可在集成器件内精确测量组件电气特性参数的电路

摘要

本发明涉及一种可在集成器件内精确测量组件电气特性参数的电路，其特征在于，测试电路包括误差累计电路和数字误差测量电路两部分，误差累计电路采用与集成电路内部的器件或各种电气参数构造与相关参数呈一定函数关系的振荡器，使得振荡器的频率与相应电参数呈对应的函数关系；数字误差测量电路对振荡器的脉冲个数进行计数。在本发明的测量原理所述的方法及测量电路下，针对不同器件和电气参数的测量给出了具体的实施例电路结构框图。

说明书

本发明属于集成电路设计领域，涉及一种精确测量器件或电气特性参数匹配精度的方法和电路，特别是一种将数值固定的无法直接测量的微小误差进行累计而测量得到误差数据的方法和电路。

随着半导体工艺和设计技术的进步，特别是集成电路在应用中需要处理的信号的精度越来越高，对芯片内部器件和电气特性参数的匹配精度要求越来越高。如在3G移动通信中，发送通道的精度一般要求在14比特以上而速度需要在200MSPS以上，接收端的精度也一般要求在14比特以上而速度在80MSPS以上。目前，发送通道的DAC一般利用电流舵结构，其性能通过器件在芯片上的物理布局保证；接收通道的ADC一般利用特殊的工艺如HBT实现，电路结构一般采用过采样技术的sigma-delta。

集成电路在制造的过程中会引入随机误差，即每一个器件的实际参数与设计值有少许的偏离。器件之间的距离越小则器件的匹配精度将越高；器件的面积越大则器件匹配精度将越高。但是期间的面积与匹配精度不是单调上升的关系。

目前对器件微小误差的测量是在已成电路外部利用精密仪器进行的。测试以前昂贵而使用复杂。同时，对芯片内部误差的校正也是以仪器测量的数据处理为基础，采用激光校正的方法实现的。

不同的硅圆之间的误差分布是不相关的，同一个硅圆上不同位置芯片上的器件误差也是不相关的。因此，在利用激光校正手段时，需要针对每一个芯片都进行不同程度的校正，从而提高了芯片的成本。

目前采用方法的缺陷为：

(1)需要精密的测试设备。同时测试的步骤及其测试使用的连线复杂，如地线、信号线等需要高精度的测量用连线和连接技术。

(2)使用过程中误差会逐渐增加，集成电路在使用中的老化而且集成电路内部不同位置的器件老化的速度不同，芯片在应用中的精度会逐渐降低。

(3)成本高。主要表现为需要一个高标准的测试环境，严格而复杂的操作流程；测试的时间长等。

(4)需要占用较大的芯片面积。为提高器件的匹配精度需要增加器件的面积，同时，对芯片内部器件或电气性能参数的精密测量需要严格的走线和额外的管脚。

鉴于目前上述方法的缺陷，本发明的目的是在芯片内部集成自动测试系统对微小误差实现自动测量，特别是针对电阻、电容、电压和电流微小误差的测量。

本发明的目的是通过以下方法实现的。

可在集成器件内精确测量组件电气特性参数的电路，测试电路包括误差累计电路和数字误差测量电路两部分，误差累计电路采用与集成电路内部的器件或各种电气参数构造与相关参数呈一定函数关系的振荡器，使得振荡器的频率与相应电参数呈对应的函数关系；数字误差测量电路对振荡器的脉冲个数进行计数。

在一个由参考时钟信号确定的固定时间段内，计数器的数值就代表了相关的器件或电气参数的匹配程度；或者在振荡器脉冲被计数到一个确定的数值时，有参考时钟信号确定的所需要的不同的时间的差值，代表了相关的器件或电气参数的匹配程度。

微小误差仅仅对振荡器的频率有微弱的影响，在一个确定的时间段内对脉冲进行计数等同于将微小的误差进行多次累计。

构造振荡器作为测量电路时，针对不同的器件和电气性能参数，采用同一个测试电路，将最大限度地降低测试系统带来的误差的影响；同时对多个器件测量时，需要将测试连接电路的影响降低到最小限度。

