CN102780487B

CN102780487B - 用于压控振荡器的内置自检测电路

Info

Publication number: CN102780487B
Application number: CN201110349020.6A
Authority: CN
Inventors: 谢协宏; 蔡铭宪; 叶子祯; 周淳朴; 薛福隆
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2011-05-09
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: CN102780487A; US20120286836A1; US8729968B2

Abstract

一种用于检测压控振荡器的内置自检测电路，包括：压控振荡器；缓冲器，具有连接至压控振荡器的输出的输入；以及射频峰值检测器，连接至缓冲器的输出。将射频峰值检测器配置为接收来自压控振荡器的交流信号，并且生成与在射频峰值检测器的输出处的交流信号成比例的直流值。此外，当压控振荡器正确运行时，射频峰值检测器的输出生成与来自压控振荡器的交流信号的幅度成比例的直流值。另一方面，当压控振荡器不能生成交流信号时，射频峰值检测器的输出端处于0伏。

Description

用于压控振荡器的内置自检测电路

技术领域

本发明涉及用于压控振荡器的内置自检测电路。

背景技术

在射频电路中，例如，接收器或收发器，将压控振荡器(VCO)用于频率合成器，从而对射频信号进行降频变换或升频变换。频率合成器可以包括：振荡器，被设计为由接收到的电压来控制频率，该电压由频率合成器控制系统所生成，该控制系统由分频器、频率和相位检测器、充电泵、以及低通滤波器形成。在频率合成器控制系统中，将分频器的输出与在频率和相位检测器处的参考信号进行比较。将频率和相位检测器的输出连接至低通滤波器，并且进一步连接至振荡器。结果，响应于来自低通滤波器的电压，振荡器生成期望的信号。

在制造半导体芯片的工艺中，可以在晶圆上建立多个VCO电路。为了检测晶圆的故障压控振荡器，在制造半导体器件的不同阶段期间，采用各种检测电路检测压控振荡器。存在两种主要类型：在晶圆级所实施的半导体检测和在封装级所实施的半导体检测。晶圆级测试的有利特征是：晶圆级产品测试有助于降低封装成本和改善成品率。

可以使用探针测试卡或者内置自检测电路来实施晶圆级检测。探针测试卡可以包括：各种探针。可以将各种探针中的每个连接至要检测的晶圆上的测试焊盘。探针测试卡生成测试信号，并且从连接至晶圆上的测试焊盘的探针读取检测结果。如果晶圆上的一个电路模块不工作或者其结果超出电路模块规定的限制，则探针测试卡可以通过来自连接至故障电路模块的探针的结果找到该故障。通过采用探针测试卡，可以找到故障电路模块，从而使得在将该晶圆传送到半导体制造工艺的接下来的阶段以前，筛选出这些故障电路模块。结果，节省了封装故障芯片的成本。

可以将内置自检测电路设置在绘制划片槽的区域中。虽然传统内置自检测电路可能仅检测开路、短路、以及有源器件的直流特征，但因为VCO的直流特征是确定VCO的射频性能是否在VCO规定的限制内的关键因素，所以传统内置自检测电路可能没有充分评估VCO。结果，尽管通过了开路、短路、以及直流特征的晶圆级测试，但是一些VCO电路可能仍不能通过最后的封装芯片测试。

发明内容

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种电路，包括：射频峰值检测器，被配置为从压控振荡器接收交流信号，并且在射频峰值检测器的输出端处生成与交流信号成比例的直流值；以及缓冲器，位于射频峰值检测器和压控振荡器之间。

其中，射频峰值检测器包括：n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，在弱反转区中运行；以及第一滤波器，连接在NMOS晶体管的漏极端和射频峰值检测器的输出端之间。

其中，第一滤波器被配置为：第一滤波器的截止频率小于压控振荡器生成的最小频率。

其中，NMOS晶体管的栅极连接至固定电压电势。

其中，该电路进一步包括：第二滤波器，与第一滤波器串联连接；以及极间耦合电容器，位于射频峰值检测器的输入端与NMOS晶体管的漏极端之间。

其中，缓冲器包括：串联连接的p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管和NMOS晶体管；以及极间耦合电容器，位于缓冲器的输入端和栅极结点之间，栅极结点连接至PMOS晶体管的栅极和NMOS晶体管的栅极；

