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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Moderne
Elektroniksysteme, beispielsweise Handys, Digitalkameras und PDA
(Personal Digital Assistants), verlangen immer stärker nach
hochintegrierten und energieeffizienten Halbleiterschaltungen. Um
diesen Anforderungen zu genügen,
wird die physikalische Größe von Feldeffekttransistoren (FETs)
innerhalb der Halbleiterschaltungen reduziert. Weiterhin wird die
Spannungsversorgung reduziert, um Strom zu sparen sowie den Anforderungen
der Reduktion bei der physikalischen Größe der FETs zu genügen und
um eine Vergrößerung von
elektrischen Feldern von skalierten FETs zu vermeiden.
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Wegen
der schrumpfenden Größe und der Reduktion
der Spannung werden die FETs anfälliger für Verschlechterungseffekte
wie etwa NBTI (Negative Bias Temperature Instability – Stabilität unter
negativer Gatespannungsbelastung), HCI (Hot Carrier Instability – Stabilität der heißen Ladungsträger) und PBTI
(Positive Bias Temperature Instability – Stabilität unter positiver Gatespannungsbelastung).
Diese Verschlechterungseffekte treten über die Lebensdauer der Halbleiterschaltungen
hinweg auf und werden durch hohe Temperaturen, hohe Spannungen und eine
hohe Anzahl von Schaltereignissen in digitalen Schaltungen beschleunigt.
NBTI verursacht eine Verschiebung einer Schwellwertspannung (VT)
eines p-Kanal- Feldeffekttransistors
(pFET), und analog bewirkt PBTI eine Verschiebung von VT in einem
n-Kanal-Feldeffekttransistor (nFET). HCI beeinflußt die Mobilität von Ladungsträgern in
FETs und wird durch Schaltereignisse in den Digitalschaltungen verursacht,
wenn Eingangs- und Ausgangsknoten eines Logikgatters ihre logischen
Zustände ändern.
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Um
eine Fehlfunktion einer Halbleiterschaltung zu vermeiden, muß die Verschlechterung
der Halbleiterschaltung überwacht
werden. Fehlfunktionen, die aufgrund einer Verschlechterung auftreten können, beinhalten
eine Reduktion der Schaltgeschwindigkeit von Digitalschaltungen,
eine relative Verzögerungsverschiebung
von synchronen Signalen innerhalb einer Halbleiterschaltung, wie
etwa Taktsignalen an verschiedenen Teilen der Halbleiterschaltung,
oder eine vollständige
Nichtfunktionalität von
Pipeline-Schaltungen
aufgrund von Haltezeitvariationen.
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Zur
Lösung
der vorstehend benannten Probleme bzw. Nachteile des Standes der
Technik werden erfindungsgemäß eine Schaltungsanordnung, ein
Halbleiterbauelement sowie ein Verfahren vorgeschlagen.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
umfasst:
eine Test- bzw. Prüfschaltung,
die konfiguriert ist, synchron mit einem Takt in einem ersten Modus
zu arbeiten, wobei die Prüfschaltung
weiterhin konfiguriert ist, asynchron bezüglich des Takts in einem zweiten
Modus zu arbeiten; und eine Referenzschaltung, die konfiguriert
ist, asynchron bezüglich
der Prüfschaltung
in dem zweiten Modus zu arbeiten.
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Die
Referenzschaltung ist vorzugsweise konfiguriert, in dem ersten Modus
blockiert zu sein. Bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Schaltungsanordnung
ist die Referenzschaltung an eine Versorgungsspannung gekoppelt,
wobei die Referenzschaltung blockiert wird, indem die Referenzschaltung
von der Versorgungsspannung getrennt wird.
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Vorzugsweise
umfasst jede Prüfschaltung und
Referenzschaltung mindestens ein Speicherelement und mindestens
eine Stufe einer kombinatorischen Logik, wobei ein Ausgang der kombinatorischen
Logik in dem zweiten Modus an einen Takteingang des Speicherelementes
gekoppelt ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Schaltungsanordnung umfasst eine Evaluierungsschaltung, die
an einen Ausgang der Prüfschaltung und
an einen Ausgang der Referenzschaltung gekoppelt ist.
