CN111766506A - 一种探测cmos工艺偏差的传感器集成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，包括工艺偏差检测电路、参考电压电路、迟滞比较器和编码电路，工艺偏差检测电路用于产生不随温度变化且只随工艺偏差变化的电压Vsen，电压Vsen反应CMOS工艺的变化情况；参考电压电路用于产生不随工艺和温度变化的参考电压，参考电压是由i个不同电压组成的电压组；迟滞比较器负责将工艺偏差检测电压Vsen与参考电压组的i个电压依次比较，得出一组数字信号，编码电路用于对迟滞比较电路的量化结果进行编码处理以供后级电路使用。本发明可精确判断出芯片的工艺偏差程度。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备、电子器件技术领域，尤其涉及一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路。
背景技术
近年来，随着CMOS半导体技术的持续发展，晶体管的特征尺寸不断缩小、芯片的集成度不断提高，但CMOS芯片在加工过程中所固有的工艺偏差问题也日趋严峻，工艺偏差对芯片电气性能、成品率等影响不断加大。工艺偏差检测电路通过对半导体器件(主要是晶体管)的某个工艺参数进行观察，检测出该工艺参数随工艺偏差的变化，并将该检测结果转换成相应的电压、电流、频率等信号，通过后级电路对检测结果进行处理，可精确判断出芯片的工艺偏差程度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路。
本发明采用的技术方案是：
一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其包括工艺偏差检测电路、参考电压电路、迟滞比较器和编码电路，工艺偏差检测电路用于产生不随温度变化且只随工艺偏差变化的电压Vsen，电压Vsen反应CMOS工艺的变化情况；参考电压电路用于产生不随工艺和温度变化的参考电压，参考电压是由i个不同电压组成的电压组Vref<i:1>；迟滞比较器负责将工艺偏差检测电压Vsen与参考电压组Vref<i:1>的i个电压依次比较，得出一组数字信号Vcom<i:1>，编码电路用于对迟滞比较电路的量化结果进行编码处理以供后级电路使用。
进一步地，参考电压是由i个电压组成的线性变化的电压组Vref<i:1>。
进一步的，工艺偏差检测电路为NMOS结构，其包括NMOS晶体管NM1，NMOS晶体管NM1的漏极和电阻R1的一端同时连接到电源上，NMOS晶体管NM1的栅极Vc1分别连接到电阻R1的另一端和电流源I1的输出端，NMOS晶体管NM1的源极连接到电流源I2的输出端并作为检测电压的输出端Vsen1，电流源I1的另一端和电流源I2的另一端都接到地端。
进一步地，工艺偏差检测电路为PMOS结构，其包括PMOS晶体管PM1，PMOS晶体管PM1的漏极和电阻R2的一端同时连接到地端，PMOS晶体管PM1的栅极Vc2和电阻R2的另一端分别连接电流源I3的输出端，PMOS晶体管PM1的源极连接到电流源I4的输出端并作为检测电压的输出端Vsen2，电流源I3的另一端和电流源I4的另一端都接到电源端。
进一步地，参考电压电路由n个等值片上poly电阻串联组成的电阻分压网络，其中n>i。
进一步地，迟滞比较器采用通用的CMOS迟滞比较器。
进一步地，编码电路采用传统的由与非门、或非门、反相器组成的组合逻辑编码电路。
本发明采用以上技术方案，将CMOS芯片在生产加工过程中由于受工艺偏差所带来的MOS管的电气性能变化转换成静态的电压值，然后利用一组不随工艺和温度偏差影响的参考电压对检测到的反应工艺偏差的电压信号进行量化，最后对量化后的数字信号进行编码后再输出。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；
图1为本发明一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路示意图；
图2为本发明工艺偏差检测电路的NMOS结构示意图；
图3为本发明工艺偏差检测电路的PMOS结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本发明公开了一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，包括四部分电路：工艺偏差检测电路、参考电压、迟滞比较器、编码电路。工艺偏差检测电路是本电路系统的核心部分，主要用于产生不随温度变化，而只随工艺偏差变化的电压Vsen，该电压即可反应CMOS工艺的变化情况；参考电压主要产生不随工艺、温度变化而变化的参考电压，该参考电压是由i个电压组成的线性变化的电压组Vref<i:1>；迟滞比较器负责将工艺偏差检测电压Vsen与参考电压组Vref<i:1>的i个电压依次比较，得出一组数字信号Vcom<i:1>，该比较过程称为量化过程；编码电路则对迟滞比较电路的量化结果进行编码处理，以供后级电路使用。
参考电压电路可以是通用的电路结构，如由n个(n>i)等值片上poly电阻串联组成的电阻分压网络，从而可产生i个不随温度和工艺偏差变化的电压。迟滞比较器可以是通用的CMOS迟滞比较器，如实用新型专利(授权公告号为CN201156726Y)《一种阈值可调节的CMOS迟滞比较器》所体电路。编码电路主要实现将温度计代码转换成后续电路所需要的代码类型，如二进制码、格雷码等，该电路为传统的由与非门、或非门、反相器等组成的组合逻辑编码电路。
