動作する。このＤＡＣ４は、平均ＶＤＤ信号の、適切に決定した近似値を発生させるために、逐次近似技術を用いて動作するようにする。

図３は、図面を簡単にするために、制御器８に接続された１つのみの監視回路を示している。集積回路上の各モジュールに、制御器８と通信する監視回路を設けうることを容易に理解しうるであろう。

一特定例では、複数の監視回路を互いに連結して直列接続回路を形成し、各監視回路がこれに隣接する監視回路と通信しうるようにする。この直列接続回路における最初と最後との監視回路を制御器８と通信するように接続する。このような場合、制御器８により監視回路に供給される制御信号は、この信号が目的とする監視回路に到達するまで、監視回路の直列接続回路に巡回させる必要がある。この信号が目的とする監視回路に到達すると、この監視回路はその比較信号を、直列接続回路におけるその他の残りの監視回路を介して制御器８に出力しうる。

図４は、信号ＶＤＤ、ＶＤＤ,av 、Ｖ_DAC 及びＶ_COMP（ライン１０、１２、１４及び１６）を示す。この図４から明らかなように、電源電圧ＶＤＤが瞬時的な電圧ディップ（Ａで示す）を呈すると、比較信号Ｖ_COMPが変化し、これによりこの電圧降下を制御器に提示する。逐次近似技術が、電源電圧における電圧ディップの大きさを測定しうるようにする。平均電源電圧を基準点として用いることにより、比較信号が電源電圧における相対変化に関連するようになる。その結果、正確な電源電圧の局所測定を不要とする。

この場合、測定すべき量は、雑音ＶＤＤ,noiseである。この電圧の絶対値はそれほど重要ではないが、スパイクがデジタル回路の信頼性を決定する。このスパイクは、雑音のある電源電圧の平均値に対して測定される。この値はローカルフィルタが発生する。この場合、ローカルフィルタとしてＲ‐Ｃ回路網を用いるが、他の回路網を選択することもできること勿論である。この回路におけるデジタル‐アナログ変換器がこの値を細分し、このデジタル‐アナログ変換器は制御機構（逐次近似ループ）により設定しうる。期待される電圧分解能は１０〜２０ｍＶの範囲内にあるため、Ｒ‐２Ｒの回路構造を用いることができる。フィルタリング用の抵抗及びキャパシタがＤ‐Ａ変換器の素子を構成する更なる変形例が存在する。

図５は、図３の実施例の変形例を示し、電源電圧のオーバーシュートを測定するものである。電源ライン１０と比較器６との間には分圧器３０が接続されている。図５に示す例の分圧器は、電源のライン１０と大地との間に接続された２つの抵抗の直列接続体であり、その中央接続部が比較器の一方の入力端に接続されている。或いはまた、分圧器の個所にレベルシフタを用いることができる。比較器への入力は、図３と同様な極性判定を得るためには、図３の回路に比べて反転させる必要がある。或いはまた、比較器の出力端の後にインバータを接続する。図５の回路の動作は図３の動作と同じである。

図６は、基板雑音を測定するための他の変形回路を示す。図６の回路と図３の回路との間の相違は以下の通りである。図３における電源電圧ラインと比較器との間の接続の代わりに、図６では比較器からレベルシフタ３２を介する基板への接続が用いられている。比較器から正しい出力を得るために、ＤＡＣ４の出力端とこの比較器との間に他のレベルシフタを加えることができる。すなわち、レベルシフトされた電圧を補正するには、基板の“クワイアット（quiet ）”測定を行う必要がある。この場合、図６の回路の動作は図３につき説明した回路の動作と同じである。

電源の電圧ディップ及びスパイクを測定する前述したモードと、他のバイアス又は電源ラインにおける基板妨害を測定する前述したモードとは組み合わせることができる。これらのモードの各々に対する必要な接続は一組のスイッチにより設定しうる。これらのスイッチは制御器により制御することができる。この制御器からスイッチへの制御信号は、バス構造体を介して、又はシフトレジスタ制御手段を介して、又は当業者にとって既知の他のいかなる手段をも介して伝送しうる。

上述したモニタの幾つかの実施例の利点は、
測定ユニットの大きさが小さい為、この測定ユニットをデジタルコアモジュール内に組み込むことができるということ、
単線データバス以外の追加の配線が不要であること、
電源及び接地端子に対する正及び負の電圧変動の測定に拡張しうるということ
にある。

本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲を逸脱することなしに、当業者が種々の変形例を設計しうることを銘記すべきである。又、本発明は、数個の個別の素子を有するハードウエアにより実施し、又場合によっては、適切にプログラミングされたコンピュータにより実施しうる。更に、数個の手段を列挙している請求項では、これらの手段の幾つかを１つの同じハードウエアで構成することができる。又、幾つかの手段を互いに異なる従属請求項に記載してあるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを用いるのが有利でないということを意味するものではない。

図１は、集積回路のＳＩＳＴアーキテクチャを示すブロック線図である。 図２は、図１のアーキテクチャのファンクショナルコアを示すブロック線図である。 図３は、本発明を実現する電源電圧監視システムの一部を示す回路図である。 図４は、図１のシステムの動作を示す説明図である。 図５は、図３のシステムの変形例を示す回路図である。 図６は、図３のシステムの他の変形例を示す回路図である。

