CN101241375A - 用于调整供应给电路的电压的集成电路、电子系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调整供应给电路的电压的集成电路、电子系统和方法。在半导体衬底上制作的集成电路中包括测量电路部件。这些测量电路连接到向该集成电路提供电压源的电压调整电路。这些测量电路提供信号以控制该电压调整电路，以便基于在该半导体器件上获得的测量值来调节给该集成电路的电压输出。这些测量包括半导体衬底上的各位置处的温度和IR降、以及集成电路的频率响应。

Description

用于调整供应给电路的电压的集成电路、电子系统和方法

技术领域

本发明一般地涉及一种用于调整给半导体衬底上所包含的集成电路的电压的系统和方法。特别地，本发明涉及一种用于响应于集成电路自身的测量的物理状态来调整给该集成电路的电压的系统和方法。

背景技术

在制造工艺期间，集成电路的性能发生改变。通常，在半导体衬底晶片上制造的这些集成电路在制造完成时进行测试和评级以确定它们的性能。在进行评级后，基于这种测量性能来封装和出售这些半导体衬底。这种评级详细说明了针对在所有操作状态下将提供给集成电路的指定单个电压的预测性能。

处于不满足性能标准边缘(marginally)的集成电路通常会被丢弃，即使它具有全部功能且不带任何缺陷。这导致成品率降低。一种用于在边缘处提高集成电路的性能的途径是提高施加给所述集成电路的标称操作电压。因此为了确保由于表现不佳的集成电路样品所造成的成品率降低达到最小，使用比在封装自身上所标记的标称电压规格更高的电压来封装它们。然而，这种性能测试是在单个操作点(也即在固定的温度和给定工艺下)处进行的，进行测量以发现达到最小性能标准的所需电压是多少。可是，在温度和电压不恒定的系统中，为了防止这些变化，实际上，将比达到最小性能标准所需的电压更高的电压印在封装上作为标称电压。

同样，对各个集成样品的校准花费更多的测试时间，这增加了成本。在这种静态测试方法中，因为基于单个操作点而在晶片处设置电源电压，所以丢失了动态地减少功率的机会。

由此，不存在用于在集成电路已经被评级和封装之后，对集成电路的变化的操作系统状态作出响应的任何规定。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于调整供应给电路的电压的方法，其包括步骤：测量电路上的温度；测量电路中的电压降；以及测量电路的频率响应，并基于这些测量来调节供应给该电路的电压。

在本发明的一个实施例中，在半导体衬底上制作的集成电路中包括测量电路部件。这些测量电路连接到向该集成电路提供电源的电压调整电路。这些测量电路提供信号以控制该电压调整电路，该电压调整电路基于在该半导体器件上获得的测量值来调节给该集成电路的电压输出。这些测量包括半导体衬底上的各位置处的温度和IR降，以及集成电路的频率响应。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本发明，并且它的许多目的、特征和优势对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

图1是温度测量电路的简单实施例的示意图；

图2是温度测量电路的第二实施例的示意图；

图3是为频率响应测量提供输入并且提供IR降测量的两个环形振荡器电路的示意图；

图4是自适应电压补偿电路的优选实施例的示意图；以及

图5是表示自适应电压补偿电路的操作的流程图。

具体实施方式

以下内容旨在提供对本发明的例子的详细描述，并且不应用于限制本发明自身。相反，任何数目的变形可以落入通过权利要求书所限定的本发明的范围内。

本发明提供一种系统，其用于测量集成电路上的操作状态并调节提供给集成电路的电压(Vdd)，以便提高集成电路的性能或者节省集成电路消耗的功率。

在优选的实施例中，测量三个物理状态。第一个是温度，其通过集成电路的表面上的热二极管来测量。第二个是通过两个环形振荡器电路来测量的IR(电压)降，以及第三个是通过与已存储的预定性能值进行比较由单个环形振荡器测量的集成电路的频率响应。

提供给电压调整电路的完整的控制信号是：

总Vdd缩放＝频率响应缩放+温度相关的Vdd缩放+IR降相关的缩放。

在优选的实施例中，所有的测量电路都被包含在该集成电路器件的表面上。接着，这些测量被用于缩放(scale)给电压调整电路的输入控制信号，该电压调整电路也包含在该集成电路器件的表面上或者作为替代位于另一集成电路的表面上。该电压调整器件的输出提供集成电路的操作电压(Vdd)。因此，可以调节供应给集成电路的电压，以便在芯片操作期间在程序控制下动态地节省功率或者提高性能。另外，当预料会发生操作环境改变的情况下，诸如休眠状态或执行需要高电路性能的指令时，可以改变集成电路电压并且因此改变性能。

