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Verfahren
und Messsystem zum Messen einer Verzögerungszeit eines Verzögerungselements in
einer integrierten Schaltung Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Messen einer Verzögerungszeit eines
Verzögerungselements
in einer integrierten Schaltung sowie ein Messsystem zum Durchführen der
Messung.
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In
integrierten Schaltungen werden zu vielfältigen Zwecken Verzögerungselemente
vorgesehen, die ein Signal um eine vorbestimmte Zeitdauer verzögern. Insbesondere
bei Ausgangsschnittstellen wird ein präzises Timing benötigt. Dazu
werden eine Reihe von Verzögerungselementen
mit Verzögerungszeiten
Pico-Sekundenbereich vorgesehen, die je nach Bedarf aktiviert werden
können,
um ein auszugebendes Signal um eine bestimmte Zeitdauer verzögern zu
können.
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Um
eine exakte Verzögerungszeit
einstellen zu können
und so das Signal-Timing exakt einzustellen, muss die Verzögerungszeit
jedes Verzögerungselementes
möglichst
genau bestimmt werden. Da insbesondere bei sehr geringen Verzögerungszeiten, insbesondere
solcher im Pico-Sekundenbereich, in einer integrierten Schaltung
diese nicht, oder sehr ungenau, oder nur mit erheblichem Aufwand
vermessen werden können,
ist somit eine solche Messung für
die Anwendung in einer Hochvolumenproduktion nicht geeignet, da
diese mit niedrigen Kosten und besonders geringem Aufwand betrieben
werden muss.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Messen
einer Verzögerungszeit eines
Verzögerungselements
in einer integrierten Schaltung zur Verfügung zu stellen, das sich insbesondere
zur Messung von sehr geringen Verzögerungszeiten eignet. Es ist
weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messsystem zur
Verfügung zu
stellen, mit dem die Verzögerungszeit
eines Verzögerungselementes
in einer integrierten Schaltung gemessen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch das
Messsystem nach Anspruch 4 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen
einer Verzögerungszeit
eines Verzögerungselementes
in einer integrierten Schaltung vorgesehen. Zum Messen der Verzögerungszeit
wird ein Ausgang des Verzögerungselements
mit einem Eingang des Verzögerungselements
gekoppelt, so dass ein Ringoszillator gebildet wird und beim Betreiben
eine Schwingung entsteht, deren Schwingungsparameter von der Verzögerungszeit
abhängt.
Der Schwingungsparameter wird gemessen, wobei abhängig von
dem gemessenen Schwingungsparameter die Verzögerungszeit ermittelt wird.
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Die
Erfindung sieht vor, die Verzögerungszeit eines
Verzögerungselements
dadurch zu messen, dass das Verzögerungselement
sich in einem Schwingkreis befindet, der durch eine Rückkopplung von
dem Ausgang des Verzögerungselements
zu dem Eingang des Verzögerungselements
gebildet wird. Dies wird so durchgeführt, dass ein an dem Eingang
des Verzögerungselements
anliegendes Signal durch das Verzögerungselement propagiert und dann
auf den Ausgang rückgeführt wird,
wobei das Signal entweder durch das Verzögerungselement oder durch die
Rückkopplung
invertiert wird, so dass ein Ringoszillator gebildet wird. Ist das
Verzögerungselement
Teil eines Ringoszillators, so wechselt das am Eingang des Verzögerungselements
anliegende Signal etwa nach jeder halben Periodendauer seinen Signalpegel.
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Die
Schwingungsparameter, wie z.B. Frequenz, Periodendauer und dgl.