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Vorzugsweise
ist die Evaluierungsschaltung konfiguriert, um auf der Basis eines
am Ausgang der Prüfschaltung
bereitgestellten Signals und eines an dem Ausgang der Referenzschaltung
bereitgestellten weiteren Signals eine Differenzfrequenzmessung durchzuführen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung umfasst die Evaluierungsschaltung einen an den Ausgang
der Prüfschaltung
gekoppelten ersten Zähler
und einen an den Ausgang der Referenzschaltung gekoppelten zweiten
Zähler.
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Bevorzugt
umfasst die Evaluierungsschaltung weiterhin einen an den Takt gekoppelten
dritten Zähler.
Der Takt ist vorzugsweise ein gattergesteuerter Takt.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Funktionsschaltung,
die konfiguriert ist, mit dem Takt zu arbeiten, wobei die Prüfschaltung
und die Funktionsschaltung an eine gemeinsame Versorgungsspannung
gekoppelt sind. Die Versorgungsspannung ist bevorzugt eine geschaltete
Versorgungsspannung, wobei die Versorgungsspannung konfiguriert
ist, zu der Prüfschaltung
und zu der Funktionsschaltung im Wesentlichen zur gleichen Zeit
in dem ersten Modus ein- und ausgeschaltet zu werden. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der erste Modus ein Modus bei dem Bauelemente
der Prüfschaltung
einer Alterung unterworfen sind und wobei der zweite Modus ein Meßmodus ist.
Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Schaltungsanordnung eine Funktionsschaltung, die
an eine Versorgungsspannung gekoppelt und konfiguriert ist, von
der Versorgungsspannung getrennt zu werden;
eine Test- bzw.
Prüfschaltung,
die an die Versorgungsspannung gekoppelt ist und in einem ersten Modus
konfiguriert ist, im wesentlichen zur gleichen Zeit von der Versorgungsspannung
getrennt zu werden, wie die Funktionsschaltung von der Versorgungsspannung
getrennt wird; und eine Referenzschaltung, die konfiguriert ist,
in dem ersten Modus von der Versorgungsspannung getrennt zu werden, wobei
die Referenzschaltung weiterhin konfiguriert ist, in einem zweiten
Modus mit der Versorgungsspannung verbunden zu werden. Bevorzugt
ist die Funktionsschaltung konfiguriert, mit einem Takt zu arbeiten,
wobei die Prüfschaltung
konfiguriert ist, im ersten Modus synchron mit dem Takt zu arbeiten,
und wobei die Prüfschaltung
weiterhin konfiguriert ist, in dem zweiten Modus asynchron bezüglich des
Takts zu arbeiten. Vorzugsweise ist die Referenzschaltung konfiguriert,
asynchron bezüglich
der Prüfschaltung gemäß dem Signal
mit dem zweiten Modus zu arbeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement, eine belastete Test-
bzw. Prüfschaltung,
die konfiguriert ist, in einem Belastungsmodus synchron mit einem
Takt zu arbeiten, bei dem Bauelemente der belasteten Prüfschaltung
einer Alterung unterworfen sind, wobei die belastete Prüfschaltung
weiterhin konfiguriert ist, in einem Meßmodus asynchron bezüglich des
Takts zu arbeiten;
eine unbelastete Referenzschaltung, die
konfiguriert ist, in dem Belastungsmodus blockiert zu werden, wobei
die unbelastete Referenzschaltung weiterhin konfiguriert ist, in
dem Meßmodus
asynchron bezüglich
der belasteten Prüfschaltung
zu arbeiten; und eine Evaluierungsschaltung, die konfiguriert ist,
auf der Basis eines Ausgangs der belasteten Prüfschaltung und eines Ausgangs
der unbelasteten Referenzschaltung eine Differenzfrequenzmessung durchzuführen. Das
erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
umfasst vorzugsweise weiterhin eine in der Nähe der belasteten Prüfschaltung
angeordnete Funktionsschaltung, wobei die Funktionsschaltung konfiguriert
ist, mit dem Takt zu arbeiten, wobei die belastete Prüfschaltung
und die Funktionsschaltung an die gleiche Versorgungsspannung gekoppelt
sind. Bevorzugt ist, jede belastete Prüfschaltung und unbelastete
Referenzschaltung konfiguriert, in dem Meßmodus in einer Oszillatortopologie
zu arbeiten.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
umfasst folgende Schritte:
Schalten in einen ersten Betriebsmodus;
Blockieren
einer Referenzschaltung;
Liefern eines Takts an eine Test-
bzw. Prüfschaltung;
Schalten
zu einem zweiten Betriebsmodus;
Freigeben der Referenzschaltung;
Trennen