附图说明

图1：测试电路基本框图

图2：电阻匹配误差的测试电路

图3：电容匹配误差的测试电路

图4：电压匹配误差的测试电路

图5：电压差匹配误差的测试电路

图6：电流匹配误差的测试电路框图

以下结合附图和实施例对本发明的方法和电路作进一步详述。

如图1所示为测试电路框图。连接关系为：参考电压Vref连接运算放大器正输入端，运算放大器负输入端连接电阻和晶体管MT1源极，MT1栅极连接运算放大器的输出端而漏极连接电流镜I1，电流镜I1、I2、I3比例为1∶1∶K，电流镜I2连接另外一个电流镜I4，电流镜I4、I5比例为1∶N，电流13和I5与开关SW1、SW2连接，SW1、SW2一端与电容及比较器正输入端连接，另外一端分别接地和电源，开关SW1、SW2受OUT和OUTB控制，比较器的负输入端连接另外一个参考电压Vref2，比较器的输出经过两级反相器后分别输出OUTB和OUT。

OUT为COUNTER1的输入而CLKref为COUNTER2的输入，COUNTER1和COUNTER2受Start&End LOGIC模块控制，它们的输出为CALCULATOR模块的输入，CALCULATOR的输出为OUTPUT。

工作原理为：当电容上电压小于回滞区间比较器的上限值时，OUTB为高而OUT为低，开关SW1将I3电流导入电容充电，开关SW2将电流I5导入电源；当电容上电压大于回滞区间比较器的上限值时，OUT为高而OUTB为低，开关SW2将I5电流导入电容放电，开关SW1将电流I3导入地。

当电容上电压低于回滞区间比较器的下限值时，OUTB重新为高而OUT为低，开始一个新的充电周期，从而得到一个三角波振荡器，OUT和OUTB为周期性的脉冲信号。脉冲信号的周期与RC时间常数成正比关系。

COUNTER1和COUNTER2同时打开为OUT和参考时钟CLKref计数，当COUNTER2计数到M2时同时停止COUNTER1和COUNTER2的计数，此时假定COUNTER1的结果为M1，M1和M2经CALCULATOR处理后，就得到关于RC时间常数的绝对值信息。

电流镜I1的电流为：I1＝Vref/R

充电电流为：I3＝K*I1

放电电流为：I5＝N*I1

三角波上升沿时间：C*dV/I3

三角波下降沿时间：C*dV/I5

三角波的周期为：T＝RC*(dv/Vref)*(1/K+1/N)

参考时钟的周期为Tref，则有：

T*M1＝Tref*M2

在上式中，dV为比较器的回滞区间电压，Vref为基准电压，如带隙基准电压等电压数值确定并且随温度变化小的电压。

图2所示为电阻匹配误差的测试电路框图。电路的连接关系与图1基本相同，不同之处在于电阻与相关开关的连接关系：晶体管MT1的源极与开关阵列SWV[1∶N]连接，开关SWV[1∶N]并联；开关SWH[1∶N]并联，其一端接运算放大器的负输入端，另外一端分别接开关SWV[1∶N]连接，电阻R[1∶N]分别与开关SWV[1∶N]和SWH[1∶N]连接。

工作原理与图1相似。当开关SWVN与SWHN导通时，电阻RN被连接入如图1所示的测试电路，其它的开关断开，因此其他的电阻没有连接如测试网络。根据图1的分析，T＝RC*(dv/Vref)*(1/K+1/N)和T*M1＝Tref*M2，则由电阻的计算公式为：R＝Tref*M2/(M1*C*(dV/Vref)*(1/K+1/N))，因此

RN＝FACTOR/DR[N]

..........