如图2或图3所示，本发明所提工艺偏差检测电路有两种结构，NMOS结构和PMOS结构。如图2所示为NMOS结构，在NMOS结构中，NMOS晶体管NM1的漏极和电阻R1的一端同时连接到电源上，NM1的栅极Vc1连接到R1的另一端和电流源I1的输出端，NM1的源极连接到电流源I2的输出端并作为检测电压的输出端Vsen1，电流源I1的另一端和电流源I2的另一端都接到地端。
如图3所示为PMOS结构。在PMOS结构中，PMOS晶体管PM1的漏极和电阻R2的一端同时连接到地端，PM1的栅极Vc2连接到R2的另一端和电流源I3的输出端，PM1的源极连接到电流源I4的输出端作为检测电压的输出端Vsen2，电流源I3的另一端和电流源I4的另一端都接到电源端。
以NMOS结构为例分析工艺偏差检测电路的工作原理。Vc1电压可表示为：VDD-R1×I1＝Vc1，(VDD为电源电压值)，因此可以根据电阻R1的温度特性，通过选取具有相反温度特性的电流I1而得到不随温度的电压Vc1。如果不考虑沟道调制、短沟道等晶体管二级效应，晶体管NM1的沟道电流I2可以表示为：
I2＝k(Vgs-Vth)2 (1)
其中k为跟工艺参数和晶体管NM1的宽长比有关的常数，Vgs为晶体管NM1的栅源电压，Vth为晶体管NM1的阈值电压。NM1的栅源电压Vgs可表示为：
Vgs＝Vc1-Vsen1 (2)
因此，联合(1)和(2)式，可得到Vsen1的表达式：
晶体管NM1的阈值电压Vth同时受到工艺偏差和温度的影响，比如Vth随着温度的升高而变小，因此可以利用随温度升高而线性变大的电流源I2来抵消Vth随温度的变化量，由此可以获得不随温度变化的(Vth+sqrt(I2/k))，由于Vc1也是一个不随温度变化，只随工艺偏差变化的电压，因此Vsen1不受温度变化的影响，而只受工艺偏差的影响，即Vsen1可直接反映工艺偏差的变化。
本发明采用以上技术方案，将CMOS芯片在生产加工过程中由于受工艺偏差所带来的MOS管的电气性能变化转换成静态的电压值，然后利用一组不随工艺和温度偏差影响的参考电压对检测到的反应工艺偏差的电压信号进行量化，最后对量化后的数字信号进行编码后再输出。
尽管已经结合实施例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解的是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正、变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：包括工艺偏差检测电路、参考电压电路、迟滞比较器和编码电路，工艺偏差检测电路用于产生不随温度变化且只随工艺偏差变化的电压Vsen，电压Vsen反应CMOS工艺的变化情况；参考电压电路用于产生不随工艺和温度变化的参考电压，参考电压是由i个不同电压组成的电压组Vref<i:1>；迟滞比较器负责将工艺偏差检测电压Vsen与参考电压组Vref<i:1>的i个电压依次比较，得出一组数字信号Vcom<i:1>，编码电路用于对迟滞比较电路的量化结果进行编码处理以供后级电路使用。
2.根据权利要求1所述的一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：参考电压是由i个电压组成的线性变化的电压组Vref<i:1>。
3.根据权利要求1所述的一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：工艺偏差检测电路为NMOS结构，其包括NMOS晶体管NM1，NMOS晶体管NM1的漏极和电阻R1的一端同时连接到电源上，NMOS晶体管NM1的栅极Vc1分别连接到电阻R1的另一端和电流源I1的输出端，NMOS晶体管NM1的源极连接到电流源I2的输出端并作为检测电压的输出端Vsen1，电流源I1的另一端和电流源I2的另一端都接到地端。
4. 根据权利要求1所述的一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：工艺偏差检测电路为PMOS 结构，其包括PMOS晶体管PM1，PMOS晶体管PM1的漏极和电阻R2的一端同时连接到地端，PMOS晶体管PM1的栅极Vc2和电阻R2的另一端分别连接电流源I3的输出端，PMOS晶体管PM1的源极连接到电流源I4的输出端并作为检测电压的输出端Vsen2，电流源I3的另一端和电流源I4的另一端都接到电源端。
5.根据权利要求1所述的一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：参考电压电路由n个等值片上poly电阻串联组成的电阻分压网络，其中n>i。
6.根据权利要求1所述的一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：迟滞比较器采用通用的CMOS迟滞比较器。
7.根据权利要求1所述的一种探测CMOS工艺偏差的传感器集成电路，其特征在于：编码电路采用传统的由与非门、或非门、反相器组成的组合逻辑编码电路。
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