des Takts von der Prüfschaltung
und Durchführen
einer Differenzfrequenzmessung auf der Basis eines Ausgangs der
Testschaltung und eines Ausgangs der Referenzschaltung. Gemäß einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
umfasst jede Testschaltung und Referenzschaltung mindestens ein
Speicherelement und mindestens eine Stufe einer kombinatorischen
Logik, wobei das Verfahren weiterhin folgendes umfasst:
Koppeln
eines Ausgangs der mindestens einen Stufe einer kombinatorischen
Logik an einen Eingang des mindestens einen Speicherelements in
dem zweiten Betriebsmodus.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens umfasst weiterhin die Schritte:
Kalibrieren
der Testschaltung und der Referenzschaltung;
Speichern eines
Kalibrierungswerts in einem Speicherelement und Einstellen eines
Ergebnisses der Differenzfrequenzmessung auf der Basis des Kalibrierungswerts.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt:
Einstellen eines
Betriebsparameters einer Funktionsschaltung auf der Basis eines
Ergebnisses der Differenzfrequenzmessung. Der Betriebsparameter
ist vorzugsweise eine Versorgungsspannung, eine Frequenz oder eine
Body-Bias-Spannung.
Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein System, eine Funktionsschaltung, die konfiguriert ist,
mit einem Systemtakt zu arbeiten;
eine Test- bzw. Prüfschaltung,
die konfiguriert ist, in einem ersten Modus synchron mit dem Systemtakt zu
arbeiten, wobei die Prüfschaltung
weiterhin konfiguriert ist, in einem zweiten Modus asynchron bezüglich des
Systemtakts zu arbeiten;
eine Referenzschaltung, die konfiguriert
ist, in dem zweiten Modus asynchron bezüglich der Prüfschaltung
zu arbeiten; eine Evaluierungsschaltung, die konfiguriert ist, auf
der Basis eines Ausgangs der Prüfschaltung
und eines Ausgangs der Referenzschaltung eine Differenzfrequenzmessung
durchzuführen;
und eine Regelschaltung, die konfiguriert ist, als Reaktion auf
einen Ausgang der Evaluierungsschaltung einen Betriebsparameter
der Funktionsschaltung einzustellen. Der Betriebsparameter ist bevorzugt
eine Versorgungsspannung, eine Frequenz oder eine Body-Bias-Spannung.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Es versteht sich, dass die
vorstehend genannten und die nachstehend und zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen
in den Zeichnungen dargestellt und wird in folgendem unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen näher
erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
ausführliche
Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren
beschrieben. In den Figuren identifiziert die ganz links stehende
Stelle einer Bezugszahl diejenige Figur, in der die Bezugszahl zuerst
erscheint. Die Verwendung von ähnlichen
Bezugszahlen in unterschiedlichen Fällen in der Beschreibung und
den Figuren kann ähnliche oder
identische Elemente angeben.
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1 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit einer Prüfschaltung
und einer Referenzschaltung.
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2 zeigt
eine beispielhaft Schaltungsanordung mit einer Prüfschaltung,
einer Referenzschaltung und einer Funktionsschaltung.
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3 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordung mit einer Prüfschaltung,
einer Referenzschaltung und einer Evaluationsschaltung.
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4 zeigt
eine weitere beispielhafte Schaltungsanordnung, die der Schaltungsanordnung
von 3 ähnlich
ist.
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5 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordnung gemäß einer der Implementierungen
wie in 1-4 ausführlicher dargestellt.
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6 zeigt
eine weitere beispielhafte Schaltungsanordnung, die der Schaltungsanordnung
von 5 ähnlich
ist.
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7 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordnung mit einer Referenzschaltung
und drei Prüfschaltungen.
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8 zeigt
ein System mit einer Prüfschaltung,
einer Referenzschaltung, einer Evaluationsschaltung und einer Regelschaltung.