R1＝FACTOR/DR[1]

上式中，DR[1∶N]为测试电阻R[1∶N]时在确定的时间段Tref*M2内，对电阻进行测量时获得的计数器COUNTER1的数值。

通过以上分析，电阻的大小与计数器中的数值成反比。当任意两个存储器中的数值相等时，DR[X]＝DR[Y]，则电阻R[X]与R[Y]是精确匹配的。匹配的精度可以从以上公式中计算出来。

在图2中电阻、开关的连接方式主要是为了较少开关在测量中的影响。由于开关SWV[1∶N]和SWH[1∶N]在导通时都在运算放大器的闭环回路内，所以开关的效应可以忽略不计。

运算放大器的负输入端与道统的电阻之间有一个开关SWH[1∶N]连接。在此支路上没有电流流动，所以在电阻上的电压及输入参考电压Vref等同；开关SWV[1∶N]作为电流的通路，其压降由运算放大器补偿。

图3所示电容匹配误差的测试电路框图。电路的连接关系与图1基本相同，不同之处在于电容与相关开关的连接关系：开关SWC[1∶N]与开关SW1并联，另外一端分别与电容C[1∶N]连接，N个并联开关SWD[1∶N]一端与电容分别连接，另外一端连接SW2；N个并联开关SWH[1∶N]一端与运算放大器的正输入端连接，另外一端分别与电容连接。

工作原理与图1相似。当开关SWCN与SWHN导通而SWDN断开时，点熔CN被连接入如图1所示的测试电路充电过程，其它的开关断开，因此其他的电容没有连接如测试网络。当SWDN与SWHN导通而SWCN断开时，电容放电过程。根据图1的分析，T＝RC*(dv/Vref)*(1/K+1/N)和T*M1＝Tref*M2，则由电容的计算公式为：C＝Tref*M2/(M1*R*(dV/Vref)*(1/K+1/N))，因此

CN＝FACTOR/DC[N]

..........

C1＝FACTOR/DC[1]

上式中，DC[1∶N]为测试电容C[1∶N]时在确定的时间段Tref*M2内，对电容进行测量时获得的计数器COUNTER1的数值。

通过以上分析，电容的大小与计数器中的数值成反比。当任意两个存储器中的数值相等时，DC[X]＝DC[Y]，则电容C[X]与C[Y]是精确匹配的。匹配的精度可以从以上公式中计算出来。

在测量电路中，电容的充电是通过开关SWC[1∶N]进行的，电容的放电是通过开关SWD[1∶N]进行的，而电容上电压的测量是通过开关SWH[1∶N]进行的。当SWC[1∶N]＝1，SWH[1∶N]＝1，SWD[1∶N]＝0时，检测电容电压的上升沿；当SWC[1∶N]＝0，SWH[1∶N]＝1，SWD[1∶N]＝1时，检测电容电压的下降沿。开关SWH[1∶N]与比较器的正输入端连接，为高阻端，没有电流流动，因此不会对测量造成影响；开关SWC[1∶N]和SWD[1∶N]是充电电流和放电电流的通道，也不会对测量造成影响。

图4所示电压匹配误差的测试电路框图。电路的连接关系与图1基本相同，不同之处在于不同的电压输入与相关开关的连接关系：N个并行的电压输入VREF[1∶N]与N个并行的开关SWVOL[1∶N]连接，N个并行开关的另外一端与运算放大器的正输入端连接。

工作原理与图1相似。当相应的开关SWVOL[1∶N]导通时，对应的电压输入VREF[1∶N]连接如运算放大器的正输入端。测量电路及对该电压进行测量，测量的结果存放在存储器DVOL[1∶N]中。

根据图1的分析，T＝RC*(dv/Vref)*(1/K+1/N)和T*M1＝Tref*M2，则由电压的计算公式为：Vref＝(M1*R*C*(dV)*(1/K+1/N))/(Tref*M2)，因此

VREFN＝FACTOR*DVOL[N]

..........