其中，压控振荡器为交叉连接的振荡器。

其中，压控振荡器与射频峰值检测器形成在相同的晶圆上。

根据本发明的另一方面，提供了一种系统，包括：压控振荡器；缓冲器，具有输入端，输入端连接至压控振荡器的输出端；以及射频峰值检测器，被配置为接收来自压控振荡器的交流信号，并且在射频峰值检测器的输出端处生成与交流信号成比例的直流值。

其中，压控振荡器为交叉连接振荡器，包括：L-C储能电路，由第一电感器、第二电感器、以及电容器形成；交叉连接的晶体管对，其中，晶体管对中的第一晶体管的栅极连接至晶体管对的第二晶体管的漏极，并且第二晶体管的栅极连接至第一晶体管的漏极；以及偏置电流源，连接在交叉连接的晶体管对和地之间。

其中，缓冲器被配置为将压控振荡器与射频峰值检测器隔离。

其中，射频峰值检测器包括：n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管，在弱反转区中运行；第一滤波器，连接至NMOS晶体管的漏极端；以及第二滤波器，连接在第一滤波器和射频峰值检测器的输出端之间。

其中，第一滤波器和第二滤波器的截止频率小于压控振荡器生成的最小频率。

其中，射频峰值检测器包括：极间耦合电容器，位于缓冲器的输出端和射频峰值检测器的输入端之间。

其中，压控振荡器、缓冲器、以及射频峰值检测器形成在相同晶圆上。

根据本发明的再一方面，提供了一种方法，包括：经由缓冲器从压控振荡器接收交流信号；检测交流信号的峰值；以及在射频峰值检测器的输出端处将峰值变换为直流值。

该方法进一步包括：将n型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的栅极连接至固定电压；在NMOS晶体管的漏极处生成直流分量和交流分量；通过采用在NMOS晶体管的漏极和射频峰值检测器的输出端之间连接的多个滤波器去除交流分量；以及生成与来自压控振荡器的交流信号的幅度成比例的直流值。

该方法进一步包括：将缓冲器设置在压控振荡器和射频峰值检测器之间。

其中，将射频峰值检测器配置为使得：

当压控振荡器正确运行时，射频峰值检测器的输出端生成与来自压控振荡器的交流信号的幅度成比例的直流值；以及

当压控振荡器不能生成交流信号时，射频峰值检测器的输出端处于0伏。

该方法进一步包括：在相同晶圆上形成压控振荡器、缓冲器、以及射频峰值检测器。

附图说明

为了更好地理解实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中：

图1示出了根据实施例的用于检测压控振荡器的内置自检测电路的框图；

图2示出了在图1中所示的内置自检测电路的具体原理图；

图3A-图3C示出了用于测试生成5.2GHz信号的VCO的内置自检测电路；以及

图4A-图4C示出了图3A中所示的内置自检测电路的具体仿真结果。

除非另有说明，否则在不同附图中的相应数字和标号通常指的是相应部件。为了清晰示出各个实施例的相关方面绘制附图，但没有必要按比例绘制。

具体实施方式

下面，详细讨论本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。

在具体上下文中关于优选实施例描述本发明，基于单个晶体管的峰值检测器将来自交叉连接的压控振荡器的交流信号的幅度变换为直流值。然而，还可以将本发明应用于根据各种峰值检测器的拓扑结构将交流信号幅度变换为直流值。

首先，参照图1，根据实施例示出了用于测试压控振荡器(VCO)的内置自检测电路的框图。在晶圆中，可能具有多个VCO电路，例如，在图1中所示的VCO 102。为了测试VCO 102的交流特性，优选地，在相同的晶圆中建立射频(RF)峰值检测器106，并且经由缓冲器104将该峰值检测器连接至VCO 102的输出端。将RF峰值检测器106配置为：当VCO 102生成交流信号时，RF峰值检测器106检测交流信号的幅度，并且生成与交流信号的幅度成比例的直流输出。下文中，将参照图2描述RF峰值检测器106的具体操作。另一方面，当VCO 102不能生成交流信号时，RF峰值检测器106的输出端处于0伏。具有片上自检测RF峰值检测器的有利特征是可以在封装以前识别故障VCO，从而在半导体制造工艺的随后步骤中，减少不必要的时间和成本。

