CN105892513A - 具有电气和机械应力和寿命漂移效应的补偿的系统参考 - Google Patents

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Abstract

讨论了补偿电气和机械应力的应力补偿系统和方法。一个示例性系统可以包括第一电路和全局应力补偿组件。第一电路可以被配置为生成第一信号，并且可以包括至少一个局部应力补偿组件（例如，采用动态元件匹配、斩波等）。全局应力补偿组件可以包括一个或多个应力传感器，该一个或多个应力传感器配置为感测与系统相关联的一个或多个应力组件。全局应力补偿组件可以被配置为接收第一信号，并且补偿第一信号上的应力效应。

Description

具有电气和机械应力和寿命漂移效应的补偿的系统参考
技术领域
本公开涉及补偿电气和机械应力以及寿命漂移效应的系统参考。
背景技术
芯片，特别是封装中的芯片，经受负面地影响性能的机械应力效应和寿命漂移效应。作为示例，诸如带隙参考的系统电压参考用于广泛的各种系统中。然而，机械应力效应（诸如由塑料封装引起的那些）以及寿命漂移效应可能随时间影响参考电压的准确度，导致系统性能的下降。
附图说明
图1是图示根据本文描述的各种方面的补偿至少一个信号上的应力效应的示例性系统的框图。
图2是图示根据本文描述的各种方面的示例性第一电路的框图，该示例性第一电路示出可以补偿由第一电路输出的至少一个信号上的局部应力效应的示例性局部应力补偿组件。
图3是图示根据本文描述的各种方面的示例性全局应力补偿组件的多个变体的框图，该示例性全局应力补偿组件示出可以包括在全局应力补偿组件中的可选局部应力补偿组件和其他组件。
图4是图示根据本文描述的各种方面的可以经由模拟乘法或加法生成至少一个补偿信号的示例性系统的框图。
图5是图示根据本文描述的各种方面的可以经由数字乘法或加法或多项式平滑来生成至少一个补偿信号的示例性系统的框图。
图6是图示根据本文描述的各种方面的可以经由与至少一个补偿信号的数字乘法或加法来补偿至少一个信号中的应力效应的示例性系统的框图。
图7是图示根据本文描述的各种方面的可以经由由补偿数字到模拟转换器（DAC）所生成的至少一个补偿信号来补偿至少一个信号中的应力效应的示例性系统的框图。
图8是图示根据本文描述的各种方面的可以通过经由与至少一个补偿信号的模拟加法或乘法生成至少一个补偿的信号来补偿至少一个信号中的应力效应的示例性系统的框图。
图9是图示根据本文描述的各种方面的补偿至少一个信号中的应力效应的方法的流程图。
图10是图示可能在沟槽附近发生的不同的应力分量σij和压电系数πij的框图。
图11是示出局部应力效应可以如何影响电路的框图。
图12A是图示芯片上的机械应力的一些可能原因的图。
图12B是图示由于塑料封装中的湿度改变而导致的机械应力改变所引起的温度循环期间的滞后效应的图。
图13是图示示例性带隙参考和放大器级的示意图，示出了电气应力效应可以如何引起各种组件中的失配。
图14是图示根据本文描述的各种方面的多芯片封装的图，多芯片封装具有由每一个都具有不同的热膨胀系数的穿硅通孔（TSV）、不同的芯片、引线框架图和塑料封装所引起的应力效应。
图15是图示根据本文描述的各种方面的具有DEM和斩波的示例性带隙参考和放大器级的示意图。
图16是图示根据本文描述的各种方面的具有DEM和斩波系统ADC的示例性斩波应力传感器的示意图。
图17是图示根据本文描述的各种方面的包括带隙电路和传感器的系统的示例性布局的图。
图18是图示应力传感器输出和带隙电压之间的关系的图。
图19是图示在不具有激活的应力补偿和具有激活的应力补偿的情况下由塑料封装中的湿度改变所引起的带隙电压漂移的图。
具体实施方式
现在将参考所附的绘制图来描述本公开，在附图中，贯穿全文，相似的附图标记用于指代相似的元件，并且其中图示的结构和设备不一定按比例绘制。如本文使用的，术语“组件”、“系统”、“接口”等意在指代计算机相关的实体、硬件、软件（例如，执行中的）和/或固件。例如，组件可以是处理器（例如，微处理器、控制器或其他处理设备）、在处理器上运行的进程、控制器、对象、可执行档、程序、存储设备、计算机、平板PC和/或具有处理设备的移动电话。作为说明，在服务器上运行的应用和该服务器也可以是组件。一个或多个组件可以驻留在进程内，并且组件可以位于一个计算机上和/或分布在两个或更多个计算机之间。在本文中可以描述元件集合或其他组件的集合，其中术语“集合”可以被解释为“一个或多个”。
此外，例如，这些组件可以从其上（诸如以模块）存储有各种数据结构的各种计算机可读存储介质执行。组件可以诸如根据具有一个或多个数据分组（例如，来自在本地系统、分布式系统中和/或跨网络与另一组件交互的一个组件的数据，网络诸如是因特网、局域网、广域网或经由信号与其他系统一起的类似网络）的信号经由本地和/或远程进程进行通信。
作为另一示例，组件可以是具有由机械部分提供的特定功能的装置，该机械部分由电气或电子电路操作，其中电气或电子电路可以通过由一个或多个处理器执行的软件应用或固件应用来操作。该一个或多个处理器可以在所述装置内部或外部，并且可以执行软件或固件应用的至少一部分。作为又另一示例，组件可以是不通过机械部分的情况下通过电子组件提供特定功能的装置；电子组件可以在其中包括一个或多​​个处理器，以执行至少部分地赋予电子组件的功能的软件和/或固件。