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9 zeigt
ein Flußdiagramm,
das eine Anzahl von Operationen enthält, die einen Alterungszustand
einer Schaltung bestimmen. Beispielhafte Ausführungsformen
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1 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordnung 100 mit einer Test- bzw. Prüfschaltung 102 und
einer Referenzschaltung 104. Die Schaltungsanordnung 100 kann
in einem ersten Modus oder in einem zweiten Modus arbeiten. Der
Modus kann über ein
Signal 106 eingestellt werden, das hierin als „Modussignal” bezeichnet
werden kann. In dem ersten Modus arbeitet die Prüfschaltung 102 synchron
mit einem Takt 108, und im zweiten Modus arbeitet die Prüfschaltung 102 asynchron
bezüglich
des Takts 108. Weiterhin arbeitet die Referenzschaltung 104 im zweiten
Modus asynchron bezüglich
der Prüfschaltung 102.
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Der
Takt 108 kann ein lokaler Systemtakt von einer oder mehreren
Funktionsschaltungen sein, die alle zu einem gemeinsamen Taktbereich
eines Halbleiterbauelements gehören.
Das heißt,
jede der einen oder mehreren Funktionsschaltungen kann von dem Takt 108 getaktet
werden. Bei einer Implementierung kann der Takt 108 ein
gattergesteuerter Takt sein. Um einen Stromverbrauch des Halbleiterbauelements
zu reduzieren, kann der Takt 108 während Zeitperioden abgeschaltet
werden, wenn eine Funktionalität
der einen oder mehreren Funktionsschaltungen nicht erforderlich
ist. In dem ersten Modus ist die Prüfschaltung 102 an
den Takt 108 gekoppelt, und deshalb können sie die gleiche Taktaktivität wie eine
Funktionsschaltung erfahren, die zum Taktbereich des Takts 108 gehört. Einrichtungen
der Prüfschaltung 102 können entsprechend
einer Aktivität
des Takts 108 einer Alterung unterworfen sein. Deshalb
kann die Prüfschaltung 102 eine
Darstellung eines Alterungszustands einer Funktionsschaltung bezüglich der
Taktaktivität
liefern. Die Prüfschaltung 102 kann als „belastete
Prüfschaltung” oder „gealterte
Prüfschaltung” bezeichnet
werden.
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Im
zweiten Modus ist die Prüfschaltung 102 von
dem Takt 108 entkoppelt, und sie arbeitet asynchron bezüglich des
Takts 108. Im zweiten Modus kann ein Alterungszustand der
Prüfschaltung 102 beispielsweise
durch Messen einer Leistung der Prüfschaltung 102 bestimmt
werden. Der zweite Modus kann als ein „Meßmodus” bezeichnet werden.
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Bei
einer Implementierung kann die Prüfschaltung 102 eine ähnliche
oder eine identische Struktur wie eine Funktionsschaltung oder ein Schaltungsweg
der Funktionsschaltung eines Halbleiterbauelements aufweisen. Beispielsweise
kann die Prüfschaltung 102 einen
Schaltungsweg enthalten, der einem kritischen Weg einer Funktionsschaltung entspricht,
und die Funktionsschaltung kann zu dein Taktbereich des Takts 108 gehören. In
diesem Fall kann die Prüfschaltung 102 eine
Darstellung eines Alterungszustands einer Funktionsschaltung bezüglich der
Struktur sowie bezüglich
der Taktaktivität
liefern. Mit anderen Worten können
die Prüfschaltung 102 und
die Alterung der Prüfschaltung 102 für ein Halbleiterbauelement
oder für
einen Teil des Halbleiterbauelements spezifisch sein.
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Im
allgemeinen kann die Schaltungsanordnung 100 dazu implementiert
werden, eine Alterung eines Halbleiterbauelements oder eines Teils
des Halbleiterbauelements über
die Prüfschaltung 102 zu überwachen.
In dem Meßmodus
kann ein Alterungszustand der Prüfschaltung 102 dadurch
bestimmt werden, daß die
Leistung der Prüfschaltung 102 mit einer
Leistung der Referenzschaltung 104 verglichen wird. Die
Referenzschaltung 104 kann asynchron bezüglich der
Prüfschaltung 102 arbeiten,
und sie kann asynchron bezüglich
des Takts 108 arbeiten.