图2示出了图1中所示的内置自检测电路的具体原理图。根据实施例，将交叉连接的VCO用于示出各种实施例的发明方面。交叉连接的VCO 102包括：第一电感器L_P1、第二电感器L_P2、电容器C_P、一对n沟道型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管M1和M2、以及偏置电流源I_bias。将第一电感器L_P1和第二电感器L_P2在一端处连接至电压电势VDD，并且在另一端处连接至电容器C_P。L-C储能电路(tank)由第一电感器L_P1、第二电感器L_P2、以及电容器C_P形成，将该储能电路进一步连接至一对NMOS晶体管M1和M2。应该注意，电感器L_P1、L_P2、以及电容器C_P可以分别由诸如方形螺旋电感器的来自晶圆的方形区域的感应效应(effective)和NMOS晶体管的电容效应的搭配。

将NMOS晶体管M1和NMOS晶体管M2交叉连接至相对的端部。更具体地来说，将NMOS晶体管M1的栅极连接至NMOS晶体管M2的漏极，并且将NMOS晶体管M2的栅极连接至NMOS晶体管M1的漏极。如图2所示，将NMOS晶体管M1和M2的漏极进一步连接至L-C储能电路，该储能电路由电感器L_P2、L_P1、以及电容器C_P形成。将NMOS晶体管M1和M2的源极连接在一起，并且经由偏置电流源I_bias接地。如在本领域中已知的，交叉连接的VCO 102通过微调(fine-tuning)电容器C_P的值能够具有更宽的调谐范围。交叉连接的VCO的工作原理在本领域中是众所周知的，并且因此，本文中没有进行讨论。

缓冲器104包括：串联连接的p沟道型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管M_P和NMOS晶体管M_N。更具体地来说，将PMOS晶体管M_P的源极连接至电压电势VDD，并且将PMOS晶体管M_P的漏极连接至NMOS晶体管M_N的漏极。PMOS晶体管M_P的栅极和NMOS晶体管M_N的栅极连接在一起，并且经由第一极间耦合(blocking)电容器C_B1进一步连接至交叉连接的VCO102的输出端。缓冲器进一步包括：两个偏压电阻器R_B1和R_B2。将第一偏压电阻器R_B1从偏压电势V_B1连接至M_P和M_N的栅极。将第二偏压电阻器R_B2连接在两个晶体管M_P和M_N的栅极和漏极之间。将缓冲器104用于隔离交叉连接的VCO 102和RF峰值检测器106，从而防止RF峰值检测器106与交叉连接的VCO 102的运行发生影响。图2中所示的缓冲器的工作原理是本领域中众所周知的，并且因此，本文没有进行讨论。然而，应该注意，可以通过能够将VCO 102与RF峰值检测器106隔离的任何电路来替换图2中所示的缓冲器。例如，可以通过在VCO 102和RF峰值检测器106之间添加差分对来实施在VCO 102和RF峰值检测器106之间的隔离。

RF峰值检测器106包括：在弱反转(inversion)区运行的NMOS晶体管M3、第二极间耦合电容器C_B2、第一滤波器和第二滤波器。应该注意，虽然图2示出了采用在弱反转区运行的NMOS晶体管的RF峰值检测器，但是图2中所示的RF峰值检测器仅为实例，该峰值检测器并不会不适当地限制权利要求的范围。本领域的普通技术人员应该识别出多种变化、替换、以及修改。例如，可以通过能够将交流信号的幅度变换为直流值的任何电路来替换RF峰值检测器106。此外，应该注意，虽然图2示出了两个串联连接的滤波器，但是单个滤波器可以完成去除不必要的高频信号、并且在RF峰值检测器106的输出端生成直流值的功能。

虽然可能存在多种实现RF峰值检测器的方法，但是当在晶圆上实现RF峰值检测器时，存在对于简单和性能的需求。结果，优选简单的峰值检测器的拓扑结构。RF峰值检测器106由单个NMOS晶体管形成，并且因此，为用于实现VCO的内置自检测电路的优选实施例。NMOS晶体管M3具有连接至固定电压V_G的栅极，该固定电压足够小，使得NMOS晶体管M3偏置(bias)从而在弱反转区中运行。如本领域中已知的，可以通过以下指数函数来表示在弱反转区中运行的NMOS晶体管的漏极电流：