词语“示例性”的使用意在以具体方式呈现原理。如本申请中使用的，术语“或”意在指包含性的“或”而不是排他性的“或”。即，除非另外明确说明或从上下文是清楚的，“X采用A或B”意在指自然的包括性置换中的任何一个。即，如果X采用A；X采用B；或X采用A和B二者，则在前述实例中的任何一个情况下，“X采用A或B”被满足。此外，在本申请中和所附的权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应当被解释为指“一个或多个”，除非另有明确说明或根据上下文清楚的是针对单数形式。此外，就术语“包括”、“具有”、“带有”或其变体在具体描述和权利要求中使用而言，这样的术语意在是以类似于术语“包含”的方式是包括性的。
本文讨论的实施例可以对于片上系统或封装中的系统实现非常高准确度的信号（例如，参考电压、电流和/或时钟信号等），以补偿在系统的寿命内和贯穿温度循环的应力效应。
参考图1，图示了根据本文描述的各种方面的补偿至少一个信号上的应力效应的示例性系统100的框图。如本文使用的，应力效应包括机械应力的效应（包括压阻和压电结效应、温度循环或温度梯度的效应、湿度改变）和电气应力的效应（包括晶体管和其他组件的参数的改变，诸如由所施加的电源电压引起的那些）。系统100包括一个或多​​个电路110（例如，第一电路、第二电路等）和全局应力补偿组件120，所述一个或多​​个电路110每一个都可以包括具有一个或多个局部应力补偿组件1121-112N的集合，全局应力补偿组件120包括一个或多个应力传感器1221-122N，并且可选地包括具有一个或多个局部应力补偿组件1241-124N的第二集合。在各种方面中，系统100可以被包括作为片上系统或封装中系统的一部分，以补偿应力效应，在多芯片封装中包括有芯片堆叠布置，其中应力效应特别高。
通常，虽然系统100可以包括多于一个电路110，但是为了便于讨论，下文结合第一电路110来描述，其中，类似的细节适用于包括在系统100中的任何附加电路110。第一电路110被配置为生成至少一个信号（例如，第一信号、第二信号等）。虽然仅出于说明的目的，在本文中提供了示例和讨论，其中第一电路110包括参考电路（例如，带隙参考等），但是本文描述的系统、组件和技术可以应用于其中第一电路110包括生成至少一个输​​出信号的任何电路（例如，温度传感器等）的实施例。在第一电路110包括参考电路的实施例中，所述至少一个信号可以包括至少一个参考信号（例如，一个或多个参考电压、一个或多个参考电流、一个或多个参考时钟频率等）。第一电路110向全局应力补偿组件120输出所述至少一个信号，并且根据实施例，还可以被输出到一个或多个其他组件，诸如系统ADC或系统放大器。根据具体实施例，第一电路110可以包括用于生成所述至少一个信号的各种组件。例如，第一电路可以包括带隙参考或某种其他系统参考（例如，模拟到数字转换器（ADC）等），并且可以包括用于生成所述至少一个参考信号（例如，（一个或多个）参考电压、（一个或多个）参考电流、（一个或多个）参考时钟信号等）的组件，该组件的性质根据具体实施例而变化。在下文中讨论可以被包括的示例性实施例和组件。
第一电路110额外包括具有一个或多个局部应力补偿组件1121-112N的第一集合，局部应力补偿组件1121-112N补偿所述至少一个信号（例如，至少一个参考信号等）上的应力效应（例如，第一电路110内的局部应力效应，诸如机械应力效应、电气应力效应、老化效应等，例如由于接近沟槽而引起的机械应力效应等）。例如，具有一个或多个局部应力补偿组件1121-112N的第一集合可以包括斩波器，斩波器对第一电路110的一个或多个组件（例如，（一个或多个）放大器、（一个或多个）ADC等）的输入和/或输出信号进行斩波，这可以补偿局部应力效应（例如，通过减小漂移）。作为另一示例，具有一个或多个局部应力补偿组件1121-112N的第一集合可以包括一个或多​​个动态元件匹配（DEM）组件，以采用DEM来在第一电路（或其组件，诸如第一电路110的电流镜的晶体管等）的多个组件（例如，晶体管、电阻器等）之间循环，从而通过平均出个体组件的随机局部应力效应来减少与个体组件相关联的局部应力效应。在另一示例中，具有一个或多个局部应力补偿组件1121-112N的第一集合可以包括一个或多​​个自动调零组件（例如，自动调零放大器等），以通过减小漂移来补偿局部应力效应。斩波和自动调零是每一个都可以补偿偏移效应的元件的两个技术或布置。自动调零具有与斩波相同的消除（例如，放大器、ADC等的）偏移的效果。然而，代替在周期的不同阶段中（如在斩波中）交换输入，在自动调零中，第一阶段用于截短输入以存储偏移，并且第二阶段用于将组件（放大器等）连接到传感器或输入信号，并且减去先前测量的偏移信号。本文中对斩波器、斩波信号、斩波等的讨论（以及附图中的图示）还意在附加地或替代地包括经由自动调零组件、自动调零信号、自动调零等实现类似效果的各方面。
全局应力补偿组件120还可以补偿在至少一个信号上的应力效应（例如，影响系统100的全局应力效应等），并且可以包括一个或多​​个组件（根据实施例），用于以各种方式（例如，通过接收至少一个信号并且输出至少一个补偿的信号，通过生成可以与至少一个信号组合（例如，以相加方式、相乘方式等）的至少一个补偿信号或输出等）补偿至少一个信号上的应力效应。全局应力补偿组件120可以包括一个或多​​个应力传感器1221-122N，其可以感测与系统100相关联的一个或多个应力分量（例如，应力张量的分量或其函数，诸如线性组合）。至少部分地基于感测的（一个或多个）应力分量，全局应力补偿组件120可以补偿所述至少一个信号上的应力效应。在局部和全局应力补偿之后，最后补偿的至少一个信号（例如，参考电压、电流等）独立于物理和其他特性，诸如温度、电源电压、应力、（一个或多个）传感器信号等。
在各方面中，全局应力补偿组件120可以包括多个应力传感器1221-122N，并且多个应力分量中的至少两个可以感测不同应力分量，例如，如下各项中的两个或更多个：第一应力分量（例如σxx）、正交于第一应力分量的第二应力分量（例如，σyy）、两个正交应力分量的和（σxx +σyy）、两个正交应力分量的差（σxx–σyy）等。