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Bei
einer Implementierung kann die Referenzschaltung 104 die
gleiche Struktur wie die Prüfschaltung 102 besitzen.
Eine identische Struktur der Prüfschaltung 102 und
der Referenzschaltung 104 können einen direkten Vergleich
der Leistung der Prüfschaltung 102 mit
einer Leistung der Referenzschaltung 104 gestalten. Deshalb
kann der Vergleich über
eine einfache Schaltung vorgenommen werden, und die Vergleichsoperation
kann schnell ausgeführt werden.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Schaltungsdiagramm 200 mit einer Test- bzw. Prüfschaltung 202, einer
Referenzschaltung 204 und einer Funktionsschaltung 210.
Die Schaltungsanordnung 200 kann in einem ersten Modus
oder in einem zweiten Modus arbeiten. Der Modus kann durch ein Modussignal 206 bestimmt
werden. Wie in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde, kann der erste Modus als ein „Belastungsmodus” und der
zweite Modus als ein „Meßmodus” bezeichnet
werden. Weiterhin kann, wie in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde, die Prüfschaltung 202 eine
identische Struktur wie die Funktionsschaltung 210 oder
wie ein Schaltungsweg der Funktionsschaltung 210 aufweisen,
und die Referenzschaltung 204 kann die gleiche Struktur
wie die Prüfschaltung 202 aufweisen.
Ein Alterungszustand der Prüfschaltung 202 kann
bestimmt werden, indem eine Leistung der Prüfschaltung 202 mit
einer Leistung der Referenzschaltung 204 verglichen wird,
und die Prüfschaltung 202 kann
eine Darstellung eines Alterungszustands der Funktionsschaltung 210 liefern.
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Mit
der Bezugname auf 2 sind die Prüfschaltung 202,
die Referenzschaltung 204 und die Funktionsschaltung 210 alle
an eine gemeinsame Versorgungsspannung 212 gekoppelt. Die
Funktionsschaltung 210 kann Teil eines Halbleiterbauelements
sein, und die Versorgungsspannung 212 kann einen Strombereich
des Halbleiterbauelements definieren. Das heißt, die Prüfschaltung 202 und
die Referenzschaltung 204 können zum gleichen Strombereich
wie die Funktionsschaltung 210 gehören.
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Die
Funktionsschaltung 210 kann vorübergehend von der Versorgungsspannung 212 getrennt werden.
Um beispielsweise einen Stromverbrauch des Halbleiterbauelements
zu reduzieren, kann die Funktionsschaltung 210 immer dann
abgeschaltet werden, wenn die Funktionalität der Funktionsschaltung 210 nicht
erforderlich ist. In den folgenden Sektionen wird ein Betrieb jeder
der Prüfschaltung 202 und
der Referenzschaltung 204 im Belastungsmodus und im Meßmodus ausführlicher
beschrieben.
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Im
Belastungsmodus kann die Prüfschaltung 202 zu
der gleichen Zeit von der Versorgungsspannung 212 getrennt
sein, wie die Funktionsschaltung 210 von der Versorgungsspannung 212 getrennt
ist. Ein Signal 214 kann ein Schalten der Versorgungsspannung 212 für jede der
Funktionsschaltung 210 und der Prüfschaltung 202 steuern.
Das Signal 214 kann hierin als ein „Ruhezustandssignal” bezeichnet werden.
In dem Belastungsmodus können
Bauelemente der Prüfschaltung 202 einer
Alterung gemäß dem Schalten
der Versorgungsspannung 212 unterzogen werden. Die Bauelemente
der Prüfschaltung 202 können die
gleiche Stromaktivität
erfahren wie Bauelemente der Funktionsschaltung 210, und
deshalb kann die Prüfschaltung 202 eine
Alterung der Funktionsschaltung 210 hinsichtlich Stromaktivität darstellen.
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Im
Meßmodus
kann die Prüfschaltung 202 an
die Versorgungsspannung 212 angeschlossen sein. Das Modussignal 206 und
das Ruhezustandssignal 214 können in einer Kombinationslogikschaltungsstufe 222 kombiniert
werden, und ein Ausgang der Kombinationslogikschaltungsstufe 222 kann
das Schalten der Versorgungsspannung 212 der Prüfschaltung 202 steuern.