I_{D} = \frac{W}{L} I_{D 0} \cdot e^{{qV}_{GS} / nkT} \cdot (1 - e^{- {qV}_{DS} / kT})

其中，W，L，I_D0，q，nkT为NMOS晶体管的常数。因为NMOS晶体管的栅源(栅极到源极，gate-to-source)电压固定，所以可以将以上等式进一步简化为以下等式：

I_{D} = K_{1} \cdot (1 - e^{K_{2} \cdot V_{DS}})

其中，K1和K2为常数。根据秦勒级数近似法，可以通过利用泰勒级数的前三项代替指数函数来简化漏极电流。结果，可以将漏极电流表示为：

I_{D} = K_{1} \cdot (K_{2} \cdot V_{DS} + \frac{1}{2} \cdot K_{2}^{2} \cdot V_{DS}^{2})

其中，从VCO 102的输出端生成V_DS。使用余弦函数替换V_DS。将以上等式表示为：

I_{D} = K_{1} \cdot K_{2} \cdot \cos (ωX) + \frac{1}{4} \cdot K_{1} \cdot K_{2}^{2} \cdot (1 + \cos (2 ωX))

从以上等式中，漏极电流包括：与从VCO 102所生成的输入信号的幅度成比例的直流分量和交流分量。结果，NMOS晶体管106在弱反转区中运行，该晶体管可以将交流输入信号变换为与VCO 102所生成的信号成比例的直流分量和交流分量。应该注意，虽然图2示出了在弱反转区运行的NMOS晶体管，但是还可以通过在弱反转区运行的PMOS晶体管实施RF峰值检测器。如本领域中已知的，为了避免重复，本文没有讨论在弱反转区中运行的PMOS晶体管的操作。

图2进一步示出了由R1和C1所形成的第一滤波器和由R2和C2所形成的第二滤波器。这两个滤波器的截止频率远低于从VCO 102生成的交流信号的频率。结果，去除在NMOS晶体管M3的输出处的高频交流分量，并且直流分量可以通过这两个滤波器，并到达RF峰值检测器106的输出端。具有在弱反转区中运行的NMOS晶体管的有利特征是：可以将与VCO的输出幅度成比例的直流分量传送至RF峰值检测器106的输出，并且通过图2中所示的低通滤波器来去除不必要的交流分量。

图3A示出了用于测试生成5.2GHz信号的VCO的内置自检测电路。当VCO 102正确运行并生成5.2GHz信号时，如图3B所示，在RF峰值检测器106的V_A处的频谱包括：直流分量和在5.2GHz处的交流分量。此外，第一滤波器和第二滤波器去除高频交流分量。如图3C所示，在V_B处的频谱仅包括与VCO 102生成的5.2GHz信号的幅度成比例的直流分量。

图4A-4C示出了图3A中所示的内置自检测电路的具体仿真结果。根据实施例，当VCO 102处于生成5.2GHz交流信号的正常工作模式时，仿真结果示出了，在V_A处直流分量具有0.37V的电压电势，并且在5.2GHz处的交流分量具有0.60V的幅度。反之，当VCO 102不能生成在5.2GHz处的交流信号时，图4B示出了直流分量和在5.2GHz处的交流分量均为0伏。图4C进一步给出了VCO 102生成的交流信号的幅度与RF峰值检测器106的输出端的直流分量值之间的关系曲线。例如，当VCO 102生成具有0.6V的幅度的交流信号时，在RF峰值检查器106的输出端处的相应直流值为0.4V。图4C中的曲线示出了RF峰值检测器的另一有利特征为：可以基于在RF峰值检测器106的输出端处的直流值反算(back calculate)由VCO 102生成的交流信号的幅度。

尽管已经详细地描述了本发明及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。

而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过本发明的公开，现有的或今后开发的用于执行与根据本发明所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。因此，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。