在各方面中，全局应力补偿组件120可以包括具有局部应力补偿组件1241-124N的第二集合，局部应力补偿组件1241-124N可以补偿全局应力补偿组件120中的应力效应，该应力效应可能以其他方式影响全局应力补偿组件120的补偿至少一个信号上的应力效应的能力。具有局部应力补偿组件1241-124N的第二集合可以包括类似于结合具有局部应力组件1121-112N的第一集合描述的那些的一个或多个组件，诸如DEM组件、斩波器（例如，放大器和/或ADC等的斩波器）、自动调零组件等。例如，全局应力补偿组件120可以包括多个应力传感器1221-122N，并且具有局部应力补偿组件1241-124N的第二集合可以包括用于在所述多个应力传感器1221-122N中的一些或全部之间循环的DEM组件。在另外方面中，DEM可以与感测不同应力分量的多个传感器1221-122N组合，使得对于每个不同的应力分量（或其子集），感测该不同应力分量的多个传感器可以经由DEM组件在之间进行循环。在另一示例中，具有一个或多个局部应力补偿组件1241-124N的第二集合可以包括斩波器，斩波器对全局应力补偿组件120的一个或多个组件（例如，（一个或多个）ADC等）的输入和/或输出信号进行斩波。
虽然在一些方面中，补偿的至少一个信号可以以模拟方式来表示，但在其他方面中，该补偿的至少一个信号可以以数字方式表示。例如，考虑ADC参考具有适度的应力相关性，诸如处于不同应力处的以下参考电压：在0MPa处1V，在100MPa处1.002 V，以及在200MPa处1.004 V（例如，2%/GPa）。在ADC处的稳定输入电压的情况下，数字ADC输出可以轻微衰减如下：在0MPa处为1/1.000，在100MPa处为1/1.002，并且在200MPa处为1/1.004。在这种情况下，ADC之后的数字校正可以通过把输出乘以如下各项来进行补偿以消除应力的效应：在MPa处乘以1.000，在100MPa处乘以1.002，以及在200MPa处乘以1.004。以这样的方式，该数字系统参考可以被稳定。
图2图示了根据本文描述的各方面的示例性第一电路110的框图，该框图示出了可以补偿至少一个信号上的局部应力效应的示例性局部应力补偿组件1121-112N。在第一电路110包括ADC 202的实施例中，具有局部应力组件1121-112N的第一集合可以可选地包括：ADC输入斩波器112H（例如，模拟斩波器），用于对ADC的输入信号进行斩波；和/或ADC输出斩波器112I（例如，数字斩波器），用于对ADC的输出信号进行斩波。在第一电路110包括放大器204的实施例中，具有局部应力组件1121-112N的第一集合可以可选地包括：放大器输入斩波器112J（例如，模拟斩波器），用于对放大器的输入信号进行斩波；和/或放大器输出斩波器112K（例如，数字斩波器），用于对放大器的输出信号进行斩波。另外，具有局部应力补偿组件1121-112N的第一集合可以包括：至少一个动态元件匹配组件112L，用于在第一电路110的多个电阻器206之间（例如，可旋转地交换等）循环；和/或至少一个动态元件匹配组件112M，用于在第一电路110的多个晶体管208（例如，电流镜的晶体管，输出参考电压的晶体管等）之间循环。
图3图示了根据本文描述的各种方面的示出示例性全局应力补偿组件120的多个变体的框图，该框图示出了可以包括在全局应力补偿组件中的可选局部应力补偿组件1241-124N和其他组件。在各方面中，至少一个DEM组件124I可以被包括以采用DEM来在一个或多个应力传感器1221-122N之间循环。另外，一个或多个温度传感器3021-302N可以被包括以测量与系统（例如，系统100）相关联的一个或多个温度和/或温度梯度。在各方面中，二次或其他更高阶温度补偿电路或曲率温度补偿电路可以被包括，以补偿在至少一个信号上的一个或多个温度和/或温度梯度的效应。可选地，至少一个DEM组件124J可以被包括以采用DEM来在一个或多个温度传感器3021-302N之间循环。在各方面中，还可以结合应力传感器和/或温度传感器来采用斩波。
在一个示例性实施例中，可以基于一个或多个应力传感器1221-122N和/或一个或多个温度传感器3021-302N的输出来生成至少一个补偿信号，并且可以将至少一个补偿信号与所述至少一个信号组合（例如，经由模拟乘法或加法组件304等），以补偿所述至少一个信号上的应力效应（例如，通过生成至少一个补偿的信号等）。图4图示了根据本文描述的各种方面的可以经由模拟乘法或加法（例如，经由模拟乘法器、模拟增益调整放大器级等）来生成至少一个补偿信号的示例性系统400的框图。在示例性系统400中，第一电路110是斩波的带隙参考，其采用DEM并且输出至少带隙参考电压作为所述至少一个信号中的一个，并且一个或多个应力传感器1221-122N也被斩波并且采用DEM。补偿的参考电压可以被提供作为对系统ADC 410的应力补偿的参考，系统ADC 410可以具有斩波输入（经由模拟系统ADC输入斩波器412I）和斩波的输出（经由模拟系统ADC输出斩波器412O）作为具有局部应力补偿组件的第三集合的一部分，以补偿接收所述至少一个补偿的信号的至少一个组件（在该情况下为系统ADC 410）中的局部应力效应。
