CN104135236B - 半导体加工工艺传感器及表征半导体加工工艺的方法 - Google Patents

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Abstract

半导体加工工艺传感器以及表征用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的方法。所述半导体加工工艺传感器包括：恒定参考电压源，配置为产生恒定参考电压信号；加工工艺传感器元件，其耦接到所述恒定参考电压源，并被配置为接收所述恒定参考电压信号，感测表示用来形成所述半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺参数，并基于该感测的加工工艺参数产生表征用来将半导体加工工艺传感器形成为额定、高于额定或低于额定中的一种的半导体加工工艺的加工工艺测量信号。

Description

半导体加工工艺传感器及表征半导体加工工艺的方法
本申请是申请日为2009年9月22日、申请号为200980161604.1(国际申请号为PCT/US2009/057823)、发明名称为“半导体加工工艺、电压、以及温度传感器”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请基于要求于2009年7月28日提交的题目为“加工工艺、电压、以及温度传感器”的美国临时申请No.61/229,056的35U.S.C.119(e)的优先权，该申请通过引用方式整体结合在本申请中。
技术领域
本发明总体涉及一种半导体器件，尤其是涉及一种能够监控半导体器件的运行参数的传感器。
背景技术
半导体器件的性能会随着该器件的使用的条件(conditions)而改变。例如，半导体器件诸如上升时间、下降时间、增益、带宽、线性度(linearity)、频率响应等的性能特征通常会随着所述器件使用时的电源电压电平以及该器件的温度而改变。不过，即使相同类型的两个器件采用相同的制造设备制造并在一致的条件下运行，一个器件可能表现依然不同于另外一个器件。在性能上的这种不同通常会产生，因为不管采用相同的制造设备和加工工艺步骤来形成所述器件的事实如何，在用来形成每个单个器件的加工工艺中依然会出现微小(minute)的差别。在用来形成每个单个器件的加工工艺中的这种差别在形成于不同半导体晶片上器件之间或者在形成于不同晶片上和不同时间(即在不同批次中)形成的器件之间通常更明显，但是这些差别甚至会发生在形成于同一晶片上的器件之间(例如，如果第一器件位于该晶片的边缘，而另一个器件则位于更中心的位置)。由于在用来形成单个器件的加工工艺中的这些轻微的差别，一个器件的性能可能会不同于另一个器件的性能。
在许多应用中，在用来形成器件的加工工艺中的这些轻微的变化以及在性能上任何导致的差别可能极小引起关注或者能够为其中使用了该器件的电子电路或设备的设计所容忍。不过，在许多应用中，相同类型的器件之间的性能上的这种差别可能会对其中使用了该器件的电子电路或设备的运行产生影响。
发明内容
申请人已经认识到某些半导体器件对温度、电源电压电平以及用来形成该器件的加工工艺非常敏感。这种敏感在希望相同的设计和制造的半导体器件表现始终如一的时候会是一个问题。因此，申请人已经开发出一种传感器，该传感器能够感测器件运行时的电压电平和温度，并且能够感测表示用来生产该器件的加工工艺的参数，以便对该器件的性能进行表征。无论器件之间的性能的差别、器件所运行的温度和电源电压的差别或所有以上差别如何，该信息随后都可以被用来补偿该器件以便确保相同设计和制造的不同器件之间更为一致的性能。
根据本发明的一个方面，提供了一种集成电路。该集成电路包括：该加工工艺传感器被配置为感测表示用来形成所述集成电路的半导体加工工艺的加工工艺参数，并基于该加工工艺参数将半导体加工工艺的表征(characterization)提供到所述加工工艺传感器的输出端。该温度传感器被配置为提供集成电路的温度的指示到所述温度传感器的输出端。该电压传感器被配置为提供集成电路的电源电压电平的指示到所述电压传感器的输出端。所述加工工艺传感器的输出端电连接到温度传感器和电压传感器中的至少一个，以便响应于所述半导体加工工艺的表征，补偿所述温度的指示和电源电压电平的指示中的至少之一。
根据本发明的一个实施例，所述加工工艺传感器的输出端电连接到温度传感器和电压传感器两者，以便响应于所述半导体加工工艺的表征，补偿所述温度的指示和电源电压电平的指示两者。
根据本发明的另一个实施例，每次在所述加工工艺传感器被上电时，所述加工工艺传感器提供所述半导体加工工艺的表征。在进一步实施例中，述温度传感器被配置成向温度传感器的输出端动态地提供集成电路的温度的指示，并且其中所述电压传感器被配置成向电压传感器的输出端动态地提供集成电路的电源电压电平的指示。
根据本发明的另一个实施例，所所述集成电路包括相关联的半导体器件，所述相关联的半导体器件采用相同的半导体加工工艺制造步骤共同地形成有加工工艺传感器、温度传感器、以及电压传感器。根据本发明的一个实施例，所述相关联的半导体器件是可编程的。在进一步实施例中，响应于由所述加工工艺传感器提供的所述半导体加工工艺的表征、所述温度传感器提供的温度的指示、以及所述电压传感器提供的所述电源电压电平的指示，所述相关联的半导体器件被补偿。
根据本发明的另一个实施例，该集成电路还包括算法状态机,所述算法状态机电连接到所述加工工艺传感器的输出端、温度传感器的输出端、所述电压传感器的输出端、以及所述相关联的半导体器件的可编程输入端。所述算法状态机被配置成响应于由所述加工工艺传感器提供的所述半导体加工工艺的表征、所述温度传感器提供的温度的指示、以及所述电压传感器提供的所述电源电压电平的指示，补偿所述相关联的半导体器件。在进一步实施例中，所述相关联的半导体器件包括可编程增益放大器，其中所述算法状态机包括输入端，该输入端用于接收表示所述可编程增益放大器的增益和频率响应中的至少一个的运行设置值。所述算法状态机被配置为根据所述运行设置值，响应于由所述加工工艺传感器提供的所述半导体加工工艺的表征、所述温度传感器提供的温度的指示、以及所述电压传感器提供的所述电源电压电平的指示，补偿所述可编程增益放大器。
根据本发明的另一个实施例，所述集成电路还包括至少一个接口，其电连接到所述加工工艺传感器的输出端、温度传感器的输出端、所述电压传感器的输出端、以及所述相关联的半导体器件的可编程输入端。所述接口被配置为将由所述加工工艺传感器提供的所述半导体加工工艺的表征、所述温度传感器提供的温度的指示、以及所述电压传感器提供的所述电源电压电平的指示提供到外部器件，并且从所述外部器件接收被补偿的运行设置值，以便提供到所述相关联的半导体器件的可编程输入端。
根据本发明的另一个实施例，所述相关联的半导体器件具有用于提供输出信号的输出端。所述集成电路还包括：至少一个接口，电连接到所述加工工艺传感器的输出端、温度传感器的输出端、以及所述电压传感器的输出端。所述至少一个接口被配置为将由所述加工工艺传感器提供的所述半导体加工工艺的表征、所述温度传感器提供的温度的指示、以及所述电压传感器提供的所述电源电压电平的指示提供到外部器件，以便使得所述外部器件基于所述半导体加工工艺的表征、所述温度的指示、以及所述电源电压电平的指示，补偿所述相关联的半导体器件的输出信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种监控根据一种半导体加工工艺形成半导体器件的方法。所述方法包括如下操作：感测表示用来形成所述半导体器件的半导体加工工艺的加工工艺参数；基于所感测的加工工艺参数表征所述半导体加工工艺。所述方法还包括：感测所述半导体器件的温度；感测正被提供到半导体器件的电源电压电平；以及响应于所述表征操作，补偿所述半导体器件的所感测的温度和正被提供到所述半导体器件的所感测的电源电压电平中的至少之一。
根据一个实施例，所述补偿操作包括响应于所述表征操作补偿所述半导体器件的所感测的温度和正被提供到所述半导体器件的所感测的电源电压电平两者。根据本发明的另一个实施例，响应于所述表征操作，动态地执行所述感测加工工艺参数、感测温度、感测正被提供到所述半导体器件的所述电源电压电平、以及补偿所述半导体器件的所感测的温度和正被提供到所述半导体器件的所感测的电源电压电平两者的操作。
根据本发明的另一个实施例，所述表征半导体加工工艺的操作包括将所述半导体加工工艺表征为快、额定以及慢中之一的操作。