sind messbar und von der Verzögerungszeit
des Verzögerungselements abhängig. Im
Wesentlichen entspricht die Verzögerungszeit
der halben Periodendauer einer Schwingung, wenn durch die Rückkopplung
entstehende Verzögerungszeiten
unberücksichtigt
bleiben. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin,
dass Schwingungen einfacher gemessen werden können als sehr kleine Zeitdauern,
insbesondere dann, wenn die Zeitdauern sehr klein sind, d.h. im
Pico-Sekundenbereich
liegen. In diesem Fall ist die resultierende Schwingfrequenz sehr
hoch. Diese kann jedoch durch Frequenzteiler reduziert werden und
so in einen Frequenzbereich gebracht werden, der auf einfache Weise
messbar ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
das Koppeln des Ausgangs des Verzögerungselements mit dem Eingang
des Verzögerungselements
zum Messen der Verzögerungszeit
abhängig von
einem Testsignal durchgeführt
werden. Auf diese Weise kann die Verzögerungszeit des Verzögerungselementes
in einem von dem Testsignal bestimmten Testmodus bestimmt werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Messsystem zum
Messen einer Verzögerungszeit
eines Verzögerungselements vorgesehen.
Das Messsystem weist eine Rückkopplungsschaltung
zum Herstellen einer Rückkopplung zwischen
einem Ausgang und einem Eingang des Verzögerungselements auf, um einen
Ringoszillator zu bilden, der gemäß einem Schwingungsparameter schwingt,
der von der Verzögerungszeit
des Verzögerungselements
abhängt.
Weiterhin weist das Messsystem eine Messschaltung zum Bestimmen des
Schwingungsparameters und zum Ermitteln der Verzögerungszeit abhängig von
dem bestimmten Schwingungsparameter auf.
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Das
erfindungsgemäße Messsystem
hat den Vorteil, dass es in einfacher Weise ganz oder teilweise
in der integrierten Schaltung integriert werden kann. Dazu müssen die
Verzögerungselemente
mit der Rückkopplungsschaltung
versehen sein, die mit der Messschaltung, die entweder ebenfalls
integriert oder extern vorgesehen sein kann, verbunden ist. Durch
das Bilden eines Ringoszillators kann bei angelegter Versorgungsspannung
eine Schwingung festgestellt werden, deren Schwin gungsparameter von
der Verzögerungszeit
des Verzögerungselements
abhängt.
Daraus lässt
sich in einfacher Weise die Verzögerungszeit
des Verzögerungselements
bestimmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform kann
die Rückkopplungsschaltung
einen Multiplexer aufweisen, um abhängig von einem Testsignal den Ausgang
auf den Eingang des Verzögerungselements
rückzukoppeln.
Auf diese Weise lässt
sich die Verzögerungsschaltung
aus dem Signalpfad auskoppeln und in einem durch das Testsignal
angegebenen Testmodus das Messen der Verzögerungszeit des Verzögerungselements
vornehmen.
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Vorzugsweise
kann die Messschaltung über einen
Frequenzteiler mit der Rückkopplungsschaltung
verbunden sein, um einen Schwingungsparameter der geteilten Schwingung
zu messen und daraus den Schwingungsparameter des Ringoszillators zu
bestimmen. Da bei sehr kleinen Verzögerungszeiten die Frequenz
der Schwingung sehr hoch sein kann, ist es sinnvoll, die Frequenz
der zu messenden Schwingung zu reduzieren, um Störabstrahlungen und Signaldämpfungen
zu vermeiden, die das Messen des Schwingungsparameters beeinträchtigen können.
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Die
Messschaltung kann als Schwingungsparameter eine Frequenz der Schwingung
des Ringoszillators, eine Periodendauer der Schwingung des Ringoszillators
oder eine Anzahl von Schwingungen während einer vorbestimmten Zeitdauer
messen, um die Verzögerungszeit
des Verzögerungselements
zu ermitteln.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen;
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1 beispielhaft
eine Verzögerungsschaltung
für ein
Signal in einer integrierten Schaltung;
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2 ein
erfindungsgemäßes Messsystem gemäß einer
ersten Ausführungsform,
und
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3 ein
erfindungsgemäßes Messsystem gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
beispielhaft ein einstellbares Verzögerungselement 4 mit
einem ersten Treiber 1 und einem zweiten Treiber 2 dargestellt.
Der Ausgang des ersten Treibers 1 ist über eine Verzögerungsleitung 3 mit
einem Eingang des zweiten Treibers 2 verbunden. Das Verzögerungselement 4 bewirkt
eine Signalverzögerung
von einem an einem Eingang des ersten Treibers 1 anliegenden
Signal zu einem Ausgang des zweiten Treibers 2.