在其他示例性实施​​例中，一个或多个应力传感器1221-122N和/或一个或多个温度传感器3021-302N的输出可以由传感器ADC 306来接收，传感器ADC 306可以生成一输出，该输出可以以多种方式被用于补偿至少一个信号上的应力效应（例如，通过生成可以与所述至少一个信号组合以补偿应力效应的至少一个补偿信号，通过生成可以用作针对所述至少一个信号的（一个或多个）补偿替换的至少一个补偿信号等）。此外，具有局部应力补偿组件1241-124N的第二集合可以包括传感器ADC输入斩波器122K（例如，模拟斩波器）或传感器ADC输出斩波器122L（例如，数字斩波器）中的至少一个。
在采用传感器ADC 306的示例性实施例的第一集合中，传感器ADC 306的输出可以由数字乘法或加法组件308或由数字滤波器和/或多项式平滑（或补偿）组件310来接收。无论包括组件308或组件310中的哪一个都可以生成至少一个补偿信号（例如，通过经由组件308的数字乘法或加法，或通过经由组件310的数字滤波和/或多项式平滑），该信号可以由数字可编程增益组件312来接收，数字可编程增益组件312可以设置针对所述至少一个补偿信号的增益。图5图示了根据本文描述的各种方面的示例性系统500的框图，系统500可以经由数字乘法或加法或多项式平滑来生成至少一个补偿的信号。在示例性系统500中，第一电路110是斩波带隙参考，其采用DEM并且输出至少带隙参考电压作为所述至少一个信号中的一个，并且一个或多个应力传感器1221-122N也被斩波并且采用DEM。补偿的参考电压可以被提供作为对传感器ADC306的应力补偿参考，如上所述，并且数字可编程增益组件312的输出信号可以由系统放大器510接收作为应力补偿的参考。系统放大器510可以具有斩波的输入（经由模拟系统放大器输入斩波器512I）和斩波的输出（经由系统放大器输入斩波器412O）作为具有局部应力补偿组件的第三集合的一部分，以补偿接收所述至少一个补偿的信号的至少一个组件（在该情况下为系统放大器510，其中系统参考作为数字可编程增益组件312的输入信号）中的局部应力效应。
在采用传感器ADC 306的下一示例性实施例中，传感器ADC 306的输出可以由数字滤波器和/或多项式平滑（或补偿）组件310来接收。在通过组件310进行数字滤波和/或多项式平滑之后，可以生成至少一个补偿信号，该补偿信号可以被提供作为对数字乘法或加法组件314的输出。数字乘法或加法组件314还可以接收由系统ADC或系统TDC输出的信号，系统ADC或系统TDC从第一电路110接收所述至少一个信号（例如，参考电压等），并且可以使由系统ADC或系统TDC输出的信号与所述至少一个补偿信号数字地相加或相乘，以补偿所述至少一个信号上的应力效应。图6图示了根据本文描述的各种方面的可以经由与至少一个补偿信号的数字乘法或加法来补偿至少一个信号中的应力效应的示例性系统600的框图。在示例性系统600中，第一电路110是斩波带隙参考，其采用DEM并且输出至少带隙参考电压作为所述至少一个信号中的一个，并且一个或多个应力传感器1221-122N也被斩波并且采用DEM。如上所述，补偿的参考电压可以被提供到传感器ADC 306，并且然后可以被提供到多项式系数和/或数字滤波器组件310，以生成至少一个补偿信号。参考电压还可以被提供给系统ADC 410，系统ADC 410可以具有斩波的输入（经由模拟系统ADC输入斩波器412I）和斩波的输出（经由模拟系统ADC输出斩波器412O），作为具有局部应力补偿组件的第三集合的一部分，以补偿接收所述至少一个信号的至少一个组件（在该情况下为系统ADC 410）中的局部应力效应。系统ADC 410的输出和来自多项式系数和/或数字滤波器组件310的至少一个补偿信号可以被提供给可以生成输出信号的数字乘法或加法组件314，由此补偿参考电压上的应力效应。
在采用传感器ADC 306和数字滤波器和/或多项式平滑（或补偿）组件310的附加示例性实施例中，组件310的输出可以被提供给补偿数字到模拟（DAC）转换器316。补偿DAC316可以输出至少一个补偿的信号（例如，补偿的参考电压等）。图7图示了根据本文描述的各种方面的示例性系统700的框图，系统700可以经由由补偿DAC 316生成的至少一个补偿信号来补偿至少一个信号中的应力效应。在示例性系统700中，第一电路110是斩波带隙参考，其采用DEM并且输出至少带隙参考电压作为所述至少一个信号中的一个，并且一个或多个应力传感器1221-122N也被斩波并且采用DEM。如上所述，补偿的参考电压可以被提供到传感器ADC 306，并且然后可以被提供到数字多项式补偿组件310。数字多项式补偿组件310的输出可以由补偿DAC 316来接收，补偿DAC 316可以向系统ADC 410提供补偿的参考电压（或参考电流、参考电阻、参考电容等）。系统ADC 410可以具有斩波的输入（经由模拟系统ADC输入斩波器412I）和斩波的输出（经由模拟系统ADC输出斩波器412O）作为具有局部应力补偿组件的第三集合的一部分，以补偿接收所述至少一个信号的至少一个组件（在该情况下为系统ADC 410）中的局部应力效应。
本文中还描述了另一示例性实施例，该另一示例性实施例采用传感器ADC 306、数字滤波器和/或多项式平滑（或补偿）组件310和补偿DAC 316。在该另一示例性实施例中，补偿DAC 316的输出（至少一个补偿信号）可以被提供给模拟乘法或加法组件318。模拟乘法或加法组件可以使所述至少一个补偿信号与所述至少一个信号相乘或相加，并且输出至少一个补偿的信号。图8图示了根据本文描述的各种方面的示例性系统800的框图，系统800可以通过经由与至少一个补偿信号的模拟相加或相乘生成至少一个补偿的信号，来补偿至少一个信号中的应力效应。在示例性系统700中，第一电路110是斩波带隙参考，其采用DEM并且输出至少带隙参考电压作为所述至少一个信号中的一个，并且一个或多个应力传感器1221-122N也被斩波并且采用DEM。如上所述，补偿的参考电压可以被提供到传感器ADC 306，并且然后可以被提供给数字多项式补偿组件310。数字多项式补偿组件310的输出可以由补偿DAC 316来接收，补偿DAC 316可以输出补偿信号。补偿信号和参考电压可以通过模拟乘法或加法组件318来接收，模拟乘法或加法组件318可以输出补偿的参考电压。替代地，补偿DAC 316可以被包括在模拟乘法或加法组件318内，并且可以包括一个或多​​个可编程电阻器、可编程开关电容器或可编程晶体管，他们可以并联或串联地开关以调整模拟乘法或加法组件318的输出参考电压。