VREF1＝FACTOR*DVOL[1]

上式中，DVOL[1∶N]为测试电压VREF[1∶N]时在确定的时间段Tref*M2内，对电容进行测量时获得的计数器COUNTER1的数值。

通过以上分析，电压的大小与计数器中的数值成正比。当任意两个存储器中的数值相等时，DVOL[X]＝DVOL[Y]，则电压VREF[X]与VREF[Y]是精确匹配的。匹配的精度可以从以上公式中计算出来。

由于运算放大器的正输入端为高阻，没有电流流动，所以，开关的加入不影响测量的精度。

图5所示电压差匹配误差的测试电路框图。电路的连接关系与图1基本相同，不同之处在于不同的电压输入产生与相关开关的连接关系：电压由多个电阻串联于操考电压VREFPOS和VREFNEG之间产生，N各电阻的中间抽头接参考电压VREF，由级联电阻产生的N个并行的电压输入VREF[1∶N]与N个并行的开关SWVOL[1∶N]连接，N个并行开关的另外一端与运算放大器的正输入端连接。

工作原理与图1相似。当相应的开关SWVOL[1∶N]导通时，对应的电压输入VREF[1∶N]连接入运算放大器的正输入端。测量电路及对该电压进行测量，测量的结果存放在存储器DVOL[1∶N]中。

根据图1的分析，T＝RC*(dv/Vref)*(1/K+1/N)和T*M1＝Tref*M2，则由电压的计算公式为：Vref＝(M1*R*C*(dV)*(1/K+1/N))/(Tref*M2)，因此

VREFN＝FACTOR*DVOL[N]

..........

VREF1＝FACTOR*DVOL[1]

上式中，DVOL[1∶N]为测试电压VREF[1∶N]时在确定的时间段Tref*M2内，对电容进行测量时获得的计数器COUNTER1的数值。

将数据在CALCULATOR部分进行简单的减法运算，就能够得到关于电压差匹配程度的数值表示。

VREF[N]-VREF[N-1]＝FACTOR*(DVOL[N]-DVOL[N-1])

                 ＝FACTOR*DVDIFF[N-1]

VREF[2]-VREF[1]＝FACTOR*(DVOL[2]-DVOL[1])

               ＝FACTOR*DVDIFF[1]

通过以上分析，电压差的大小与计数器中的相邻数值的差成正比。当任意两个相邻存储器中的数值差与另外任意两个相邻存储器中的数值差相等时，即DVOL[X]-DVOL[X-1]＝DVOL[Y]-DVOL[Y-1]，则电压VREF[X]与VREF[Y]是精确匹配的。匹配的精度可以从以上公式中计算出来。

由于运算放大器的正输入端为高阻，没有电流流动，所以，开关的加入不影响测量的精度。

如图6所示电流匹配误差的测试电路框图。电路的连接关系与图1基本相同，不同之处在于产生电流的运算放大器和电阻没有了，代之以直接的需要进行测试的电流源。N个电流源IC[1∶N]与N个开关SWC[1∶N]分别连接，N个开关的另外一端与电流镜I1连接。

工作原理与图1相似。当相应的开关SWC[1∶N]导通时，对应的电流源输入IC[1∶N]连接到电流镜I1。测量电路及对该电电流进行测量，测量的结果存放在存储器DCURR[1∶N]中。

根据图1所述，振荡器的信号周期T＝C*(dv/I)*(1/K+1/N)，在确定的时间段内得到另外一个等式T*M1＝Tref*M2，因此

I＝M1*C*(dv)*(1/K+1/N)/(Tref*M2)

将以上等式简化为：

IC[N]＝FACTOR*DCURR[N]

..........

IC[1]＝FACTOR*DCURR[1]

通过以上分析，电流的大小与计数器中的数值DCURR[1∶N]成正比。当任意两个存储器中的数值相等时，即DCURR[X]＝DCURR[Y]，则电流IC[X]与电流IC[Y]是精确匹配的。匹配的精度可以从以上公式中计算出来。

由于开关仅仅将电流进行切换，所有的电流都将从开关进入测试电流镜的输入端，所以，开关的加入不影响测量的精度。

本文论述的测量的精度与参考时钟信号的稳定性有关，同时与使用的计数器及存储器、计算器的位长有关。在参考时钟信号时定为理想状态时，假定计数器的位长为14比特，其中一次测量的数据为10000000000000，而另外一次测量的数据为1111111111111，则两个器件或者两个电气性能参数之间的匹配精度为1/16384。即满足13比特精度的要求。