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Die
Verzögerungsleitung 3 ist
mit einem schaltbaren Kapazitätsfeld
mit vier Kapazitäten
C1, C2, C3, C4 verbunden, die über
jeweilige Transistoren T1, T2, T3, T4 ein- bzw. ausschaltbar mit
der Verzögerungsleitung 3 gekoppelt
sind. Je nach Schaltzustand der Transistoren T1, T2, T3, T4 ist
die kapazitive Last an der Verzögerungsleitung 3 einstellbar und
somit die Signalverzögerung,
die sich aus der Gesamtkapazität
des Kapazitätsfeldes,
der Ausgangsimpedanz des Treibers 1 und dem Widerstandswert
der Verzögerungsleitung 3 sowie
aus der Eingangsimpedanz des Eingangs des zweiten Treibers 2 ergibt.
Ein solches Verzögerungselement
wird beispielsweise in einer Ausgangsschaltung einer integrierten
Schaltung verwendet, um ein Ausgangssignal mit einem definierten
zeitlichen Bezug auszugeben.
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Das
dargestellte Verzögerungselement 4 stellt
ein nicht invertierendes Verzögerungselement dar,
bei dem am Ausgang des zweiten Treibers nach der Verzögerungszeit
im Wesentlichen der gleiche logische Signalpegel anliegt, der an
den Eingang des ersten Treibers 1 angelegt worden ist.
Häufig
sind auch Verzögerungselemente
vorgesehen, die ein Signal von ihrem Eingang zu ihrem Ausgang invertieren.
Auch sind viele verschiedenartig aufgebaute Verzögerungselemente denkbar, die
in Verbindung mit dem nachfolgend beschriebenen Messsystem verwendet
werden können.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßes Messsystem
mit einer Rückkopplungsschaltung 5 und
einer Messschaltung 6 dargestellt. Die Rückkopplungsschaltung 5 weist
im gezeigten Beispiel eine Rückkopplungsleitung 7 und
einen Multiplexer 8 auf, der über ein Testsignal ST steuerbar
ist. Das Testsignal ST gibt an, ob in einem Testmodus die Verzögerungszeit
des Verzögerungselements
gemessen werden soll, oder ob das Verzögerungselement zum Verzögern eines
bestimmten Signals der integrierten Schaltung in üblicher
Weise verwendet werden soll.
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Die
Messschaltung 6 ist mit dem Eingang des Verzögerungselements
verbunden, um in dem Testmodus einen Schwingungsparameter einer durch
die Rückkopplungsschaltung 5 bewirkten Schwingung
zu messen. Die Messschaltung 6 kann auch an einer anderen
Stelle mit der Rückkopplungsschaltung 5 oder
dem Verzögerungselement 4 verbunden
sein, z.B. mit dem Ausgang des Verzögerungselements, um den Schwingungsparameter
der entstehenden Schwingung zu messen.
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Das
Verzögerungselement 4 bildet
mit der Rückkopplungsschaltung 5 einen
Ringoszillator, der im Wesentlichen darauf beruht, dass ein durch
das Verzögerungselement 4 und
die Rückkopplungsschaltung 5 propagierendes
Signal nach einem Durchlauf invertiert an den Eingang des Verzögerungselementes 4 angelegt
wird. D.h., wird eine logische „0" an den Eingang des Verzögerungselements 4 angelegt,
so durchläuft
das entsprechende Signal das Verzögerungselement 4 und
die Rückkopplungsschleife 5 und
liegt nach der entsprechenden Signallaufzeit invertiert als eine
logische „1" an dem Eingang des
Verzögerungselementes 4 an.
Die Invertierung kann dabei sowohl in dem Verzögerungselement 4 als
auch in der Rückkopplungsschaltung 5 erfolgen.