图9图示了根据本文描述的各种方面的补偿至少一个信号中的应力效应的方法900的流程图。方法900可以包括，在910处，经由至少一个电路（例如，至少一个参考电路）来生成至少一个信号（例如至少一个参考信号，例如至少一个参考电压、电流或时钟频率）。方法900还可以包括，在920处，经由所述至少一个电路补偿所述至少一个信号上的应力效应（例如，经由斩波、DEM、自动调零等）。在930处，方法900可以包括感测至少一个应力分量（例如，应力张量的至少一个分量或其函数，诸如应力张量的分量的线性组合）。在940处，方法900可以包括至少部分地基于感测的至少一个应力分量来补偿在所述至少一个信号上的应力效应。
本文描述的各方面可以提供对应力效应的补偿，以便在系统的寿命内并且贯穿温度循环从片上系统（包括多芯片系统，例如片堆叠布置等）或封装中系统中的电路提供非常高准确度的信号。在具有参考电路（例如，带隙参考等）的实施例中，如本文所述，可以通过补偿由电气和机械应力引起的老化和其他效应来获得片上高精度和寿命稳定参考电压或系统参考。这样的实施例可以提供与非常低的温度漂移组合的稳定参考信号和廉价的低功率片上带隙参考。
约1-7mV的漂移（约0.1 ... 0.6%漂移）可以由下述的组合来引起：双极晶体管中的压电结效应、电阻器中的压电电阻效应和/或安装的硅管芯中的非均匀或方向相关的应力分量，特别是在使用浅或深的沟槽的现代技术的情况下。此外，电路中的设备可以具有由方向引起的不同应力相关性或不同布局条件。图10图示了示出可以在沟槽附近发生的不同应力分量σij和压电系数πij的框图。σxx和σyy的局部变化可以与诸如σxx + σyy、σxx - σyy或应力分量的其他组合之类的全局应力变化相关。
虽然已经尝试通过曲率补偿来实现温度范围上的50ppm的漂移，但是寿命漂移在寿命内或在塑料封装中的湿度改变的情况下导致500ppm或更大。大漂移的一个原因是由以下各项中的一项或多项引起的机械应力：塑料封装中的封装、焊接、湿度改变；管芯的弯曲效应；相邻器件上的沟槽影响等。该机械应力导致参考电路中的电流和电压改变，并且导致无源组件（诸如片上电阻器）中的大约3%的改变，以及由压电结效应引起的大约1-7mV的带隙电路中双极晶体管中的改变。图11图示了示出局部应力效应可以如何影响电路1102-1112的框图。局部应力效应在很大程度上是不可预测的，但是可以部分地由对沟槽的接近等而引起，局部应力效应可以显著影响电路（例如，差分输入级、电流反射镜等）的性能。电路1102和1104是最坏情况的情形，其中仅一个电路在该沟槽附近，从而在一个示例性测量中在二者之间引起13mV的偏移差。电路1106和1108是较好情况的情形，其中二者都遭受类似的系统变动，从而在该示例性测量中在二者之间引起9mV的偏移差。电路1110和1112是最好情况的情形，其中二者都经历相同的变动，从而在该示例性测量中在二者之间引起0mV的偏移差。
虽然机械应力效应经常被视为寿命或温度循环效应，但是约高达90%的机械效应可能由管芯上的封装、焊接、湿度改变和温度梯度的组合引起。塑料封装的扩展（例如，由于上面列出的原因中的任何一个）可以引起芯片的弯曲，从而引起机械应力效应。图12A图示了指示芯片上的机械应力的一些可能的原因的图。图12B图示了示出温度循环期间滞后效应的图，该滞后效应由塑料封装中的湿度改变而导致的机械应力改变所引起。
通常被认为是寿命或老化效应的现象的第二个原因是，电气应力改变晶体管参数（例如，在电气偏置或供电期间），从而引起不稳定并且不可预测的失配，并且无法由机械应力传感器来完全补偿。这些电气应力效应可以改变放大器或差分级、带隙电流镜、应力传感器的电流镜的电流镜比率和偏移电压以及ADC的偏移等。
图13图示了示例性带隙参考1300和放大器级1310的示意图，示出了电气应力效应可以如何引起各种组件中的失配。寿命内的电气应力效应可以导致下述中的任何一个或全部的改变，从而引起失配：电流镜比率（图13中的1：N：p）、电阻器比率（R1：R2）、Vbe改变（1：M：q）、放大器中的偏移改变（例如，由非对称Vds→ΔVth改变引起）。当与原始失配相比时，统计测量值已经示出了在寿命期间的30%ΔVth的漂移。
第三个问题是闪变噪声效应，闪变噪声效应在低频改变带隙电压。这些效应也主要由放大或差分级的电流镜比率和偏移电压的改变引起。
第四个问题是热梯度。通常，在带隙的环境中，可以针对固定的电源电压并且针对固定的功率来校准热梯度。然而，由相邻电路中的功率改变引起的电源电压改变和变化的热梯度可以引起额外的错误。例如，接通或关闭芯片中系统或封装中系统中的相邻微处理器可能引起包括额外错误的热梯度。热膨胀系数的变化可以随着温度或温度梯度的改变而导致额外的机械应力。图14图示了多芯片封装的图，多芯片封装具有由每一个都具有不同的热膨胀系数的穿硅通孔（TSV）、不同的芯片、引线框架和塑料封装引起的应力效应。
如本文中使用的术语，这些问题中的任何一个或全部可以引起应力效应。
在带隙参考电路的示例中，带隙电压受电阻器中的改变及其失配、双极或金属氧化物半导体（MOS）晶体管及其失配、（一个或多个）放大器级的电流镜失配和偏移电压（和偏移电压漂移）的影响。带隙电路中的带隙电压VBG是电流镜比率和双极晶体管的基极-射极电压VBE导致的，如等式1和2示出的：