根据本发明的另一个实施例，所述半导体器件是可编程半导体器件，该方法还包括如下操作：响应于所补偿的感测的温度、所补偿的感测的电源电压电平、以及表征的半导体加工工艺，调节所述半导体器件的至少一个可编程参数。在进一步实施例中，所述调节的操作包括如下操作：接收用于可编程半导体器件的运行设置值；采用所补偿的感测的温度、所补偿的感测的电源电压电平、以及表征的半导体加工工艺，来指数化所述运行设置值，以便确定所补偿的运行设置值；以及向可编程的半导体器件提供所补偿的运行设置值，以便调整所述至少一个可编程参数。在进一步实施例中，所述接收、指数化、以及提供操作都在与可编程半导体器件相同的集成电路上执行。在可替换实施例中，所述接收和指数化的操作通过位于不同于所述可编程半导体器件的集成电路上的处理器来执行。
根据本发明的另一个方面，提供了一种半导体加工工艺传感器，用于表征用来形成所述半导体加工工艺传感器的操作半导体加工工艺，该半导体加工工艺传感器包括：恒定参考电压源、加工工艺感测电阻器、恒流源以及模-数转换器。该恒定参考电压源具有用于提供恒定参考电压信号的输出端。该加工工艺感测电阻器具有电连接到恒定参考电压源的输出端的第一端子和用于提供感测的电压信号的第二端子，所述加工工艺感测电阻器的电阻取决于用于形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺中的至少一个变量。该恒流源电连接到加工工艺感测电阻器的第二端子。该模-数转换器，连接到所述加工工艺感测电阻器的第二端子，用于提供至少一个用于表征用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的输出信号。
根据本发明的另一个实施例，所述加工工艺传感器还包括分压器，具有电连接到恒定参考电压源的输出端的输入端以及输出端，所述分压器包括多个串联在所述分压器的输入端和所述分压器的输出端之间的电阻器。所述模-数转换器还连接到所述分压器，所述分压器提供至少一个电压到所述模-数转换器作为参考电压信号在该实施例的另一个方面，所述分压器的每个电阻器都具有基本相同的高度、宽度和长度，并且所述加工工艺感测电阻器的高度和宽度。所述加工工艺感测电阻器的高度几乎与所述分压器的每个电阻器的高度相同，而所述加工工艺感测电阻器的宽度基本上小于分压器的每个电阻器的宽度。
根据本发明的另一个实施例，所述加工工艺传感器还包括分压器，具有电连接到恒定参考电压源的输出端的输入端以及输出端。所述分压器提供多个不同的参考电压信号。所述模-数转换器包括至少一个比较器，所述至少一个比较器具有电连接到所述分压器以便接收所述多个不同的参考电压信号中的第一参考电压信号的第一输入端、电连接到所述分压器以便接收所述多个不同的参考电压信号中的第二参考电压信号的第二输入端、以及电连接到所述加工工艺感测电阻器的第二端子以便接收所感测的电压信号的第三输入端。所述至少一个比较器配置为比较所感测的电压信号与第一和第二电压参考信号，并提供至少一个比较器输出信号，所述至少一个比较器输出信号是用来表征所述用来形成所述半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的所述至少一个输出信号。
根据本发明的另一个实施例，所述分压器包括多个串联在所述分压器的输入端和输出端之间的电阻器。所述多个串联电阻器包括第一电阻器、第二电阻器、第三电阻器以及第四电阻器。第一电阻器具有第一端子和第二端子，所述第一电阻器的第一端子电连接到所述分压器的输入端和所述加工工艺感测电阻器的第一端子，并且所述第一电阻器的第二端子电连接到所述至少一个比较器的第一输入端。第二电阻器具有第一端子和第二端子，所述第二电阻器的第一端子电连接到所述第一电阻器的第二端子。第三电阻器具有第一端子和第二端子，所述第三电阻器的第一端子电连接到所述第二电阻器的第二端子，并且所述第三电阻器的第二端子电连接到所述至少一个比较器的第二输入端。第四电阻器具有第一端子和第二端子，所述第四电阻器的第一端子电连接到所述第三电阻器的第二端子，并且所述第四电阻器的第二端子电连接到所述分压器的输出端。在进一步实施例中，所述第二电阻器的第二端子电连接到所述恒定参考电压源的输入端。
根据本发明的另一个实施例，所述至少一个比较器包括第一比较器和第二比较器。第一比较器具有用于接收第一参考电压信号的第一输入端和用于接收所感测电压信号的第二输入端。所述第一比较器配置为比较所感测的电压信号和第一参考电压信号，并响应于所感测的电压信号大于第一参考电压信号而提供第一比较器输出信号，以及响应于所感测的电压信号小于第一参考电压信号而提供第二比较器输出信号。第二比较器具有用于接收第二参考电压信号的第一输入端和用于接收所感测电压信号的第二输入端。所述第二比较器配置为比较所感测的电压信号和第二参考电压信号，并响应于所感测的电压信号大于第二参考电压信号而提供第三比较器输出信号，以及响应于所感测的电压信号小于第二参考电压信号而提供第四比较器输出信号。
根据本发明的另一个实施例，所述加工工艺传感器还包括编码器。该编码器具有用于接收第一比较器输出信号的第一输入端、用于接收第二比较器输出信号的第二输入端、用于接收第三比较器输出信号的第三输入端、以及用于接收第四比较器输出信号的第四输入端。所述编码器配置为响应于所感测的电压信号大于第一参考电压信号而赋值(assert)第一输出信号，以及响应于所感测的电压信号小于第一参考电压信号以及大于第二参考电压信号而赋值第二输出信号，以及响应于所感测的电压信号小于第二参考电压信号而赋值第三输出信号。根据本发明的另一个方面，所述半导体加工工艺响应于所述编码器赋值第一输出信号而被表征为快，所述半导体加工工艺响应于所述编码器赋值第二输出信号而被表征为额定，以及所述半导体加工工艺响应于所述编码器赋值第三输出信号而被表征为慢。
根据本发明的另一个方面，提供了一种表征用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的方法。该方法包括如下操作：提供基本恒定参考电压到分压器和加工工艺感测电阻器；基于所述基本恒定参考电压，在分压器中产生多个不同的参考电压；基于所述基本恒定参考电压确定在加工工艺感测电阻器上下降(dropped)的感测的电压，加工工艺感测电阻器的电阻取决于用于形成所述半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺中的至少一个变量(variation)。该方法还包括：较所述多个不同的参考电压与所感测的电压；以及基于所述比较操作，表征用来形成所述半导体加工工艺传感器的所述半导体加工工艺。
根据本发明的一个实施例，所述产生操作包括产生第一参考电压和第二参考电压的操作，并且其中所述比较操作包括比较所感测的电压与第一参考电压和第二参考电压的操作。在进一步实施例中，所述表征操作包括如下操作：响应于所感测的电压大于第一参考电压，将半导体加工工艺表征为快；响应于所感测的电压小于第一参考电压且大于第二参考电压，将半导体加工工艺表征为额定；以及响应于所感测的电压小于第二参考电压，将半导体加工工艺表征为慢。在进一步的实施例中，该方法还包括：响应于半导体加工工艺被表征为快而赋值第一输出信号，响应于半导体加工工艺被表征为额定而赋值第二输出信号，以及响应于半导体加工工艺被表征为慢而赋值第三输出信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种半导体加工工艺传感器，该半导体加工工艺传感器包括：恒定参考电压源，配置为产生恒定参考电压信号；加工工艺传感器元件，其耦接到所述恒定参考电压源，并被配置为接收所述恒定参考电压信号，感测表示用来形成所述半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺参数，并基于该感测的加工工艺参数产生表征用来将半导体加工工艺传感器形成为额定、高于额定或低于额定中的一种的半导体加工工艺的加工工艺测量信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种表征用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的方法，该方法包括如下操作：提供基本恒定参考电压到加工工艺感测元件；利用所述加工工艺感测元件感测指示用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺参数；和基于所述感测操作，产生将用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺表征为额定、高于额定或低于额定之一加工工艺测量信号。