Die Rückkopplungsschaltung 5 ist
nicht invertierend ausgeführt,
wenn das Verzögerungselement 4 das
anliegende Signal invertiert, und ist invertierend ausge führt, wenn
das Verzögerungselement 4 das
anliegende Signal nicht invertiert.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
erfolgt die Invertierung in der Rückkopplungsschaltung 5,
indem ein erster Eingang des Multiplexers 8 als invertierender
Eingang ausgeführt
ist.
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Wird
ein Testmode durch das Steuersignal ST angezeigt, bei dem die Verzögerungszeit
des Verzögerungselements 4 bestimmt
werden soll, so wird der Multiplexer 8 so geschaltet, dass
der Ausgang des Verzögerungselements 4 mit
dem Eingang des Verzögerungselements 4 über die
Rückkopplungsleitung 7 und
den Multiplexer 8 gekoppelt wird. Bei anliegender Versorgungsspannung
fängt der
so gebildete Ringoszillator zu schwingen an, wobei sich die Schwingfrequenz
aus den Signallaufzeiten des Verzögerungselements 4 und
der Rückkopplungsschaltung 5 ergibt.
Da in der Regel die Signallaufzeit in der Rückkopplungsschaltung 5 gegenüber der
Verzögerungszeit
des Verzögerungselements 4 vernachlässigbar
ist, ergibt sich eine Schwingfrequenz, die direkt durch die Verzögerungszeit
des Verzögerungselements 4 bestimmt
ist. Dabei entspricht die Periodendauer der Schwingung im Wesentlichen
dem Doppelten der Verzögerungszeit
des Verzögerungselements 4.
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Die
Messschaltung 6 erfasst einen Schwingungsparameter der
Schwingung, wie beispielsweise die Frequenz, die Periodendauer oder
dgl. und ermittelt daraus die Verzögerungszeit des Verzögerungselements 4.
Die Messschaltung 6 stellt die ermittelte Verzögerungszeit
einer (nicht gezeigten) Verarbeitungseinheit zur Verfügung, die
entweder intern in der integrierten Schaltung oder extern in der
integrierten Schaltung vorgesehen sein kann. Beim Normalbetrieb
dient das Verzögerungselement 4 der
Verzögerung
eines an seinem Eingang anliegenden Signals bezüglich seines Ausgangs, z.B.,
um ein Signal-Timing einzustellen. In diesem Fall wird das Steuersignal
ST so geschaltet, dass ein zweiter Eingang des Multiplexers 8 mit
dem Eingang des Verzögerungselements 4 verbunden
wird, so dass ein an dem zweiten Eingang des Multiplexers 8 anliegendes
Signal an den Eingang des Verzögerungselements 4 weitergereicht
wird.
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Bei
Verwendung eines verstellbaren Verzögerungselements 4,
das entsprechend dem in 1 dargestellten Verzögerungselement
zu- und abschaltbare Kapazitäten
aufweist, kann das Verhalten eines solchen Verzögerungselements durch Messen von
verschiedenen Konfigurationen von an der Verzögerungsleitung 3 angeschlossenen
Konfigurationen bestimmt werden und somit das Verhalten des Verzögerungselements
genauer bestimmt werden.
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Die
Messschaltung 6 kann den Schwingungsparameter auf verschiedene
Weise messen. So kann beispielsweise ein rücksetzbarer Zähler die Perioden
der Schwingung des Ringoszillators zählen und gibt ein Signal aus,
nach dem der Ringoszillator Schwingungen ausgeführt hat. Der Zeitpunkt dieses Signals
wird gemessen, wobei sich aus der gemessenen Zeit und der Anzahl
der Schwingungen die zweifache Verzögerungszeit des Verzögerungselements 4 bestimmen
lässt.
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Weiterhin
kann vorgesehen sein, dass die Messschaltung einen Frequenzzähler aufweist,
der die Frequenz der Schwingung des Ringoszillators in direkter
Weise misst.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Messsystems
für mehrere Verzögerungselemente 4 dargestellt.