这是一种变化电压的动态方法，其同时考虑半导体制造工艺的细节、温度和IR降影响。这种方法使用可获得的片上数据来计算必须的电压调节量以满足目标性能或者降低功率消耗。这两个目标是通过使用相同的电路来满足的。使用这种方法的另一优点是它向用户提供在可编程性方面的灵活性。片上电压可以通过写入特殊的寄存器来人工进行变化，该特殊的寄存器提供由电源管理电路用来提供电源电压Vdd的值。当期待需要高电路性能的指令基本上提供“要求的”性能能力时，这种特征可能是有帮助的。换言之，按需提供附加的电路电源电压以提高电路性能。

这种方法不限于特定技术或特定类型的电路。它可以应用到多种类型的集成电路，特别是需要以较低功率消耗来递送较高性能的那些集成电路。

这种方法还提供缩减用于识别每个模块的成品率和电压的测试时间。它是一种不同于以前的静态解决方案(保险丝等)的考虑了IR降影响的动态解决方案。

图1是示出为连接到给集成电路提供电压源(芯片Vdd)的电压调整电路的热测量电路125的一个实施例的示意图。该测量电路包括连接到电压源的电流源100。该电流源100还通过线103连接到热二极管102，热二极管102还与地相连。热二极管102上的电压指示该集成电路的测量温度。通过线103将这种热电压信号提供给模拟比较器106。比较器106的输出连接到地址计数器110，地址计数器110给数模(D到A)转换器114提供地址。热二极管的操作范围通常是零到125℃。地址计数器110包括具有128个项的查找表。这些项对应于0到127摄氏度。最初，地址计数器110在零度处开始，并且每个时钟周期向上递增。每个地址通过线112提供给该DA转换器114。在操作中，模拟比较器106将该DA转换器114的输出与热二极管102所提供的测量的热电压进行比较。当地址计数器110提供表示与热二极管102相同的温度的输出时，来自该DA转换器114的输出电压将与热二极管102所提供的电压相同。于是，模拟比较器106的输出将是零。接着，地址计数器110停止递增，并通过线116提供信号给延迟查找表(LUT)电路118。线116上的这种值是表示热二极管102所测量的温度的数字信号。这种热电压值用于在延迟查表电路118中寻址对应的延迟值。电路118中的延迟查找表是通过对集成电路的性能进行仿真所计算出的脉冲宽度值的表。每个值表示针对预期的集成电路性能，针对0到127摄氏度的温度范围所计算出的预期延迟值。

为了测量衬底上的工艺，使用连接到带温度补偿的电压源(例如：带隙基准)的环形振荡器。在这种情况下，针对给定的温度，环形振荡器所生成的脉冲宽度是衬底上的工艺的函数，这是因为温度和电压是恒定的。通过使用带隙基准，施加到环形振荡器的电压可以保持恒定。但是衬底的温度取决于内部的和外部的操作状态，并且它不可能保持恒定。为了消除变化的温度的影响，在本发明中使用了另一方案。

首先，选择目标预测电路性能数(pcpn)。该数字表示基于预期的半导体制造工艺的预期电路性能。该数字表示在整个操作温度范围上在额定施加的电压下所预期的电路性能。对于该pcpn，针对整个操作温度范围，执行对由来自带隙基准的恒定电压来供电的环形振荡器的仿真。这种仿真得到在固定的电压和pcpn值处所生成的脉冲宽度，其中只有温度在整个操作温度范围内发生变化。如果衬底pcpn与期望的目标性能相同，则该衬底针对操作温度范围中的每个值也得到相同的脉冲宽度。

如果衬底pcpn不同于所期望的目标性能，则衬底所产生的脉冲宽度将短于或者长于仿真所产生的脉冲宽度，其取决于衬底pcpn是快于还是慢于预期的目标性能。因此，必须在衬底上的环形振荡器所生成的脉冲宽度与在固定电压下在衬底温度的值处的脉冲宽度的仿真值之间进行比较。针对期望操作温度范围内的每个温度值的在期望目标工艺处的期望脉冲宽度值被存储在查找表(LUT)中(例如，图1中的118)，该查找表是通过当前的衬底温度(也即基于衬底温度)来寻址的，地址指针指向LUT中这样的项，该项包含在固定的带隙电压下在期望工艺拐角(corner)处的来自环形振荡器电路的预期脉冲宽度。对于本发明，操作温度范围是从0℃到127℃，并且该范围被划分成128个1℃的步长。这需要在LUT中具有128个项，其中每个项对应于1℃温度的上升。