根据本发明的另一个方面，提供了一种半导体加工工艺传感器，该半导体加工工艺传感器包括：恒定参考电压源，配置为产生恒定参考电压信号；加工工艺感测元件，其耦接到所述恒定参考电压源；以及用于感测跨加工工艺感测元件的电压降并用于基于所述电压降将用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺表征为额定、高于额定和低于额定之一的部件。
附图说明
附图并不试图按照比例绘制。在这些附图中，在各个图中所示出的每个相同或几乎相同的元件都采用类似的标号来代表。为了清楚起见，并不是每个元件在每张附图中都做了标记。在这些附图中：
图1是根据本发明实施例的加工工艺、电压和温度(PVT)传感器的方块图；
图2是图1中的PVT中用于的加工工艺传感器的示例性加工工艺传感器的方块图；
图3是图2中的加工工艺传感器的更详细的示意图；
图4是图1中的用于PVT传感器中的温度传感器方块图；
图4A是图4中的温度传感器的一部分的更详细的示意图；
图5是图1中PVT传感器中使用的电压传感器的方块图；
图5A是图5中电压传感器的一部分的更详细的示意图；
图6是图1中加工工艺、电压以及温度传感器的操作的示例性方法的流程图；
图7是根据本发明的具有芯片上(on-chip)查询表/状态机的示例性可编程增及放大器的方块图；
图8是图7中所述可编程增益放大器的放大器或衰减器(attenuator)的简化示意图；
图9图释了根据本发明的实施例的查询表的一部分；
图10是图6中可编程增益放大器的操作的示例性方法的流程图；
图11是根据本发明另一个实施例的具有芯片外(off-chip)固件查询表和总线接口的示例性可编程增益放大器的方块图；
图12是根据本发明另一个实施例的具有芯片外(off-chip)固件查询表F可编程增益放大器方块图；以及
图13是图11和12中所述可编程增益放大器的操作的方法的流程图。
具体实施方式
本发明并不限于其应用到在下面描述中提出的或在附图中所图示的构造的细节和元件的安排。本发明能够为其他实施方式并且能够以各种方式被实现或实施。而且，在此所使用的措词和术语是为了描述，不应该被认为是为了限制。在此“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涵盖”以及其变化形式，其含义是为了覆盖之后所列举的事项(item)以及其等同物以及另外的事项。
在多个半导体器件应用中，对半导体器件有益的是提供一致(consistent)的输出信号。例如，在有线电视(CATV)系统中，期望一种提供和维持一致输出信号(在诸如DC增益、增益带宽、增益平温度、平率补偿、线性度等等方面)的上游可编程增益放大器(PGA)，来确保下游元件适当地或有效率地运行。在这种应用中，还期望能够在相同设计和制造的不同器件上提供一致的输出信号。尽管可以测试各个器件来确定性能表征(characteristics)，并且之后各个器件被分类以便为终端用户提供具有相似性能表征的不同器件，但是这种测试和分类通常会增加器件的成本。而且这种测试不能解决器件所使用的环境中的差别，这种在器件所运行的电源电压电平和/或温度方面的差别依然会导致一个器件与另一个器件表现不同。
本发明的实施例涉及一种加工工艺、电压以及温度(PVT)传感器，其配置为感测表示用来生成PVT传感器的加工工艺的加工工艺参数、PVT传感器运行的电源电压电平、以及PVT传感器运行的温度。所述PVT传感器优选实现在与相关联的器件相同的集成电路上，并通过与相关联的器件相同的加工(processing)步骤形成，使得PVT传感器感测(sense)的参数精确地反映(reflect)相关联器件的那些参数。不过，PVT传感器和相关联器件可实现在分开的集成电路上。如果PVT传感器和相关联器件实现在分开的集成电路上，PVT传感器也可以用来感测精确反映相关联器件的那些参数的参数。例如，如果PVT传感器布置得与相关联器件紧密接近，或者与相关联器件安装在共同的基底(substrate)上，并且采用相同的电源为每一个提供电源电压，PVT传感器所感测的电压和温度参数将精确的反映相关联器件的那些参数。
根据其中PVT传感器和相关联器件形成在相同集成电路上并且采用相同步骤形成的实施例，表示用来生产相关联器件的加工工艺的所感测的加工工艺参数被用于定性地(qualitatively)表征相关联器件的性能(performance)，并且提供相关联器件的性能相关的输出信号、相关联器件的感测的运行电源电压电平，以及相关联器件的被感测的运行温度。这些输出信号可以用来配置相关联器件以便补偿相关联器件，从而不管相同设计和制造的不同芯片之间的性能差别如何，不管器件运行的条件方面的差别如何，都能够提供更一致的输出。在一个实施例中，相关联器件的至少一部分是可编程的，并且该部分响应于输出信号被编程以便补偿相关联器件，从而提供一致的输出。在另一实施例中，在相关联器件下游的器件响应于输出信号被配置成补偿相关联器件中的性能差别。
参见图1，其中示出了根据本发明实施例的电路100的方块图，电路100被配置为(例如物理地、电或两者)连接到相关联的半导体器件(未示出)，包括PVT传感器102。PVT传感器102连接到电压参考电路104。如下面将详细讨论的，电压参考电路104包括连接到通常的低漏失(Low-Dropout)(LDO)调整器108的带隙(bandgap)电压参考源106。PVT传感器102包括温度传感器112、电压传感器114、加工工艺传感器116以及变压电路103。加工工艺传感器116具有多个输入端，包括连接到偏压电路103的输出端111的输入端126a以及连接到电压参考电路104的输出端110的输入端126b。温度传感器112具有多个输入端，包括连接到偏压电路103的输出端111的输入端118a、连接到电压参考电路104的输出端110的输入端118b、以及连接到加工工艺传感器116的输出端128的输入端118c。电压传感器114具有多个输入端，包括连接到偏压电路103的输出端111的输入端122a、连接到电压参考电路104的输出端110的输入端122b、以及连接到加工工艺传感器116的输出端128的输入端122c。如图1所示，偏压电路103包括在PVT传感器102中；不过，在另一个实施例中，偏压电路103不包括在PVT传感器102中。
电压参考电路104将多个稳定的参考电压提供到温度传感器112、电压传感器114以及加工工艺传感器116。传统的带隙参考源106作为用于传统LDO调压器108的参考，使得来自电压参考电路104的输出在温度和电源电压方面是稳定的，例如3.3伏。偏压电路103响应于电压参考电路104提供多个稳定的偏压电流和电压到温度传感器112、电压传感器114以及加工工艺传感器116。可以理解的是，电压参考电路和偏压电路103可以与PVT传感器102集成在一起或分开。为简化起见，偏压电路103和传感器112-116之间的一些连接细节在后面的附图中没有示出。
如下面结合图2和3所详细解释的那样，加工工艺传感器116配置为感测表示用来制造PVT传感器(以及相关联的、共同形成的半导体器件)的加工工艺的加工工艺参数，并将该加工工艺的表征(characterization)提供到输出端128。在一个实施例中，加工工艺的表征是三比特数字，其三个值之一表示该加工工艺的“速度”，即晶体管和其他共同形成的器件在相对于用于给定制造加工工艺的额定设计性能方面(例如晶体管增益、多晶硅传导性、注入剂量等等)的相对性能。例如，如果加工工艺速度与额定量比较确定为慢(以下称之为“慢”加工工艺)，则第一比特设置为高而另外两个比特设置为低。如果加工工艺速度与额定量比较确定为额定(以下称之为“额定”加工工艺)，则第二比特设置为高而另外两个比特设置为低。如果加工工艺速度与额定量比较确定为快(以下称之为“快”加工工艺)，则第三比特设置为高而另外两个比特设置为低。需要认识的是，在其它实施例中，加工工艺表征可以包括任意数量的比特或值，可以不同地被编码，并且可以表示除速度之外的加工工艺参数，例如电容(capacitance)。
如下面结合附图4和4A更详细解释的那样，温度传感器112被配置成感测PVT传感器(以及相关联的共同形成的半导体器件)的晶片(die)温度并提供PVT传感器和所述相关联的半导体器件的晶片温度的指示到输出端120。在一个实施例中，温度的指示包括5比特，代表-40℃到85℃的温度范围。这5比特(范围从00000到11111)代表32种不同的温度范围的分部(subdivision)，PVT传感器(以及相关联的共同形成的半导体器件)的晶片温度的指示可以在这些分部上运行。需要认识的是，晶片温度的指示可以包括任意数量的比特，可以代表任何温度范围，并且可以再细划分成任意数量的较小(或较大)的梯级(step)。例如，在另一个实施例中，温度的指示可以包括6个比特，代表-20℃到65℃的温度范围。这6比特(范围从000000到111111)代表64种不同的温度范围的分部(subdivision)。需要认识是，这些子划分可是相同的，但是不是必须相同。