（1）
(2)
其中kb是玻尔兹曼常数；qe是基本电荷；T是结的绝对温度；p、q和n是电流镜比率，并且m是面积比率。
基极-射极电压取决于双极晶体管的饱和电流。在n=p=q=1的情况下，带隙电压如等式（3）中那样：
（3）
由于平面中应力σ = σxx + σyy而导致的饱和电流的改变可以如等式4中那样被近似：
(4)
并且由于平面中应力σ = σxx + σyy的改变而导致的带隙电压的改变如等式（5）中那样：
（5）。
带隙电压的应力相关性主要由电阻器或电流镜的应力相关性和双极晶体管的饱和电流来确定。然而，额外的应力相关性是由电流镜中的局部失配导致的，局部失配更加不可预测，并且受电气寿命漂移效应的影响。
本文描述的各方面可以补偿全局平面内应力效应、局部机械应力效应和电气应力效应，以提供更稳定和可预测的应力补偿系数。因此，如本文描述的那样补偿的信号具有更高和更稳定的准确度。
应力传感器受到温度和平面内应力二者的影响，但是具有（通常）不同应力灵敏度，如等式6和7中所示：
（6）
（7）
然而，应力分量（σxx – σyy）的差异可以被测量，以补偿系统局部应力效应（例如，附近沟槽）或在本文中讨论的电路（例如，带隙参考）中的晶体管和/或电阻器的不同定向。例如，在图15中示出（下文讨论）的应力传感器Vndiff（感测σxx – σyy）使用处于相对于正常芯片定向45°的L形布置中的n扩散电阻器，该n扩散电阻器具有Rlv,n2~1+144%/GPA*（σxx – σyy）的应力相关性。
本文描述的实施例能够补偿信号上的所有机械和电气应力效应。相比之下，仅采用模拟应力补偿的常规系统（例如，经由电阻器的组合）无法通过应力相关补偿值的乘法或加法来补偿具有ADC参考效应或数字补偿的所有系统寿命效应。然而，本文描述的实施例可以提供（例如，带隙电路、带隙中的放大器等的）电气寿命漂移补偿，并且可以补偿二阶或更高阶的温度和应力效应。通过充分补偿电气和机械应力和漂移效应二者，可以在片上系统或封装中系统实施例中实现明显更高的总体准确度。本文描述的各方面可以由于乘法效应而提供可实现准确度和寿命稳定性的显著提高：利用更好和更准确的应力测量和初始带隙参考（例如，通过斩波、DEM、自动调零等），可以得到更好的补偿和更稳定的应力系数。在流水线生产中，无法独立地找到最好的相关系数或最好的应力系数来补偿每个样本的个体变化。然而，本文描述的各方面可以用于获得稳定的系数和准确的测量，这可以促进对至少一个设计或封装的补偿。
图15图示了根据本文描述的各种方面的利用DEM和斩波的示例性带隙参考1500和放大器级1510的示意图。图16图示了根据本文描述的各个方面的利用1600处的DEM和1610处的斩波系统ADC的示例性斩波的应力传感器的示意图。带隙参考1500和应力传感器1600的组合可以提供应力补偿的参考信号给系统ADC 1610，使得1620处的数字乘法或加法之后的系统输出针对机械和电气应力效应被补偿。在1630处，示出了应力传感器的不同示例性配置，在左侧针对横向应力传感器Rlv,n，在右侧针对垂直应力传感器Rv,n。下面，等式8和9示出了用于补偿电路中的应力效应的示例性加权偏置电流生成：
((8)
((9)
其中，k1可以具有正值或负值。
图17图示了根据本文描述的各种方面的包括带隙电路和传感器的系统的示例性布局的图。图17中所示的示例性布局中的应力测量可以通过差分电压测量来实现。如在图17的带隙电路周围的应力传感器中看见的，可以使用不同的机械应力系数，不同的机械应力系数可以通过在电流源和基于带隙的副本电路中的两个不同的电阻器类型来实现。作为说明性示例，可以结合具有πxx+πyy = +52%/GPa（总和）的（一个或多个）垂直n扩散或n阱电阻器来使用具有πxx + πyy = -24%/GPa (总和)和πxx– πyy = +144%/GPa的正压电电阻效应的与晶圆平坦部成45°和横向L形n扩散或n阱电阻器（一个或多个）。通过使用这些不同的电阻器，可以得到不同的（例如，X和Y）应力相关校正信号。这些校正信号可以是模拟电压或电流等，或经由ADC从应力传感器得到的数字校正信号。
基于带隙的参考电压Vref被温度补偿，并且具有低应力相关性（由于所使用的电阻器的压电电阻效应的小影响和小的压电结效应而导致）。应力效应的主要源来自在带隙中使用的偏置电阻器和双极晶体管。此外，失配效应导致了带隙电压的机械和电气漂移。
频繁使用的n掺杂多晶硅电阻器具有-11%/GPa的应力系数，该应力系数在芯片中间和周围的平面中应力的200MPa处引起大约1-2mV变动（例如，由正常封装工艺引起），以及由湿度改变、寿命效应和焊接引起大约+/-0.01-0.07%的不稳定性。
虽然在沟槽附近应力可以以不同的方式改变（例如，以具有X或Y相关性的值），但是这些局部应力仍然与全局应力相关。这些效果可以用第二恒定电流来补偿，其还可以使用带隙固有电压VPTAT和VNTAT来实现温度补偿。
例如，可以采用具有+4.4%/GPa的L形p掺杂电阻器连接具有与基于n多晶硅的电流相比大约4.4/11的电流比率的相同或不同带隙电路。L形的扩散电阻器可以使应力系数独立于应力的方向。L形臂的差异可以用于分离参考的X和Y应力相关性。
然后，得到的电阻器可以被设计为被几乎应力补偿，或者两个电阻器类型之间的比率可以被调整以补偿在比较器延迟或参考电压或电容器中的剩余应力效应。应力和温度的一阶补偿可以通过基于固定比率的调整来实现。
如上所述，可以针对X和Y方向来生成不同的应力补偿信号，以补偿电路带隙或系统参考中的应力效应。这些应力效应与芯片的机械弯曲效应相关，并且是寿命变动或封装效应的主要原因。