Die Kombinationslogikschaltungsstufe 222 kann ein OR-Gatter
enthalten, das das Modussignal 206 und das Ruhezustandssignal 214 derart
verknüpfen
kann, daß die
Prüfschaltung 202 entweder
in den Meßmodus
freigegeben wird oder dann freigegeben wird, wenn die Funktionsschaltung 210 an
die Versorgungsspannung 212 angeschlossen wird.
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In
dem Belastungsmodus kann die Referenzschaltung 204 blockiert
werden, indem beispielsweise die Versorgungsspannung 212 von
der Referenzschaltung 204 getrennt wird. In dem Meßmodus kann
die Referenzschaltung 204 mit der Versorgungsspannung 212 verbunden
werden, um einen Vergleich der Leistung der Prüfschaltung 202 mit
der Leistung der Referenzschaltung 204 zu gestatten. Bei
einer Ausführungsform
können
im Meßmodus jede
der Prüfschaltung 202 und
der Referenzschaltung 204 mit der Versorgungsspannung 212 verbunden
werden, um den Vergleich zu gestatten.
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Im
Belastungsmodus wird möglicherweise, da
die Versorgungsspannung 212 von der Referenzschaltung 204 getrennt
ist, keine Spannungsdifferenz an interne Knoten der Referenzschaltung 204 angelegt,
so daß die
Referenzschaltung 204 eine Alterung vermeiden kann. Deshalb
kann die Referenzschaltung 204 hierin als eine „unbelastete
Referenzschaltung” oder
eine „ungealterte
Referenzschaltung” bezeichnet
werden. Die Referenzschaltung 204 kann vor Alterung geschützt werden,
indem Belastungszustände
an allen FET-Transistoren innerhalb der Referenzschaltung 204 vermieden
werden. Erreicht wird dies dadurch, daß man keine Spannungsabfälle zwischen
Drain-, Source- und Gateanschlüssen
der FET-Transistoren hat. Im allgemeinen erfordern Alterungseffekte
wie etwa NBTI und HCI mindestens einen Spannungsabfall von in der
Regel größer als
0,5 V, bevor elektrische Felder groß genug sind, um eine Bauelementverschlechterung
zu initiieren. Im Meßmodus
kann die Referenzschaltung 204 eine präzise Referenz für eine ungealterte
Schaltung liefern, da die Leistung der Referenzschaltung 204 sich
aufgrund von Alterung möglicherweise
nicht verschlechtert hat.
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Unter
Bezugnahme auf 2 kann das Schalten der Versorgungsspannung 212 über Schaltbauelemente 216, 218 und 220 durchgeführt werden. Die
Schaltbauelemente 216, 218 und 220 können die Versorgungsspannung 212 als
Reaktion auf das Ruhezustandssignal 214 und/oder das Modussignal 206 schalten.
Bei einer Implementierung kann mindestens eines der Schaltbauelemente 216, 218 und 220 einen
FET-Transistor enthalten,
und das Ruhezustandssignal 214 und/oder das Modussignal 206 kann
an einen Gateanschluß des
FET-Transistors gekoppelt sein, um das Schalten der Versorgungsspannung 212 zu
steuern. Bei einer Implementierung kann jedes der Schaltbauelemente 216, 218 und 220 identisch
ausgelegt sein.
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Die
Versorgungsspannung 212 kann eine Masseversorgungsspannung
oder eine Stromversorgungsspannung sein. Bei einer Implementierung können sowohl
die Masseversorgungsspannung als auch die Stromversorgungsspannung
geschaltet werden. In diesem Fall kann für jede der Funktionsschaltung 210,
der Prüfschaltung 202 und
der Referenzschaltung 204 ein erstes Schaltbauelement die Masseversorgungsspannung
schalten und ein zweites Schaltbauelement die Stromversorgungsspannung
schalten. Das erste Schaltbauelement und das zweite Schaltbauelement
können
durch das gleiche Signal gesteuert werden, bei dem es sich um das
Ruhezustandssignal 214, das Modussignal 206 oder eine
logische Kombination aus dem Ruhezustandssignal 214 und
dem Modussignal 206 handeln kann. Bei der Implementierung,
wo die Versorgungsspannung 212 eine Masseversorgungsspannung
ist, kann es sich bei jedem der Schaltbauelemente 216, 218 und 220 um
einen nFET handeln. Bei der Implementierung, wo die Versorgungsspannung 212 die
Stromversorgungsspannung ist, kann jedes der Schaltbauelemente 216, 218 und 220 ein
pFET sein.