Claims (16)

1. モジュールを有する集積回路に用いる電源電圧監視装置であって、この電源電圧監視装置が、
   ‐制御器と、
   ‐監視回路と
   を具え、この監視回路が、
   ‐電源電圧を入力信号として受けるように接続され、平均電源電圧信号を出力するように動作しうる低域通過フィルタと、
   ‐この低域通過フィルタから平均電源電圧信号を受けるように接続され、アナログ出力信号を出力するように動作しうるデジタル‐アナログ変換器と、
   ‐このデジタル‐アナログ変換器からアナログ出力信号を受けるとともに測定電圧信号を受けるように接続され、アナログ及び電源電圧信号の比較に関連する比較信号であって、前記制御器に供給するための比較信号を生じるように動作しうる比較器と
   を有するようにした電源電圧監視装置において、
   前記監視回路が前記集積回路の前記モジュール内に設けられ、前記制御器がこの監視回路を制御するように接続されている電源電圧監視装置。
2. 複数のモジュールを有する集積回路に用いる請求項１に記載の電源電圧監視装置であって、この電源電圧監視装置が集積回路のそれぞれのモジュール内に位置する複数の監視回路を具える電源電圧監視装置。
3. 請求項２に記載の電源電圧監視装置において、前記制御器はそれぞれの監視回路からの比較信号を順次に受けるように接続されているとともに、これら監視回路に、関連の比較信号に関連する制御信号を順次に供給するように動作しうるようになっている電源電圧監視装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源電圧監視装置において、前記測定電圧信号が電源電圧信号である電源電圧監視装置。
5. 請求項４に記載の電源電圧監視装置において、前記比較器は、前記測定信号を分圧回路を介して受けるように接続されている電源電圧監視装置。
6. 請求項４に記載の電源電圧監視装置において、前記比較器は、前記測定信号をレベルシフタ回路を介して受けるように接続されている電源電圧監視装置。
7. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源電圧監視装置において、前記測定電圧信号が基板電圧信号であり、前記比較器は、前記測定電圧信号をレベルシフタ回路を介して受けるように接続されている電源電圧監視装置。
8. 集積回路であって、この集積回路が、
   ‐複数のモジュールと、
   ‐電源電圧監視装置と
   を具え、前記電源電圧監視装置は、
   ‐制御器と、
   ‐複数の監視回路と
   を有し、各監視回路は、
   ‐電源電圧を入力信号として受けるように接続され、平均電源電圧信号を出力するように動作しうる低域通過フィルタと、
   ‐この低域通過フィルタから平均電源電圧信号を受けるように接続され、アナログ出力信号を出力するように動作しうるデジタル‐アナログ変換器と、
   ‐このデジタル‐アナログ変換器からアナログ出力信号を受けるとともに測定電圧信号を受けるように接続され、アナログ及び電源電圧信号の比較に関連する比較信号であって、前記制御器に供給するための比較信号を生じるように動作しうる比較器と
   を有するようにした集積回路において、
   前記監視回路が前記集積回路のそれぞれの前記モジュール内に設けられ、前記制御器がこれらの監視回路を制御するように接続されている集積回路。
9. 請求項８に記載の集積回路において、前記複数の監視回路が互いに直列に接続され、直列の互いに隣接する監視回路間に信号を伝送するようになっており、直列の互いに隣接する監視回路のうちの最初及び最後の監視回路が信号を前記制御器に伝送するようになっている集積回路。
10. 請求項９に記載の集積回路において、前記制御器が、直列の互いに隣接する監視回路における最初の監視回路に制御信号を伝送するように動作しうるようになっており、直列の互いに隣接する監視回路のうちの最後の監視回路を除く各監視回路は、直列の互いに隣接する監視回路における次の監視回路に前記制御信号を中継するように動作しうるようになっている集積回路。
11. 請求項１０に記載の集積回路において、各監視回路は、制御信号を受けてこの制御信号が当該監視回路に対するものであるか否かを決定し、この制御信号が当該監視回路に対するものである場合には、比較信号を、互いに隣接する監視回路における次の監視回路又は前記制御器に伝送するように動作しうるようになっている集積回路。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の集積回路において、前記複数の監視回路が、単一のデータビットラインを介して互いに又は前記制御器と、或いはこれら双方と接続されている集積回路。
13. 請求項８〜１１のいずれか一項に記載の集積回路において、前記測定電圧信号が電源電圧信号である集積回路。
14. 請求項１２に記載の集積回路において、前記比較器は、前記測定電圧信号を分圧器を介して受けるように接続されている集積回路。
15. 請求項１２に記載の集積回路において、前記比較器は、前記測定電圧信号をレベルシフタ回路を介して受けるように接続されている集積回路。
16. 請求項８〜１１のいずれか一項に記載の集積回路において、前記測定電圧信号が基板電圧信号であり、前記比較器は、前記測定電圧信号をレベルシフタ回路を介して受けるように接続されている集積回路。

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