如下面结合附图5和5A更详细解释的那样，电压传感器114被配置为感测PVT传感器(以及相关联的共同形成的半导体器件)的电源(未示出)的电压，并提供所述电源电压电平的指示到输出端124。在一个实施例中，所述电源电压电平的指示包括4个比特，代表4.5伏特到5.5伏特的电压范围。这4比特(范围从0000到1111)代表的电压范围的16种不同分部，所述PVT传感器(以及相关联的共同形成的半导体器件)的电源电压电平的指示在这些分部上运行。应该认识的是，所述电源电压电平的指示可以是任意数量的比特，可以代表任何电压范围，并且可以再细划分成任意数量的较小(或较大)相同或不同的梯级(step)。例如在另一个实施例中，所述电源电压电平的指示可以包括3个比特，代表4.7伏特到5.2伏特的电压范围。这3比特(范围从000到111)代表8种不同的电压范围的分部。
现在参照附图2进行描述根据本发明的实施例的加工工艺传感器116的更多的细节。加工工艺传感器200包括与电压参考电路104(图1)对应的恒定参考电压源20、连接到恒定参考电压源202的加工工艺传感器元件204、连接到加工工艺传感器元件204的编码器206、以及连接到编码器206的可选数字缓冲器208，数字缓冲器208的输出端形成加工工艺传感器200的输出端210。
恒定参考电压源202提供恒定参考电压信号到加工工艺传感器元件204。在一个实施例中，恒定参考电压源202由图1的电压参考电路104提供，但是需要认识的是，恒压源202可以是分离的(separate)的稳定的电压参考源。加工工艺传感器元件204感测表示用来生产传感器元件(以及相关联的共同形成的半导体器件)的加工工艺的一个或多个参数，表征该加工工艺，并输出表示该表征(characterization)的数字信号。在下面描述的实施例中，加工工艺传感器元件204将速度表征为慢、额定或快三个级别之一。
将认识到，PVT传感器以及相关联的共同形成的半导体器件的速度会随着用来制造这些器件的加工工艺而改变。例如，在90纳米(nm)CMOS制造加工工艺中，制造加工工艺中的可变性(variability)通常导致采用那种加工工艺制造的某些器件表现得比设计额定值(design-nominal value)好(例如较快)，而某些器件表现得比设计额定值差(例如较慢)。这些性能方面的差别通常源于的一种或多种加工工艺参数方面的变化，诸如结构形态(feature)晶体管尺寸、掺杂剂剂量变化、以及甚至底层晶片定向(orientation)以及其中掺杂剂方面的变化。而且，这种加工工艺参数方面的变化会对该器件的某些元件(例如PMOS晶体管)产生的影响要多于或少于对该器件的其他元件(例如NMOS晶体管)的影响。因此，应该认识到的是，加工工艺传感器元件204可以设计成依据潜在的加工工艺变量来将速度划分为少于或多个三个级别。例如，在一种类型晶体管(例如PMOS晶体管)运行不同于另一种类型晶体管(例如NMOS晶体管)，该性能可以是晶体管类型特性并被表征为快/快、快/额定、快/慢、慢/快等等。如下面针对图3详细描述的那样，加工工艺传感器元件204提供基于多晶硅电阻器电阻变量的加工工艺测量输出(快、额定、慢)，尽管其他加工工艺感测方法和输出表征也是可能的。
编码器206将来自加工工艺传感器元件204的信号编码成数字信号，在该实例中，三个比特中仅有一个在给定时间被赋值(assert)。数字缓冲器208将该数字信号提供到输出端210。例如，在一个实施例中，如果加工工艺速度确定为慢，则第一比特被设置为高，而另外两个比特被设置为低。如果加工工艺速度确定为额定，则第二比特被设置为高，而另外两个比特被设置为低。如果加工工艺速度确定为快，则第三比特被设置为高，而另外两个比特被设置为低。需要认识的是，在其它实施例中，加工工艺表征依据潜在的加工工艺变量，可以包括任意数量的比特，并且可以采用不同的编码。
图3所示的是根据本发明一个实施例的图2的加工工艺传感器200更详细的示例性实施例。加工工艺传感器300包括恒定参考电压源202、分压器311、加工工艺感测电阻器Rs304、加工工艺感测晶体管307、多个比较器306\编码器312、以及多个缓冲的输出端314、316、318。连接到恒定参考电压源202(其可以是图1中的电压参考电路104)的输出端的输入端302从其接收稳定的电压并驱动分压器311。加工工艺感测电阻器Rs304和加工工艺感测晶体管307连接到分压器311。多个比较器306连接到分压器311、加工工艺感测电阻器Rs304和加工工艺感测晶体管307。编码器312连接到比较器306以及多个输出端314、316、318。
在所示的实例中，加工工艺感测电阻器Rs304经由分压器311从输入端302接收恒定电压。加工工艺感测晶体管307的栅极(gate)从偏压源103(图3中未示出，但在图1中示出了)接收恒定偏压，并作为恒流源。如下面将详细解释的那样，加工工艺感测电阻器Rs304的电阻对用于制造加工工艺传感器300的制造加工工艺的变化比分压器311的电阻器更敏感。因此，通过加工工艺感测电阻器Rs304产生的电压Vs305取决于用于生产加工工艺传感器元件的加工工艺。比较器306监测来自分压器311的电压Vl308和V2310以及电压Vs305，并提供对用于生产该加工工艺传感器元件的加工工艺进行表征的数字信号。响应于是否发现电压Vs305大于Vl308、在Vl308和V2310之间、或小于V2310，用于生产加工工艺传感器元件的加工工艺被表征。在一个实施例中，加工工艺的表征表示用于形成加工工艺传感器元件的加工工艺的速度以及被用于形成所述相关联的半导体器件的加工工艺的速度。当Vs305小于电压V2310时该速度被表征为慢，当电压Vs305在Vl308和V2310之间时该速度被表征为额定，而当电压Vs305大于Vl308时该速度被表征为快。编码器312接收来自比较器306的数字信号，并产生表示用于形成传感器元件(以及相关联的共同形成的半导体器件)的加工工艺的速度的3个比特信号，如上所述，包括慢比特314、额定比特316以及快比特318。应该认识到的是，在其它实施例中，加工工艺表征可以包括任意数量的比特，并且可以不同地进行编码。还应该认识的是，速度的表征可以诸如采用环形振荡器(oscillator)或时钟不同地进行。
众所周知，集成电路电阻器的电阻涉及制造该电阻器的材料的电阻率和该电阻器的物理尺寸。而且，电阻器的电阻与电阻器的长度与电阻器的横截面积的比率成正比。尽管不直接测量器件的速度，加工工艺感测电阻器Rs304的电阻的差别是整个器件性能的较强的指示。为了使得电阻器304对加工工艺变换比分压器中的电阻器对加工工艺的变化更敏感，加工工艺感测电阻器Rs304的横截面积明显小于分压器311中的电阻器的横截面积。在该实例中，加工工艺感测电阻器Rs304和分压器311的电阻器为传统的多晶硅电阻器，并且所有电阻器的高度基本上相同。分压器311和加工工艺感测电阻器Rs304中电所有电阻器的电阻基本上相同(例如加工工艺感测电阻器Rs304几乎为25千欧姆，而分压器311中的电阻器几乎为27千欧姆)，分压器311中的电阻器的宽度大约为加工工艺感测电阻器Rs304中电阻器宽度的两倍，并且分压器311中的每个电阻器的长度几乎等于加工工艺感测电阻器Rs304的长度的两倍。应该认识到的是，电阻器的横截面积可以不是2：1(例如3：1)，电阻器的高度可以彼此不同，并且分压器电阻器的电阻和加工工艺感测电阻器Rs304的电阻可以彼此不同。还应该认识的是，除了电阻变换之外的技术也可以用来检测加工工艺的变化(例如环形振荡器频率)。
应该认识到，加工工艺传感器300基本上不会受到电源电压电平改变和温度改变的影响。这是恒定参考电压源202提供的稳定参考电压的结果，并且也因为比较器306提供的加工工艺表征的本性(nature)。比较器监测电压Vs305与电压Vl308和V2310之间的关系(例如Vs305是否大于Vl308、是否在Vl308和V2310之间、或者是否小于V2310)。因此，来自温度改变的任何影响将基本上等同地对所有电压Vl、V2、以及V3产生影响，Vs305与Vl308和V2310之间的关系将基本上保持相同。因此加工工艺传感器300将保持不受所述电源电压电平和温度方面的变化的影响。