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Die
Implementierung, wie in Verbindung mit 1 dargestellt
und beschrieben, kann mindestens teilweise mit der Implementierung,
wie in Verbindung mit 2 dargestellt und beschrieben,
kombiniert werden. Es werden hierin zwei beispielhafte Kombinationen
ausführlicher
beschrieben.
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Bei
einer ersten beispielhaften Kombination von 1 und 2 kann
eine Versorgungsspannung der Referenzschaltung 104 von 1 über ein Schaltbauelement
analog zu dem Schaltbauelement 220 von 2 geschaltet
werden. Das heißt,
in dem Belastungsmodus kann die Referenzschaltung 104 von 1 blockiert
sein, und sie kann durch Trennen der Versorgungsspannung vor Alterung
geschützt sein.
Da die Bauelemente der Referenzschaltung 104 vor Alterung
geschützt
werden können,
kann die Leistung der Referenzschaltung 104 eine präzise Referenz
für eine
Leistung einer ungealterten Schaltung liefern. Im Meßmodus kann
die Referenzschaltung 104 mit der Versorgungsspannung verbunden
sein, um einen Vergleich der Leistung der Prüfschaltung 102 mit
der Leistung der Referenzschaltung 104 zu gestatten.
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Bei
einer zweiten beispielhaften Kombination von 1 und 2 kann
die Prüfschaltung 102 an die
gleiche Versorgungsspannung wie eine Funktionsschaltung gekoppelt
sein. Ein Schalten der Versorgungsspannung kann über Schaltbauelemente analog
zu den Schaltbauelementen 216 und 218 von 1 gesteuert
werden. Weiterhin kann die Prüfschaltung 102 an
den gleichen Takt 108 wie die Funktionsschaltung gekoppelt
sein. Die Prüfschaltung 102 und
die Funktionsschaltung können
zum gleichen Taktbereich sowie zum gleichen Strombereich gehören. Während des
Betriebs eines Halbleiterbauelements können die Taktaktivität und/oder
die Stromaktivität
der Funktionsschaltung je nach einer Verwendung davon variieren.
In dem Belastungsmodus kann die Prüfschaltung 102 die
gleiche Taktaktivität
und die gleiche Stromaktivität
wie die Funktionsschaltung antreffen. Deshalb kann die Prüfschaltung 102 als eine
Referenz für
die Funktionsschaltung im Hinblick auf Alterung dienen.
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Im
allgemeinen kann die Prüfschaltung 102 und 202 als
ein präziser
Alterungsmonitor für
mindestens einen Teil eines Halbleiterbauelements dienen. Die Prüfschaltung 102 und 202 kann ähnlich oder äquivalent
einer Funktionsschaltung des Halb Leiterbauelements aufgebaut sein,
so daß die
Prüfschaltung 102 und 202 die
gleichen Belastungszustände wie
die Funktionsschaltung antreffen kann. Deshalb kann die Prüfschaltung 102 und 202 dazu
verwendet werden, den Alterungszustand mindestens eines Teils eines
Halbleiterbauelements präzise
zu bestimmen.
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Die
Implementierungen, wie in Verbindung mit 1-2 dargestellt
und beschrieben, können leicht
in ein existierendes Design eines Halbleiterbauelements mit begrenzter
oder keiner Modifikation davon integriert werden. Außerdem erfordert
die Integration einer der Implementierungen möglicherweise nur eine kleine
Fläche.
Weiterhin kann die Schaltungsanordnung gemäß einer der Implementierungen
eine rein digitale Logik enthalten. Deshalb ist möglicherweise
nur wenig Designaufwand erforderlich, um die Schaltungsanordnung
auf eine andere Prozeßtechnologie
zu übertragen.