图18图示了示出应力传感器输出和带隙电压之间的相关性的图。图19图示了示出在不具有激活的应力补偿和具有激活的应力补偿的情况下的塑料封装中的湿度改变所引起的带隙电压漂移的图（被示出为温度独立补偿和温度相关补偿）。如可以看到的，在温度相关应力补偿的情况下，漂移明显降低。
与传统系统和技术相比，本文描述的实施例可以补偿局部应力效应（例如，参考电路110内和/或全局应力补偿组件120内）和全局应力效应二者，无论性质是机械还是电气的。常规应力补偿电路仅可以补偿全局平面内机械应力效应，并且仅部分地解决电气老化效应（例如，在晶体管对的寿命内的Vth的不同漂移）。然而，局部应力效应（例如，在差分晶体管对中或在针对（一个或多个）应力传感器的电流镜中，局部应力效应可以在现代技术中通过深沟槽来引起）无法由常规系统来充分补偿，因为局部应力与全局应力传感器信号的不良相关性，并且因为局部应力效应部分地不可预测。此外，由偏置电压或偏置电流引起的电气应力效应在其寿命内引起MOS晶体管的阈值电压Vth的漂移。
相比之下，在本文中描述的各方面中，局部应力效应（例如，机械效应、电气效应、老化效应等）可以通过斩波和/或DEM来补偿。此外，如果参考电路（例如，带隙参考等）本身和（一个或多个）应力传感器和相关联的ADC具有通过斩波和/或DEM补偿的局部失配（例如，由局部应力效应引起），则得到的准确度具有倍增效应，如上所述。
通过组合对全局和局部应力效应二者的补偿，产生了利用常规系统本来不可能的很多结果。例如，甚至实现更可预测的应力系数和相关性，这对应力补偿具有显著影响，因为系统将不具有个性化的应力补偿，因此不同样本的并且针对不同生产批次的该系数的稳定性将影响个体样本中的实际应力补偿。因此，通过提供更稳定的系数，本文描述的各方面可以在个体样本的寿命内提高参考的稳定性。此外，本文讨论的实施例可以采用二次或曲率补偿，而在常规系统中，期望的曲率补偿由于老化或封装效应而被破坏。在本文中描述的各方面中，应力敏感电路的电气寿命漂移可以通过局部应力组件（例如，DEM组件、斩波器、自动调零组件等）来补偿。此外，当排除局部失配（例如，通过斩波或DEM）时，从全局到局部应力效应的相关性可以用于补偿。在各个方面中，即使当应力的效应在不同方向上明显不同（例如，到沟槽且接近沟槽的电阻器，或者垂直于沟槽并且接近沟槽电阻器）时，也可以补偿应力效应。由于如本文讨论的对应力效应的补偿的性质，带隙可以甚至在封装之前在晶圆上被修整，因为封装效应有效地通过补偿来消除。此外，在采用ADC的各方面中，ADC的时钟可以被划分和以同步方式用于局部应力补偿组件的任何斩波、自动调零或DEM。
本公开所说明的实施例的以上描述，包括摘要中描述的内容，不意在是穷举的或将所公开的实施例限制为所公开的确切形式。尽管再在本文中出于说明性目的描述了特定实施例和示例，但是如相关领域技术人员可以认识到的，在这样的实施例和示例的范围内考虑的各种修改是可能的。
在这方面，尽管已经结合各种实施例和对应附图描述了所公开的主题，但是在适当时，应当理解，可以使用其他类似的实施例，或者可以对所描述的实施例进行修改和添加，以用于在不与公开的主题偏离的情况下执行所公开的主题的相同、类似、替代或替换的功能。因此，所公开的主题不应当被限制为在本文中描述的任何单个实施例，而是应当根据以下所附权利要求在宽度和范围方面被解释。
具体地，关于由上述组件或结构（套件、设备、电路、系统等）执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的组件的术语（包括对“装置”的提及）意在对应于执行所描述的组件的特定功能（例如，在功能上是等效）的任何组件或结构，即使在结构上不等同于执行本文中说明的示例性实现中的功能的所公开的结构。此外，尽管可能已经关于若干实现中的仅一个公开了具体特征，但是这样的特征可以与其他实现的一个或多个其他特征组合，如可能期望并且有利于任何给定或具体的应用的。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
参考电路，配置为生成至少一个参考信号，其中，参考电路包括具有局部应力补偿组件的第一集合，局部应力补偿组件被配置为补偿所述至少一个参考信号上的应力效应，其中，所述至少一个参考信号包括参考电压、参考电流或参考时钟频率中的至少一个；以及
全局应力补偿组件，包括一个或多个应力传感器，所述一个或多个应力传感器配置为感测与所述系统相关联的一个或多个应力分量，其中，全局应力补偿组件被配置为至少部分地基于感测的一个或多个应力分量来补偿所述至少一个参考信号上的应力效应。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，具有局部应力补偿组件的第一集合包括第一动态元件匹配（DEM）组件，第一动态元件匹配组件被配置为采用DEM来在参考电路的多个晶体管或参考电路的多个电阻器中的至少一个之间循环，以补偿所述至少一个参考信号上的应力效应。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，参考电路包括电流镜，电流镜包括多个晶体管，其中，具有局部应力补偿组件的第一集合包括第二动态元件匹配（DEM）组件，并且其中，第二DEM组件被配置为采用DEM来在电流镜的所述多个晶体管之间循环，以补偿所述至少一个参考信号上的应力效应。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，参考电路包括放大器或模拟到数字转换器（ADC）中的至少一个，其中，具有局部应力补偿组件的第一集合包括自动调零组件或斩波器中的至少一个，其中，自动调零组件或斩波器被配置为消除放大器或ADC的输入信号或输出信号的偏移。