根据本发明的实施例，现在将参考图4描述图1中温度传感器112的更多细节。温度传感器400包括加工工艺感应差错校正电路402、温度传感器元件404、缓冲器406、恒定参考电压源408、模-数(A/D)转换器410、温度计-二进制代码转换器412、可选(optional)数字缓冲器414，该数字缓冲器414的输出端形成温度传感器400的输出端416。温度传感器元件404连接到加工工艺感应差错校正电路402。缓冲器406连接到温度传感器元件404。模-数转换器410连接到缓冲器406和恒定参考电压源408。温度计-二进制代码转换器412连接到模-数转换器410。数字缓冲器414连接到温度计-二进制代码转换器412。
加工工艺感应差错校正电路402接收来自加工工艺传感器300(图3)的3比特加工工艺表征数据并运行以响应于该加工工艺表征数据至少部分补偿温度传感器元件404，从而降低加工工艺变化对温度传感器的影响。如下面更详细解释的那样，温度传感器元件404检测温度传感器的晶片温度，并因此检测所述相关联的半导体器件的晶片温度，并且提供表示该晶片的温度的电压信号到缓冲器406。缓冲器406被配置成缓存来自模-数转换器410的温度传感器元件404以防止模-数转换器410的负载对温度传感器元件404造成影响。在一个实施例中，缓冲器406是一个可选(optional)温度传感器400的一个可选部件(component)。恒定参考电压源408，诸如电压参考电路104(图1)，提供恒定参考电压信号到模-数转换器410。可替代地，恒定参考电压源408可以包括独立于图1中的LDO调压器108的LDO调压器。模-数转换器410比较来自缓冲器406的电压信号与恒定参考电压信号，基于该比较，提供表示晶片温度的被代码化的温度计数字信号到温度计-二进制代码转换器412。传统的温度计-二进制代码转换器412将被代码化的温度计数字信号转换成二进制代码数字信号，其具有较小数量的比特。最终，数字缓冲器414将表示所述相关联的半导体器件的晶片温度的二进制代码数字信号提供到输出端416。如上所述，晶片温度的数字化表示为5比特。
现在参考图4A描述根据本发明的实施例加工工艺感应差错校正电路402和温度传感器元件404的进一步细节。加工工艺感应差错校正电路402包括逻辑电路402A、多个开关410A、412A以及多个电阻器414A、416A。逻辑电路402A连接到来自加工工艺传感器300(图3)的多个输出端314、316、318。多个开关410A、412A中的每一个都被逻辑电路402A的输出端控制。多个电阻器414A、416A的每一个都连接到多个开关410A、412A的输出端。
温度传感器元件404包括热稳定(temperature-stable)温度感测电阻器408A和随温度变化的(temperature-dependent)电流源晶体管420。该温度感测电阻器408A与加工工艺感应差错校正电路402的多个热稳定电阻器414A、416A串联。
逻辑电路402A从加工工艺传感器300(图3)接收三比特加工工艺表征。响应于从加工工艺传感器接收的加工工艺表征，逻辑电路402A操作多个开关410A、412A。通过将各个开关410A、412A打开或关闭，各个电阻器414A、416A或被激励(energize)或被旁路(bypass)。因此，在电阻器414A、416A中流动的电流、以及因此在,温度感测电阻器408A中流动的电流可以调节以便至少部分补偿用于生产温度传感器元件404的加工工艺中的变化。例如，在一个实施例中，响应于表示慢加工工艺的加工工艺表征，如上所述，逻辑电路402A运行以便接通开关410A并断开开关412A。因此电阻器414A和416A被旁路以便调节通过温度感测电阻器408A的电流，从而至少部分补偿所述慢加工工艺。在另一个实施例中，响应于表示快加工工艺的加工工艺表征，如上所述，逻辑电路402A运行以便接断开换器410A和开关412A。因此电阻器414A和416A被激励以便调节通过温度感测电阻器408A的电流，从而至少部分补偿所述快加工工艺。因此，温度传感器元件404相对地保持不受用于生产该传感器元件的加工工艺的变化的影响。要认识的是，逻辑电路402A、多个开关410A、412A、以及电阻器414A、416A可以不同地被配置为提供传感器元件404的期望的补偿。
为了生成将被模-数转换器410(图4)数字化的电压信号，随温度变化的电流源晶体管420连接到带隙电路106(图1)以便将与绝对温度(PTAT)成比例的电流提供到温度感测电阻器408A。根据该温度以及温度感测电阻器408A的结果(resulting)电阻，来自晶体管420的恒定电流在感测电阻器408A以及在被激励的情况下电阻器414A、416A上创建电压信号。因此，由温度传感器元件404生成的在节点418A处的电压信号随着温度改变。
现在参照图5描述根据本发明的实施例的电压传感器114(图1)的进一步细节。电压传感器500包括加工工艺感应差错校正电路502、电压传感器元件504、缓冲器506、恒定参考电压源508、模-数转换器510、温度计-二进制代码转换器512、以及可选数字缓冲器514，数字缓冲器514的输出端形成电压传感器500的输出端516。
电压传感器元件504连接到加工工艺感应差错校正电路502的输出端。缓冲器506连接到所述电压传感器元件的输出端504。模-数转换器510连接到缓冲器506的输出端以及恒定参考电压源508。温度计-二进制代码转换器512连接到模-数转换器510的输出端。数字缓冲器514连接到温度计-二进制代码转换器512的输出端。
加工工艺感应差错校正电路502从加工工艺传感器300(图3)接收三比特加工工艺表征，并响应于该加工工艺表征操作以补偿电压传感器元件504，以便降低加工工艺变化对电压传感器的影响。如下面将更详细解释的那样，电压传感器元件504检测施加到电压传感器上以及相关联的共同形成的半导体器件(未示出)的电源电压电平，并且提供表示所述电源电压电平的电压信号到缓冲器506。缓冲器506被配置为缓存来自模-数转换器510的电压传感器元件504，以防止模-数转换器510的负载对电压传感器元件504造成影响。在一个实施例中，缓冲器506是电压传感器500的一个可选部件。恒定参考电压源508，诸如电压参考电路104(图1)，提供恒定参考电压信号到模-数转换器510。可替换地，恒定参考电压源508可包括与电压参考电路104的调压器分离的LDO调压器。模-数转换器510比较该电压信号与恒定参考电压信号，并响应于所述比较，提供表示所述电源电压电平的温度计-代码化数字信号到温度计-二进制代码转换器512。温度计-二进制代码转换器512将温度计-代码化数字信号转换为二进制-代码化数字信号，该信号具有较小数量的比特。最终，数字缓冲器514将表示相关联的半导体器件的所述电源电压电平的二进制代码化的数字信号提供到输出端516。如上所述所述电源电压电平的指示可包括4比特。
现在参照图5A描述根据本发明的实施例的加工工艺感应差错校正电路502和电压传感器元件504的进一步细节。加工工艺感应差错校正电路502包括第一多个开关512A、514A、516A以及第二多个开关506A、508A、510A。第一多个开关512A、514A、516A的每一个连接到电压参考电路104的输出端110。单独的开关506A、508A、510A每个连接到源自加工工艺传感器300(图3)的单个输出端314、316、318之一。例如，在一个实施例中，第一开关506A连接到加工工艺传感器300的慢比特314。第二开关508A连接到加工工艺传感器300的额定比特316，以及第三开关510A连接到加工工艺传感器300的快比特318。第一多个开关512A、514A、516A也连接到第二多个开关506A、508A、510A，以便形成三个电路支线(leg)。例如，第一电路支线可以包括开关512A和506A，第二电路支线可以包括开关514A和508A，以及第三电路支线可以包括,开关516A和510A。电压传感器元件504包括连接到第一多个开关512A、514A、516A中的每一个的电阻器518A以及节点520A。
电压参考电路104(图1)的输出端110提供稳定参考电压到第一多个开关512A、514A、516A的每一个。第二多个开关506A、508A、510A被控制以操作加工工艺感应差错校正电路502的三个支线并针对用于产生电压传感器元件的加工工艺中的变化而补偿电压传感器元件504。不过，在一个实施例中，在任意一个时候，三个支线中仅有一个可被激励。例如，在一个实施例中，响应于表示慢加工工艺的加工工艺表征，第一支线通过慢比特314接通第一开关506A、通过额定比特316断开第二开关508A以及通过快比特318断开第三开关510A而被激励。在另一个实施例中，响应于表示快加工工艺的加工工艺表征，第三支线通过慢比特314断开第一开关506A、通过额定比特316断开第二开关508A以及通过快比特318接通第三开关510A而被激励。在最后一个例子中，响应于表示额定加工工艺的加工工艺表征，第二支线通过慢比特314断开第一开关506A、通过额定比特316接通第二开关508A以及通过快比特318断开第三开关510A而被激励。