Claims

1.一种用于检测压控振荡器的内置自检测电路，包括：

射频峰值检测器，被配置为从所述压控振荡器接收交流信号，并且在所述射频峰值检测器的输出端处生成与所述交流信号成比例的直流值，所述射频峰值检测器还被配置为当从所述压控振荡器不能接收到交流信号时，所述射频峰值检测器的输出端的电压值为0伏；以及

缓冲器，位于所述射频峰值检测器和所述压控振荡器之间；

其中，射频峰值检测器包括：

极间耦合电容器(C_B2)，连接在所述射频峰值检测器的输入端和输出端之间；

NMOS晶体管(M₃)，漏极连接在所述极间耦合电容器和所述射频峰值检测器的输出端处之间。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述射频峰值检测器包括：

所述NMOS晶体管在弱反转区中运行；以及

第一滤波器，连接在所述NMOS晶体管的漏极端和所述射频峰值检测器的所述输出端之间。

3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述第一滤波器被配置为：所述第一滤波器的截止频率小于所述压控振荡器生成的最小频率。

4.根据权利要求2所述的电路，其中，所述NMOS晶体管的栅极连接至固定电压电势。

5.根据权利要求2所述的电路，其中，进一步包括：

第二滤波器，与所述第一滤波器串联连接。

6.根据权利要求1所述的电路，其中，所述缓冲器包括：

串联连接的p型金属氧化物半导体(PMOS)晶体管和NMOS晶体管；以及

电容器，位于所述缓冲器的输入端和栅极结点之间，所述栅极结点连接至所述PMOS晶体管的栅极和所述NMOS晶体管的栅极。

7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述压控振荡器为交叉连接的振荡器。

8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述压控振荡器与所述射频峰值检测器形成在相同的晶圆上。

9.一种自检测系统，包括：

压控振荡器；

缓冲器，具有输入端，所述输入端连接至所述压控振荡器的输出端；以及

射频峰值检测器，被配置为接收来自所述压控振荡器的交流信号，并且在所述射频峰值检测器的输出端处生成与所述交流信号成比例的直流值，所述射频峰值检测器还被配置为当从所述压控振荡器不能接收到交流信号时，所述射频峰值检测器的输出端的电压值为0伏；

其中，射频峰值检测器包括：

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述压控振荡器为交叉连接振荡器，包括：

L-C储能电路，由第一电感器、第二电感器、以及电容器形成；

交叉连接的晶体管对，其中，所述晶体管对中的第一晶体管的栅极连接至所述晶体管对的第二晶体管的漏极，并且所述第二晶体管的栅极连接至所述第一晶体管的漏极；以及

偏置电流源，连接在所述交叉连接的晶体管对和地之间。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述缓冲器被配置为将所述压控振荡器与所述射频峰值检测器隔离。

12.根据权利要求9所述的系统，其中，所述射频峰值检测器包括：

所述NMOS晶体管在弱反转区中运行；

第一滤波器，连接至所述NMOS晶体管的漏极端；以及

第二滤波器，连接在所述第一滤波器和所述射频峰值检测器的所述输出端之间。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一滤波器和所述第二滤波器的截止频率小于所述压控振荡器生成的最小频率。

14.根据权利要求9所述的系统，其中，所述压控振荡器、所述缓冲器、以及所述射频峰值检测器形成在相同晶圆上。

15.一种用于检测压控振荡器的自检测方法，包括：

当所述压控振荡器正确运行时，经由缓冲器从所述压控振荡器接收交流信号；

检测所述交流信号的峰值；以及

在射频峰值检测器的输出端处将所述峰值变换为直流值；

或者，当经由所述缓冲器从所述压控振荡器不能接收到交流信号时，所述射频峰值检测器的输出端处的电压值为0伏；

其中，射频峰值检测器包括：

16.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

将所述NMOS晶体管的栅极连接至固定电压；

在所述NMOS晶体管的漏极处生成直流分量和交流分量；

通过采用在所述NMOS晶体管的所述漏极和所述射频峰值检测器的所述输出端之间连接的多个滤波器去除所述交流分量；以及

生成与来自所述压控振荡器的所述交流信号的幅度成比例的直流值。

17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

将所述缓冲器设置在所述压控振荡器和所述射频峰值检测器之间。

18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：

在相同晶圆上形成所述压控振荡器、所述缓冲器、以及所述射频峰值检测器。