从延迟查找表电路118中得到的这种脉冲宽度值以数字形式提供了电压缩放信号，其被DA转换器122转换成模拟电压信号。该缩放电压信号通过线124提供给电压调整器130。电路125的操作结果将基于热二极管102所测得的集成电路的测量温度，来提高或降低电压调整器电路130的所得到的电压(芯片Vdd)。

图2是图1中所示的热测量电路的第二实施例。图2中的温度测量电路225包括两个电流源200和202，它们通过由线206连接的开关204选择性地连接到热二极管208。该二极管实际上是由以CMOS技术制作的横向PNP器件构成的。该器件的集电极和基极被短路，剩下基极与发射极之间的二极管。

数字温度传感器基于这种的原理：二极管接法的晶体管的基极-发射极电压(V_BE)与它的温度呈反比。当在操作温度之上操作时，V_BE展现出大约-2mV/℃的负温度系数。实际上，V_BE的绝对值从一个晶体管到另一个晶体管会发生变化。为了消除这种变化，电路将必须校准每个单独的晶体管。这个问题的常用解决方法是，当两个不同的电流值被施加到晶体管的发射极时，比较晶体管的V_BE的改变。

使用由2个电流源且同一时间由一个电流源进行馈电的二极管来进行温度测量。通常，这些电流源的比率是10∶1。温度测量需要测量当施加这两个电流源时在该二极管上产生的电压的差值。

线206连接到“抽样保持”电路209，以对热二极管208的电压输出进行抽样和保持。地址计数器电路222与前面所讨论的图1中的地址计数器电路110同样地操作。地址计数器222每个时钟周期递增一个地址，其通过线220将表示零到127℃的温度范围的数字信号提供给DA转换器218，该DA转换器218将这种表示温度的数字信号转换成电压。该电压信号通过线215提供给第二抽样保持电路213。抽样保持电路209和213这二者将抽样和保持它们各自的电压用于比较器212，从而来自热二极管208的温度的连续的小变化将不会对该温度测量电路225的操作造成有害的影响。当到达测量温度时，比较器212将通过线216提供零输出给地址计数器222，地址计数器222通过线224将表示测得的温度的数字信号提供给延迟查找表电路226。延迟查找表电路226通过线228将数字延迟值提供给DA转换器230的操作与先前针对在图1中的测量电路125所讨论的操作相同。

图3是IR降(或电压降)测量电路325的示意图，测量电路325将电压缩放信号提供给电压调整电路326。带隙电压源300连接到环形振荡器电路304。环形振荡器电路304包括连接成回路或环的奇数数目的倒相器302。带隙源获取自物理集成电路自身，并且是额定的1.23V。连接到芯片电压源的第二环形振荡器电路306在线314上提供输出。带隙环形振荡器在线312上提供输出。相位检测器308连接到线312和314，以确定这两个环形振荡器电路304和306所提供的脉冲之间的差异或延迟。相位检测器308分别在线316和318上提供电压幅度输出和电压极性输出，它们组合起来表示环形振荡器电路304和306之间的延迟差值。线316和318是比较器310的输入，比较器310在线322上提供电压缩放信号给电压调整器326。应当理解，线322上的这种电压缩放信号只基于集成电路的IR降。基于线322的电压缩放信号，电压调整器326提供恰当的芯片Vdd值。在优选的实施例中，这两个环形振荡器电路304和306应当彼此紧邻靠近布置，从而集成电路表面上的任何不规则性的影响将被减到最小。

可以通过使用图3中的线305上的带隙电压连接的环形振荡器304的输出、以及包含着基于来自图2的电路226的芯片温度的已知延迟值的查找表，来测量集成电路的频率响应(或者集成电路的性能)。这在图4中结合电路325的IR降测量以及电路225的温度测量来说明。在IR降测量电路325中，带隙连接的环形振荡器304提供连接到积分电路414的第二信号，积分电路414从电路325中的带隙电压连接的环形振荡器304取得脉冲信号并将它转换成电压，接着该电压被提供给差分电路416。将差分电路416的另一输入线415与来自DA转换器230的表示基于测得温度的预期延迟的延迟电压信号输出进行比较。该差分电路416的输出表示指示集成电路频率响应或集成电路的性能的电压。更为具体地，提供给复用器418的这个信号表示与针对该温度的预期的集成电路性能相比的实际的集成电路性能。如果线415上的预期延迟信号小于来自积分电路414的延迟信号，则芯片的性能在预期值之下并且应当提高电压Vdd。相反，如果线415上的预期延迟大于来自积分电路414的延迟信号，则芯片的性能在预期值之上并且应当降低电压Vdd以节省功率。