电压传感器元件504中流动的电流根据哪一个支线被激励而改变。在一个实施例中，被激励的支线中流动的电流以及因此压传感器元件504中流动的电流可以依赖于被激励的支线内的器件的参数。在一个实施例中，被激励的支线中流动的电流取决于被激励的支线中的开关的尺寸特性，使得被激励的支线中流动的电流与被激励的支线中的开关的宽度与长度比率成正比。
作为一个实例，在一个实施例中，第二多个开关506A、508A、510A的每个开关具有基本上相同尺寸参数(例如，长度为0.6微米，宽度为10微米，并且包括三个指状栅极(gatefinger)，而第一多个开关512A、514A、516A的每个开关具有不同的尺寸参数。例如，第一、第二以及第三开关512A、514A和516A中的每一个包括四个指状栅极并且长度为2微米，但是第一开关512A的宽度为4.8微米，第二开关514A的宽度为5微米，以及第三开关516A的宽度为5.2微米。因此，由于第一多个开关512A、514A、516A的漏极电流与宽度与长度比率成正比，因此通过每个支线的电流也将改变。因此，通过响应于所述加工工艺表征而激励三个支线之一，电压传感器元件504中的电流可以被调节以便补偿用于生产电压传感器元件的加工工艺中的任何变化。要认识的是，开关的操作和尺寸参数可以不同地进行配置。
如图5A所示，电压传感器元件504包括与热稳定电阻器518A串联的晶体管522A.晶体管522A本质上作为一个饱和开关(saturated switch)，并且根据三个支线中的哪一个被激励，流过电阻器518A的电流将改变。由电阻器518A的电阻以及加工工艺感应差错校正电路502供应的电流确定的电阻器518A上下降的电压偏移(offset)电源电压Vcc以便产生在节点520A处的补偿加工工艺的电压信号，该信号表示所述电源电压电平。因此，响应于慢加工工艺表征，第一电路支线(包括开关512A和506A)被激励，电阻器518A上下降较小的电压，并且在节点520A处提供的电压信号被偏置得比第三电路支线(包括开关516A和510A)基于快加工工艺表征被激励时电压信号被偏置得小。在节点520A处产生的被补偿的加工工艺电压信号被提供到缓冲器506(图5)。因此，电压传感器元件504基本上维持不受用于生产传感器元件的加工工艺中的变化以及温度变换的影响。
图6所示的是根据本发明的实施例的PVT传感器的操作方法的流程图。该方法起始于块602。在块604处，根据本发明的实施例的包括共同形成的相关联的PVT传感器的半导体器件被上电(power on)。响应于被上电，在块606处，PVT传感器对用来生产PVT传感器的加工工艺传感器元件以及因此生产所述相关联的半导体器件的加工工艺进行表征。如上所述，在本发明的实施例中，PVT传感器可以对加工工艺传感器元件(以及相关联的共同形成的半导体器件)的速度进行表征。响应于该加工工艺的表征，PVT传感器提供表示用来生产PVT传感器(以及相关联的半导体器件)的加工工艺的加工工艺控制信号到PVT传感器的输出端。在块608处，PVT传感器响应于该加工工艺控制信号补偿电压传感器并确定所述电源电压电平。响应于确定所述电源电压电平，PVT传感器提供表示所述PVT传感器以及所述相关联的半导体器件的电源电压电平的电压控制信号。在块610处，PVT传感器响应于加工工艺表征补偿温度传感器并确定PVT传感器以及所述相关联的半导体器件的温度传感器的晶片温度。响应于确定该晶片温度，温度传感器提供表示PVT传感器以及相关联的半导体器件的晶片温度的温度控制信号。根据本发明的实施例，块606、608以及610可以被重复一遍连续地以及动态地对用来生产PVT传感器和所述相关联的半导体器件的加工工艺进行表征，感测所述PVT传感器和所述相关联的半导体器件的电源电压电平，以及感测PVT传感器和相关联的半导体器件的晶片温度。将认识到，快608和610的执行顺序可以变化。还将认识到，该加工工艺可以被动态地表征，以便在所述相关联的半导体器件的寿命期间解决(accountfor)(例如，由于器件的老化(age)导致的)任何加工工艺表征变化。在一个实施例中，每次所述相关联的半导体器件被上电时执行所述加工工艺的表征。
根据本发明实施例，PVT传感器基于所感测的加工工艺、电源电压电平以及晶片温度级别提供可能被用于配置相关联的半导体器件的控制信号，从而提供更一致的输出信号。如上所述，可能显著受益于一致的输出信号的半导体器件的一个实例是CATV系统的上游PGA。
图7是根据本发明的包括集成的PVT传感器的半导体器件700方块示意图。如图所示，半导体器件包括根据本发明实施例的PGA701和PVT传感器702。PGA701包括两级放大器714、两级衰减器(attenuator)712、驱动器716a、716b、以及开关718。驱动器716a连接到放大器714的输出端。驱动器716b连接到放大器712的输出端。开关718连接到驱动器716a、716b两者的输出端。
半导体器件700还包括带隙电压参考电路710、LDO调压器708、至少一个偏压电路706、至少一个偏压控制器704、一个芯片上查询表/状态机720、以及一个串行外围接口(SPI)722。该LDO调压器708连接到带隙电压参考电路710的输出端。所述至少一个偏压电路706连接到LDO调压器708的输出端以及放大器714和衰减器712的输入端。所述至少一个偏压控制器704连接到所述至少一个偏压电路706的输入端。所述芯片上查询表/状态机720连接到放大器714、衰减器712的增益输入端以及PVT传感器702的输出端，并且串行外围接口(SPI)722连接到芯片上查询表/状态机720。
如上所述，带隙电压参考电路710和LDO调压器708提供恒定参考电压到所述至少一个偏压电路706和PVT传感器702(连接未示出)。还是如上所述，PVT传感器702对用于生产PVT传感器(以及相关联的共同形成的半导体器件)的加工工艺进行表征，感测所述相关联的半导体器件的电源电压电平，感测相关联的半导体器件的晶片温度，以及提供相应的控制信号。
该控制信号被提供到所述至少一个偏压控制器704，其被配置为响应于该控制信号控制所述至少一个偏压电路706。在一个实施例中，PVT传感器702所提供的控制信号也被提供到芯片上查询表/状态机720。
PGA700的增益和频率响应可以采用放大器714、衰减器712、驱动器716、所述至少一个偏压电路706、以及开关718进行控制。在一个实例中，所述放大器具有-1到32dB的DC增益，而衰减器具有-2到-27dB的DC增益。
图8所示的是放大器/衰减器712/714第一或第二级以及和偏压电路806的一个实施例。放大器/衰减器的每一级(stage)800是基于共发射极的放大器/衰减器，具有可选择的退化(degenerated)电阻器804以及可选择的频率补偿电容器802。在一个实施例中，第一级具有0.1dB良好的增益梯级(gain step)而第二级具有1dB增益梯级。应该认识是的是，放大器/衰减器可以被配置得比两级更多或更少，并且该增益梯级可以进行不同的限定。偏压电路806包括多个可选择的电流源。
参见图7和8，响应于PVT传感器702所提供的控制信号，偏压控制器704操作所述偏压电路806的多个可选择电流源以便提供期望的偏压电流到放大器/衰减器级800。在一个实施例中，在任何一次，仅有一个电流源可被选择。
除了接收来自PVT传感器702的控制信号，芯片上查询表/状态机720也可以接收包括PGA的期望的DC增益的信号。在一个实施例中，期望的DC增益通过SPI722被输入到查询表/状态机。不过，应该认识到是，期望的DC增益可以通过其他方法(例如平行输入)被通讯发送到查询表/状态机。
响应于PVT传感器702所提供的控制信号以及被提供到查询表/状态机720的期望的DC增益，芯片上查询表/状态机720控制放大器714以及衰减器712.的频率响应以及DC增益。查询表/状态机720控制可选择退化电阻器804、可选择频率补偿电容器802以及开关718，以便调节在PGA700的输出端的期望的DC增益。在本发明的实施例中，查询表/状态机720包括算法状态机(ASM)，其能够响应于PVT传感器和期望的增益输入控制放大器714、衰减器712以及开关718的操作。