Wird die Messschaltung 6 in der integrierten Schaltung
integriert ausgeführt,
so ist es nicht notwendig, für
jedes Verzögerungselement 4 eine
eigene Messschaltung 6 vorzusehen. Vielmehr ist es möglich, die
mehreren Verzögerungselemente 6 jeweils
mit Rückkopplungsschaltungen 5 zu
versehen, die selektiv über
einen zweiten Multiplexer 9 mit der Messschaltung 6 gekoppelt,
so dass der Schwingungsparameter in der Messschaltung 6 messbar
ist. Die Verzögerungselemente 4 sind
im Wesentlichen auf die gleiche Weise, wie bereits in der Ausführungsform
der 2 dargestellt, mit der Rückkopplungsschaltung 5 verbunden, so
dass eine Rückkopplung
in Form eines Ringoszillators entsteht. Jede der Rückkopplungsschaltungen weist
den Multiplexer auf, der in der vorab beschriebenen Weise durch
das Testsignal ST angesteuert werden kann, so dass beim Messen der
Verzögerungszeit
der Ringoszillator gebildet wird, wobei eine Schwingung entsteht.
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Die
Ausgänge
der Verzögerungselemente sind
jeweils über
Frequenzteiler 10 mit Eingängen des zweiten Multiplexers 9 verbunden.
Der zweite Multiplexer 9 schaltet gemäß einem beispielsweise von
der Messschaltung 6 bereitgestellten Auswahlsignal SA einen
Ausgang eines jeweiligen Frequenzteilers 10 auf einen Messeingang
der Messschaltung 6, so dass die Messschaltung 6 einen
oder mehrere Schwingungsparameter bestimmen kann. Die Frequenzteiler 10 sind
vorgesehen, um bei Verzögerungselementen
mit einer geringen Verzögerungszeit die
dadurch entstehenden hohen Schwingfrequenzen der Oszillatoren herunterzuteilen
und der Messschaltung 6 somit eine Frequenz zur Verfügung zu stellen,
die diese in optimaler Weise, d.h. möglichst genau und schnell messen
kann. Die Frequenzteiler 10 sind vorzugsweise nahe dem
durch das Verzögerungselement 4 und
die Rückkopplungsschaltung
gebildeten Ringoszillator angeordnet, so dass nur kleine Bereiche
in der integrierten Schaltung mit der sehr hohen Schwingfrequenz
beaufschlagt werden. Somit lässt
sich die Störabstrahlung
aufgrund hoher Schwingfrequenzen der Ringoszillatoren reduzieren.
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Grundsätzlich ist
die Messschaltung 6 geeignet, einen Schwingungsparameter
zu ermitteln, der Rückschlüsse auf
die Verzögerungszeit
des Verzögerungselements 4 erlaubt.
Dies kann im allgemeinen durch das Messen der Schwingfrequenz bzw. der
Periodendauer erreicht werden, wobei die Periodendauer im Wesentlichen
dem Doppelten der Verzögerungszeit
des Verzögerungselements 4 entspricht.
Insbesondere bei Verzögerungselementen 4 mit
sehr geringer Verzögerungsdauer
können
die Signallaufzeiten durch die jeweilige Rückkopplungsschaltung 5 nicht
vernachlässigt
werden. Dies kann entsprechend in der Messschaltung 6 beim
Bestimmen der Verzögerungszeit
berücksichtigt
werden. Die gemessene Verzögerungszeit
kann über
eine Ausgangsleitung 11 mit einer automatischen Testeinrichtung
verbunden werden, die extern der integrierten Schaltung angeordnet
ist und mithilfe der Verzögerungszeit
in der integrierten Schaltung vorzunehmende Einstellungen bestimmt.
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Selbstverständlich sind
die Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen in beliebiger
Weise miteinander kombinierbar. So lässt sich z.B. der Frequenzteiler 10 auch
in der Ausführungsform
der 2 vorsehen.
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- 1
- erster
Treiber
- 2
- zweiter
Treiber
- 3
- Verzögerungsleitung
- 4
- Verzögerungselement
- 5
- Rückkopplungsschaltung
- 6
- Messschaltung
- 7
- Rückkopplungsleitung
- 8
- Multiplexer
- 9
- zweiter
Multiplexer
- 10
- Frequenzteiler
- 11
- Ausgangsleitung