图4还示出本发明的优选的实施例，其结合上述温度测量电路325的输出、IR降测量电路325的输出以及频率响应测量。在该实施例中，温度测量电路包括查找表地址寄存器400，其通过线402连接到地址计数器210以提供初始地址或者提供人工改变的温度，该人工改变的温度将导致产生人工改变的电压缩放信号。同样，提供查表数据寄存器406，其可以将直接输入提供进延迟查找表226中。这可用于将项提供进延迟查找表，或者将旁路数据输出直接提供给复用器410，复用器410是DA转换器230的输入。通过这种方式，程序员可以直接控制用于计算线428上的电压缩放信号的延迟值。DA转换器230的输出通过线415直接提供给差分电路416并且提供给复用器418。通过这种方式，复用器418可以旁路差分电路416并且只将依赖温度的表延迟值提供给驱动器420。驱动器420通过线438连接到寄存器408，其可用于控制线424上的到求和电路426的信号输出量。同样，在电路325中，寄存器432在线434上提供可以用于改变从电路325到求和电路426的缩放信号输出的量的信号。求和电路426的输出是线428上的电压缩放信号并且被提供给电压调整器436，电压调整器436接着提供集成电路电压(芯片Vdd)440。

图5是表示本发明的操作的处理流程图。应当理解，图5不是表示软件执行的流程图，而是表示在本发明的不同功能单元的操作中前述的产生电压缩放信号的同时处理。对图5中的该流程图的讨论还将分别参考图2、图3和图4。在开始阶段500中，路径524说明本发明的不同方面的同时操作。在步骤502中，热二极管208通过线506将指示测得的电路温度的输出电压提供给处理框504。处理框504表示地址计数器222、DA转换器218和电压比较器212(图2中的)在如前述那样确定代表电路温度的数字信号时的操作。参考图5，在步骤506中在路径530上将这种数字温度提供给延迟查找表，其通过路径534将代表延迟的数字信号提供给DA转换步骤508，DA转换步骤508结果产生通过路径536提供给比较器514的延迟信号电压。

返回到路径524，如图4中所讨论的那样，在路径528中通过线538将在方框510中测得的频率响应值提供给积分框512和比较框520二者。图4中的积分电路414通过路径542将频率响应测量信号提供给比较框514，该频率响应测量信号接着与路径536上的延迟信号进行比较。在路径544上提供该比较的结果。返回路径524，在步骤520中，将来自连接到芯片电压源的环形振荡器306的IR降测量与连接到带隙电压源的环形振荡器304的进行比较。路径540上的输出表示电压缩放信号的IR降部分，并且其在步骤516中与频率响应进行合并，以产生总的电压缩放信号546，该信号546在步骤522中提供给调整器436。应当理解，电压缩放信号来自于对温度、IR降和电路频率响应的测量的组合。

尽管所讨论的实施例仅在集成电路上示出单个电压控制电路，但是显然可以使用多个电压控制电路以将不同电压提供给集成电路的不同部分。

尽管已示出并讨论了本发明的特定实施例，但是基于此处的教导，对本领域的普通技术人员而言以下是显然的，在不偏离本发明和其广泛方面的条件下可以做出改变和修改。由此，所附权利要求书旨在在其范围内包括属于本发明的实质精神和范围内的所有这种改变和修改。此外，应当理解，本发明仅由所附权利要求书限定。本领域的普通技术人员应当理解，如果意指指定数目的所提出的权利要求要素，则这种意图将在该权利要求中明确地陈述，并且在缺少这种陈述的情况下不存在任何这种限制。用于非限制的例子，如帮助理解，所附各权利要求包含对介绍性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用以介绍权利要求要素。然而，即使当相同的权利要求包括介绍性的短语“一个或多个”或“至少一个”以及诸如“一”或“一个”之类的非限定性冠词时，这种短语的使用也不应当被解释成暗示通过非限定性冠词“一”或“一个”进行的对权利要求要素的介绍，将包含如此介绍的权利要求要素的任何特定权利要求限制成只包含一个这种要素的发明；以上情况对于限定性冠词的使用也同样正确。

Claims (19)