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个应力传感器包括多个应力传感器，其中，所述多个应力传感器中的至少两个被配置为感测所述一个或多个应力分量中的不同应力分量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个应力传感器包括多个应力传感器，并且其中，全局应力补偿组件包括具有局部应力补偿组件的第二集合，其中，具有局部应力补偿组件的第二集合包括动态元件匹配（DEM）组件，动态元件匹配组件配置为采用动态元件匹配（DEM）来在所述多个应力传感器之间循环，以补偿全局应力补偿组件上的应力效应。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，全局应力补偿组件包括至少一个温度传感器，所述至少一个温度传感器被配置为感测与所述系统相关联的至少一个温度，其中，全局应力补偿组件被配置为至少部分地基于感测的至少一个温度来补偿所述至少一个参考信号上的温度效应。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，全局应力补偿组件包括传感器模拟到数字转换器（ADC），传感器模拟到数字转换器基于感测的一个或多个应力分量来测量所述一个或多个应力分量。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，全局应力补偿组件包括具有局部应力补偿组件的第二集合，其中，具有局部应力补偿组件的第二集合包括传感器ADC自动调零组件或传感器ADC斩波器中的至少一个，其中，传感器ADC自动调零组件或传感器ADC斩波器被配置为消除传感器ADC的输入信号或输出信号的偏移。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，全局应力补偿组件包括补偿数字到模拟转换器（DAC），补偿数字到模拟转换器被配置为从传感器ADC接收输出信号，并且生成补偿输出信号，其中，全局应力补偿组件被配置为至少部分地基于调整所述参考电压来补偿所述至少一个参考信号上的应力效应，调整所述参考电压基于所述补偿输出信号。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括系统模拟到数字转换器（ADC）或系统时间到数字转换器（TDC），其中，系统ADC或系统TDC被配置为接收所述至少一个参考信号，并且包括具有本地应力补偿组件的第三集合，其中，具有本地应力补偿组件的第三集合包括系统转换器自动调零组件或系统转换器斩波器中的至少一个，其中，所述系统转换器自动调零组件或所述系统转换器斩波器被配置为消除系统ADC或系统TDC的输入信号或输出信号的偏移。
12.根据权利要求11所述的系统，进一步包括数字乘法器，数字乘法器被配置为接收系统ADC或系统TDC的输出信号，其中，数字乘法器进一步被配置为补偿所述至少一个参考信号上的应力效应或系统ADC或系统TDC上的应力效应中的至少一个。
13.根据权利要求1所述的系统，进一步包括系统放大器，系统放大器配置为接收所述至少一个参考信号，
其中，全局应力补偿组件包括数字可编程放大器或模拟乘法组件，其中，数字可编程放大器或模拟乘法组件被配置为补偿所述至少一个参考信号上的应力效应。
14.一种多芯片封装，包括根据权利要求1所述的系统，其中，多芯片封装以片堆叠配置来布置。
15.一种方法，包括：
经由参考电路来生成至少一个参考信号，其中，生成参考电压包括经由参考电路来补偿所述至少一个参考信号上的应力效应，其中，所述至少一个参考信号包括参考电压、参考电流或参考时钟频率中的至少一个；
经由至少一个应力传感器来感测至少一个应力分量；以及
基于感测的至少一个应力分量来补偿所述至少一个参考信号上的应力效应。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，经由参考电路来补偿在所述至少一个参考信号上的应力效应包括：采用动态元件匹配（DEM）以在参考电路的多个晶体管和参考电路的多个电阻器中的至少一个之间循环。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，经由参考电路来补偿在所述至少一个参考信号上的应力效应包括：在参考电路的放大器的输入信号或参考电路的放大器的输出信号中的至少一个处进行斩波或自动调零。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，感测至少一个应力分量包括感测至少两个不同的应力分量，并且其中，基于感测的至少一个应力分量来补偿所述至少一个参考信号上的应力效应包括：基于感测的至少两个不同的应力分量来补偿所述至少一个参考信号上的应力效应。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述至少一个应力传感器包括多个应力传感器，并且方法进一步包括采用动态元件匹配（DEM）来在所述多个应力传感器之间循环以补偿所述多个应力传感器上的应力效应。
20.一种应力补偿系统，包括：
第一电路，被配置为生成第一信号，其中，第一电路包括动态元件匹配、自动调零或斩波中的至少一个；以及
全局应力补偿组件，包括一个或多个应力传感器，所述一个或多个应力传感器被配置为感测与所述系统相关联的一个或多个应力分量，其中，全局应力补偿组件被配置为接收第一信号，并且补偿第一信号上的应力效应。
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