图9所示的是芯片上查询表/状态机的芯片上查询表的一部分的实施例。芯片上查询表900包括DC增益级别指数(index)902、温度传感器输入级别指数904、以及加工工艺传感器输入级别指数906。芯片上查询表900还可以包括电压传感器输入级别指数(为示出)。应该认识到的是，图9中所示的表显示了芯片上查询表/状态机的输入和输出。取决于输入到查询表的期望的DC增益以及PVT控制信号，查询表900标识第一级和第二级的哪一个电阻器应可切换地设置以产生期望的DC增益，并且查询表/状态机的状态机操作以设置被标识的电阻器。例如，参见图9，如果来自PVT的温度传感器控制信号为10001，则来自PVT的加工工艺表征为010，而期望增益为111011，该芯片上查询表/状态机将该控制信号和期望增益映射到相应的指数(index)并操作以关闭对应于第一级的电阻器12和第二级的电阻器17的开关，以便维持期望的111011增益。用于确定根据PVT传感器的输出以及PGA的期望频率响应来选择哪一个可选择频率补偿电容器802的指数可以以相同能干方式提供。
图10所示的是根据本发明的实施例的具有芯片上查询表/状态机和PVT传感器的PGA操作的方法的流程图。该方法起始于块1002。在块1004处，芯片上查询表/状态机接收由用户提供的期望DC增益。在块1006处，芯片上查询表/状态机接收来自PVT传感器的传感器数据。在块1008处，芯片上查询表/状态机如上所述响应于来自PVT传感器和期望DC增益的传感器数据配置PGA，以便产生在PGA的输出端处的期望DC增益。在块1010处，判断PGA的参数(诸如期望增益、加工工艺表征、晶片温度、和/或电源电压)是否已经改变。如果判断没有参数改变，那么重复块1010。如果判断至少有一个PGA参数改变，那么在块1012处，查询表/状态机如上所述修改PGA的配置，以便维持期望DC增益。在块1012处修改了PGA，块1010被重复。应该认识到的是，PGA的频率响应的修改可以以一种类似的方式进行。
图11所示的是根据本发明实施例的包括PGA1101和PVT传感器1106的半导体器件1100。除了查询表/状态机的集成之外，图11中所示的PGA1101类似于图7中所示的PGA701。与图1中的PGA701不同，该PGA1101不包括芯片上查询表/状态机。替代地，该PGA1101与已经下载了固件查询表1104的芯片外处理器1002进行通讯。该固件查询表1104可以包括如上参照图9所述的控制信号和期望增益指数。在一个实例中，该固件查询表采用PGA的(例如C++编写的)电路描述被编程，以便接收PVT传感器的输出和期望的增益设置值，并基于此返回提供补偿的增益设置值到PGA。应该认识到的是，电路描述存储查询表可以采用任何其他编程语言进行编写。在另一个实例中，固件查询表存储在微处理器的SRAM、EEPROM或闪存之一中；不过，应该认识到的是，该固件查询表可以存储在任何类型的计算机存储器中。微处理器1102可以位于与PGA1101相同的印刷电路板(PCB)(未示出)上。
微处理器1102被编程以控制PGA1101的所述增益和频率响应。PVT传感器1106对用于生产PVT传感器(和所述相关联的半导体器件)的加工工艺进行表征，感测所述相关联的半导体器件的所述电源电压电平，感测所述相关联的半导体器件的晶片温度，以及经过总线1112提供相应的P、V、T传感器信号到微处理器1002。微处理器1102从PVT传感器1106接收P、V、T传感器信号并将该传感器信号和用户提供的期望增益映射到所下载的固件查询表1104中的相应的指数，以便提供补偿的增益信号到PGA1101，从而补偿感测的参数。在一个实施例中，所补偿的增益信号经由SPI1108被发送到PGA1101，并被配置为如上所述控制放大器1111和衰减器的操作。通过将固件查询表存储在分离的微处理器1102上，PGA1101的晶片面积(die area)得以减小并且固件查询表1104通过下载固件查询表的更新版本而可以方便地更新。
图12所示的是根据本发明另一个实施例的包括PGA1202和PVT传感器1206的半导体器件1200。除了PVT传感器1206和微处理器1208之间的连接的配置之外，图12的PGA1202类似于图11中的PGA1101。与图11中的PGA1101不同，图12的PGA1202不包括将PVT传感器1206连接到微处理器1208的分离的总线。替代地，PVT传感器1206提供P、V、T传感器信号到SPI1210，且SPI1210将来自PVT传感器1206的传感器信号通讯发送到微处理器1208。
微处理器1208被编程为控制PGA1202的增益和频率响应。PVT传感器1206对用于生产PVT传感器(以及所述相关联的半导体器件)的加工工艺进行表征，感测所述相关联的半导体器件的所述电源电压电平，感测所述相关联的半导体器件的晶片温度，以及提供相应的P、V、T传感器信号到SPI1210。微处理器1208从SPI1210接收P、V、T传感器信号并将该传感器信号和用户提供的期望增益映射到所下载的固件查询表1212中的相应的指数，以便将补偿的增益信号提供到PGA1202，从而补偿所感测的参数。在一个实施例中，该补偿的增益信号经由SPI1210被发送到PGA1200并被配置为如上所述控制放大器1214和衰减器1216的操作。在利用SPI1210来接口PVT传感器1206和微处理器1208时，可以使用降低的PCB面积或简化的PCB布线图(routing scheme)。应该认识到的是，即使PVT传感器1206和微处理器1208之间的连接不同于图7和11中的连接，控制信号和期望增益指数的格式可以与参照图9所描述的格式相同。
图13所示的是根据本发明的实施例的具有芯片外固件查询和PVT传感器的PGA的操作的方法的流程图。该方法起始于块1302。在块1304处，该芯片外固件查询表接收由用户提供的期望DC增益。在块1306处，芯片外固件查询表从PVT传感器接收传感器数据。在块1308处，微处理器如上所述响应于来自PVT传感器的传感器数据和用户提供的期望DC增益配置PGA，以便在PGA的输出端产生期望DC增益。在块1310处，判断PGA的任何参数(诸如期望增益、加工工艺表征、晶片温度、和/或电源电压)是否已经改变。响应于没有参数改变的判断，那么重复块1310。或者，响应于至少有一个PGA参数改变的判断，在块1312处，微处理器查询固件查询表中相应的修改，在块1314处，响应于在固件查询表找到的相应的修改，微处理器通过将如上所述相应的增益设置值提供到PGA以抵消(counteract)改变的参数来配置PGA1202，并且维持期望的DC增益。应该认识到的是，PGA的频率响应的修改可以采用类似的方式执行。
应该认识到的是，尽管已经相对CATV系统的PGA描述了本发明的PVT传感器，但是PVT传感器也可以用于任何其它对温度、电压或加工工艺变化敏感以及其中期望稳定输出的任何器件。例如，PVT传感器可用于数字逻辑电路，以便调节输入或输出缓冲器阻抗，或者改善集成振荡器的稳定性以及改善振荡器芯片与振荡器芯片之间的集成电路振荡器性能一致性。
根据本发明，与敏感半导体器件相关联的缺点，诸如不一致性，由于提供一种传感器而得以降低，该传感器能够感测器件运行的电压电平和温度，能够感测表示用来生产该器件的加工工艺的参数以便对该器件的性能进行表征，以及提供可以用来补偿该器件以便确保更一致的性能的传感器信号。
如上所述，本发明的实施例设计一种加工工艺、电压以及温度(PVT)传感器，其配置为感测表示用来生产相关联的共同形成的器件的加工工艺的加工工艺参数、运行相关联器件的电源电压电平以及运行相关联器件的温度。应该认识到，在一个实施例中，PVT传感器实现在与相关联器件相同的集成电路并由相同的加工工艺步骤形成，使得PVT传感器所感测的参数精确反映相关联器件的参数。不过，在另一个实施例中，PVT传感器和相关联器件也可以实现在彼此相当接近的(例如，附着在同一个基板上)分离的集成电路上。在PVT传感器实现在相对相关联器件的分离的集成电路上但是彼此物理上紧密接近(例如，在同一个基板上)并且通过相同的电源提供电力的情况下，PVT传感器可以用于提供精确反映相关联的半导体器件的温度和电源电压的受补偿的加工工艺温度信号以及电源电压信号
根据一个实施例，表示用来生产PVT传感器和相关联的共同形成的半导体器件的加工工艺的感测的加工工艺参数被用于对相关联器件的性能进行定性地表征，并且，表示PVT传感器和相关联器件的性能的输出信号、PVT传感和相关联器件的所感测的运行电源电压电平、以及PVT传感器和相关联器件的感测的运行温度被提供。这些输出信号可以用于配置相关联器件以便补偿相关联器件，以便无论相同设计和制造的不同芯片之间的性能差别如何，以及无论器件所运行的条件方面的差别如何，都能够提供更一致的输出。在一个实施例中，相关联器件的至少一部分是可编程的，并且该部分响应于该输出信号被编程，以便补偿相关联器件，从而提供一致的输出。在另一个实施例中，可操作地位于相关联器件下游的器件能够响应于该输出信号被配置，以便补偿相关联器件中的性能差别。