1.一种用于调整供应给电路的电压的方法，包括步骤：

同时测量所述电路内的温度、IR降以及频率响应，以及

响应于所测量的温度、IR降以及频率响应，调节供应给所述电路的电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节电压的步骤包括：结合所述测量的温度、IR降和频率响应以形成电压缩放值的步骤。

3.一种集成电路，包括：

在所述集成电路内的温度测量电路，

在所述集成电路内的电压降测量电路，

在所述集成电路内的频率测量电路，以及

电压源，其连接到所述集成电路、温度电路、电压降电路和频率测量电路并且向所述集成电路提供电源。

4.一种用于调整供应给电路的电压的方法，包括步骤：

测量所述电路内的温度，

使用测量的温度来访问事先存储的指示预测脉冲宽度的脉冲宽度数据，以及

响应于所述预测的脉冲宽度数据，调节供应给所述电路的电压。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述调节电压步骤包括测量所述电路的频率响应以及将所述测量的频率响应与所述访问的事先存储的频率响应数据进行比较。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述测量电路的频率响应的步骤包括从所述电路上所包含的环形振荡器接收信号以及确定所述环形振荡器信号的脉冲宽度。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述调节电压步骤包括响应于所述测量的频率响应高于所述访问的事先存储的脉冲宽度数据而提高所述电压，或者响应于所述测量的频率响应低于所述访问的事先存储的脉冲宽度数据而降低所述电压。

8.根据权利要求4所述的方法，其中所述调节电压步骤包括从可编程寄存器接收数据以及响应于来自所述可编程寄存器的数据而选择性地调整所述电压。

9.一种用于测量电路的温度的方法，包括步骤：

从所述电路上的热二极管接收第一电压，

通过在每个电路时钟周期递增地址来寻址数字温度表示的表，

将所寻址到的数据转换成表示所寻址的温度的第二电压，

比较所述第一电压和所述第二电压，以及

当所述第一电压和第二电压相等时提供信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述寻址数字温度表示的表的步骤包括选择性地从可编程寄存器接收输入。

11.根据权利要求9所述的方法，其中所述比较所述第一电压和所述第二电压的步骤包括使用来自所述可编程寄存器的输入替代所述第二电压的步骤。

12.一种用于调整从电压源供应给电路的电压的方法，包括步骤：

从第一环形振荡器接收第一频率信号，

从第二环形振荡器接收第二频率信号，

结合所述第一频率信号和第二频率信号以形成电压缩放信号，以及

将所述电压缩放信号提供给所述电路电压源。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述结合步骤还包括以下步骤：

确定所述第一频率信号和第二频率信号之间的相位差，

确定所述已结合的第一和第二频率信号的极性，以及

结合所述相位差和所述极性以形成所述电压缩放信号。

14.一种电子系统，包括：

热二极管，

寻址电路，其连接到系统时钟，

数字温度表，其连接到所述寻址电路，

比较器，其连接到所述数字温度表和所述热二极管，

频率响应表，其连接到所述数字温度表的输出，

电压缩放信号电路，其连接到所述频率响应表，以及

电压源，其响应于从所述电压缩放信号电路接收的电压缩放信号而提供电源给所述电子系统。

15.根据权利要求14所述的电子系统，还包括第一环形振荡器，提供连接到所述电压缩放信号电路的第一频率信号。

16.一种电子系统，包括：

第一环形振荡器，

第二环形振荡器，

电压缩放信号电路，其连接到所述第一和第二环形振荡器，以及

电压源，其响应于从所述电压缩放信号电路接收的电压缩放信号而提供电源给所述电子系统。

17.根据权利要求16所述的电子系统，其中所述电压缩放信号电路包括连接到所述第一环形振荡器和所述第二环形振荡器的相位检测器。

18.一种电子系统，包括：

热二极管，

寻址电路，其连接到系统时钟，

数字温度表，其连接到所述寻址电路，

比较器，其连接到所述数字温度表和所述热二极管，

频率响应表，其连接到所述数字温度表的输出，

第一环形振荡器，

第二环形振荡器，

第一电压缩放信号电路，其连接到所述频率响应表和所述第一环形振荡器，

第二电压缩放信号电路，其连接到所述第一和第二环形振荡器，以及

电压源，其响应于接收自所述第一电压缩放信号电路的第一电压缩放信号、以及接收自所述第二电压缩放信号电路的第二电压缩放信号，来提供电源给所述电子系统。

19.根据权利要求18所述的电子系统，还包括连接到所述第一电压缩放信号电路的第一缩放寄存器和连接到所述第二电压缩放信号电路的第二缩放寄存器。

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