在已经对本发明的至少一个实施例的几个方面进行描述之后，需要认识的是，本领域普通技术人员将会体会到各种替代方式、修改方式以及改进方式。这种替代方式、修改方式以及改进方式将被认为是本公开的一部分，并且将被认为位与本发明的范围之内。因此，前述描述和附图仅仅是一种举例方式。

Claims (20)

1.一种半导体加工工艺传感器，该半导体加工工艺传感器包括：
恒定参考电压源，配置为产生恒定参考电压信号；
加工工艺传感器元件，其耦接到所述恒定参考电压源，并被配置为接收所述恒定参考电压信号，感测表示用来形成所述半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺参数，并基于该感测的加工工艺参数产生将用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺表征为额定、高于额定或低于额定中的一种的加工工艺测量信号。
2.如权利要求1所述的半导体加工工艺传感器，其中所述加工工艺测量信号将所述半导体加工工艺表征为慢、额定以及快之一。
3.如权利要求2所述的半导体加工工艺传感器，其中半导体加工工艺表征为为慢、额定以及快之一是晶体管类型特有的。
4.如权利要求1所述的半导体加工工艺传感器，还包括编码器，其耦接到所述加工工艺传感器元件，并配置为接收所述加工工艺测量信号以及将该加工工艺测量信号编码为数字加工工艺测量信号。
5.如权利要求1所述的半导体加工工艺传感器，其中所述加工工艺传感器元件包含：
加工工艺感测电阻器，具有电耦接到所述恒定参考电压源的第一端子和提供感测的电压信号的第二端子，所述加工工艺感测电阻器的电阻取决于用于形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺中的至少一个变量；
恒流源，电耦接到加工工艺感测电阻器的第二端子；以及
模-数转换器，耦接到所述加工工艺感测电阻器的第二端子，并被配置为提供用于表征用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺测量信号。
6.如权利要求5所述的半导体加工工艺传感器，还包括分压器，具有电耦接到恒定参考电压源的输出的输入以及多个输出，每个所述输出提供多个不同参考电压信号之一，所述分压器包含串联连接在所述分压器的输入和参考端之间的多个电阻器，所述分压提供多个电压信号中的至少一个到所述模-数转换器。
7.如权利要求6所述的半导体加工工艺传感器，其中所述分压器的多个电阻器的每一个以及加工工艺感测电阻器具有高度、宽度和长度，所述分压器的多个电阻器的每一个的高度、宽度和长度相同，所述加工工艺感测电阻器的高度几乎与所述分压器的多个电阻器的每一个的高度相同，并且所述加工工艺感测电阻器的宽度小于分压器的多个电阻器的每一个的宽度。
8.如权利要求6所述的半导体加工工艺传感器，其中所述模-数转换器包含至少一个比较器，该至少一个比较器具有电耦接到所述分压器的多个输出的第一输出以接收第一参考电压信号的第一输入、电耦接到所述分压器的多个输出的第二输出以接收第二参考电压信号的第二输入、以及电耦接到所述加工工艺感测电阻器的第二端子以接收所感测的电压信号的第三输入，所述至少一个比较器配置为比较所感测的电压信号与第一和第二电压参考信号，并提供至少一个比较器输出信号，所述至少一个比较器输出信号是表征用来形成所述半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺测量信号。
9.如权利要求8所述的半导体加工工艺传感器，其中，所述多个电阻器包含：
第一电阻器，具有第一端子和第二端子，所述第一电阻器的第一端子电耦接到所述分压器的输入和所述加工工艺感测电阻器的第一端子，并且所述第一电阻器的第二端子电耦接到所述至少一个比较器的第一输入；
第二电阻器，具有第一端子和第二端子，所述第二电阻器的第一端子电耦接到所述第一电阻器的第二端子，并且所述第二电阻器的第二端子电耦接到所述恒定参考电压源的输入；
第三电阻器，具有第一端子和第二端子，所述第三电阻器的第一端子电耦接到所述第二电阻器的第二端子，并且所述第三电阻器的第二端子电耦接到所述至少一个比较器的第二输入；以及
第四电阻器，具有第一端子和第二端子，所述第四电阻器的第一端子电耦接到所述第三电阻器的第二端子，并且所述第四电阻器的第二端子电耦接到所述参考端子。
10.如权利要求8所述的半导体加工工艺传感器，其中所述至少一个比较器包括：
第一比较器，具有用于接收第一参考电压信号的第一输入和用于接收感测的电压信号的第二输入，所述第一比较器配置为比较感测的电压信号和第一参考电压信号，并响应于感测的电压信号大于第一参考电压信号而提供第一比较器输出信号，以及响应于感测的电压信号小于第一参考电压信号而提供第二比较器输出信号；以及
第二比较器，具有用于接收第二参考电压信号的第一输入和用于接收感测的电压信号的第二输入，所述第二比较器配置为比较感测的电压信号和第二参考电压信号，并响应于感测的电压信号大于第二参考电压信号而提供第三比较器输出信号，以及响应于感测的电压信号小于第二参考电压信号而提供第四比较器输出信号。
11.如权利要求10所述的半导体加工工艺传感器，还包括编码器，该编码器具有用于接收第一比较器输出信号的第一输入、用于接收第二比较器输出信号的第二输入、用于接收第三比较器输出信号的第三输入、以及用于接收第四比较器输出信号的第四输入，所述编码器配置为响应于感测的电压信号大于第一参考电压信号而赋值第一输出信号，以及响应于感测的电压信号小于第一参考电压信号并且大于第二参考电压信号而赋值第二输出信号，以及响应于感测的电压信号小于第二参考电压信号而赋值第三输出信号。
12.如权利要求11所述的半导体加工工艺传感器，其中所述第一输出信号将半导体加工工艺表征为快，所述第二输出信号将半导体加工工艺表征为额定，所述第三输出信号将半导体加工工艺表征为慢。
13.如权利要求12所述的半导体加工工艺传感器，还包括数字缓冲器，其耦合到所述编码器，并被配置为提供所述第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号到半导体加工工艺传感器的输出。
14.如权利要求1所述的半导体加工工艺传感器，其中每当所述半导体加工工艺传感器被上电时，所述加工工艺传感器元件产生所述加工工艺测量信号。
15.一种表征用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的方法，该方法包括如下操作：
提供恒定参考电压到加工工艺感测元件；
利用所述加工工艺感测元件感测指示用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺的加工工艺参数；和
基于所述感测操作，产生将用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺表征为额定、高于额定或低于额定之一的加工工艺测量信号。
16.根据权利要求15所述的方法，其中产生加工工艺测量信号包含进行半导体加工工艺的晶体管类型特有的表征。
17.根据权利要求15所述的方法，其中感测加工工艺参数包含确定跨加工工艺感测元件的感测的电压降，并且产生加工工艺测量信号包含产生基于感测的电压将半导体加工工艺表征为额定、高于额定或低于额定之一的加工工艺测量信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述产生加工工艺测量信号包含操作：
基于恒定的参考电压产生多个不同的参考电压；
将多个不同的参考电压与感测的电压比较；和
基于比较操作来表征所述半导体加工工艺。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述表征操作包含操作：
响应于感测的电压大于第一参考电压，将半导体加工工艺表征为快；
响应于感测的电压小于第一参考电压且大于第二参考电压，将半导体加工工艺表征为额定；
响应于感测的电压小于第二参考电压，将半导体加工工艺表征为慢。
20.一种半导体加工工艺传感器，该半导体加工工艺传感器包括：
恒定参考电压源，配置为产生恒定参考电压信号；
加工工艺感测元件，其耦接到所述恒定参考电压源；以及
用于感测跨加工工艺感测元件的电压降并用于基于所述电压降将用来形成半导体加工工艺传感器的半导体加工工艺表征为额定、高于额定和低于额定之一的部件。
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