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3 zeigt
eine weitere beispielhafte Schaltungsanordnung 300. Die
Schaltungsanordnung 300 enthält eine Test- bzw. Prüfschaltung 302,
eine Referenzschaltung 304, ein Modussignal 306 und
ein Taktsignal 308. Die Anordnung jener Elemente kann ähnlich oder
identisch sein zu den Implementierungen, wie in Verbindung mit 1-2 dargestellt und
beschrieben. Die Schaltungsanordnung 300 enthält weiterhin
eine Evaluationsschaltung 324, eine lokale Steuereinheit 326 und
eine zentrale Steuereinheit 328.
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Die
lokale Steuereinheit 326 kann einen Betrieb der Prüfschaltung 302,
der Referenzschaltung 304 und der Evaluationsschaltung 324 steuern.
Beispielsweise kann die lokale Steuereinheit 326 das Modussignal 306 an
die Prüfschaltung 302 und
an die Referenzschaltung 304 liefern.
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Die
Evaluationsschaltung 324 kann über ein Prüfschaltungsausgangssignal 340 an
einen Ausgang der Prüfschaltung 302 und über ein
Referenzschaltungsausgangssignal 342 an einen Ausgang der
Referenzschaltung 304 gekoppelt sein. In dem Meßmodus kann
das Prüfschaltungsausgangssignal 340 mit
einer Frequenz f1 schwingen, die einer Leistung der belasteten Prüfschaltung 302 entsprechen kann,
und das Referenzschaltungsausgangssignal 342 kann mit einer
Frequenz f2 schwingen, die einer Leistung der unbelasteten Referenzschaltung 304 entsprechen
kann. In dem Belastungsmodus, wie in Verbindung mit 1-2 dargestellt
und beschrieben, kann die Prüfschaltung 302 einer
Alterung unterworfen sein, so daß sich Bauelemente der Prüfschaltung 302 verschlechtern
können.
Im Gegensatz dazu kann die Referenzschaltung 304 im Belastungsmodus
blockiert sein, um eine Alterung zu verhindern. Folglich kann in
dem Meßmodus
die Frequenz 11 kleiner sein als die Frequenz f2, d. h.,
die gealterte Prüfschaltung 302 kann
langsamer sein als die ungealterte Referenzschaltung 304.
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Bei
einer Implementierung (in 3 nicht
gezeigt) kann die Evaluationsschaltung 324 mindestens zwei
Zeit-Digital-Wandler enthalten, um eine Differenz zwischen Frequenz
f1 und Frequenz f2 zu bestimmen. Bei dieser Implementierung wird
eine Zeitdifferenz zwischen einer Schwingungsperiode t1 = 1/f1 und
einer Schwingungsperiode t2 = 1/f2 durch eine hochaufgelöste Zeitmessung
gemessen. Bei einer weiteren Implementierung kann die Evaluationsschaltung 324 die
Differenz durch Verwenden einer Differenzfrequenzmeßtechnik
bestimmen. Die Differenzfrequenzmeßtechnik kann präzise Ergebnisse liefern,
da sie einen Effekt von Gleichtaktumgebungsvariationen wie etwa
Temperatur- und globalen Prozeßvariationen
eliminieren kann, die die Prüfschaltung 302 und
die Referenzschaltung 304 auf die gleiche Weise beeinflussen
können.
Bei einer Implementierung (in 3 nicht
gezeigt) kann die Differenzfrequenzmeßtechnik durch Messen einer Überlagerungsfrequenz
des Prüfschaltungsausgangssignals 340 und
des Referenzschaltungsausgangssignals 342 implementiert
werden. Bei einer weiteren Implementierung kann die Differenzfrequenzmessung
anhand von Zählern
durchgeführt
werden, wie hierin in Verbindung mit 3 näher beschrieben
werden wird.
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Die
Evaluationsschaltung 324 kann einen Prüfzähler 330 enthalten,
der an das Prüfschaltungsausgangssignal 340 gekoppelt
ist, und einen Referenzzähler 332,
der an das Referenzschaltungsausgangssignal 342 gekoppelt
ist. Jeder des Prüfzählers 330 und
des Referenzzählers 332 kann
n Stufen enthalten, d. h., jeder des Prüfzählers 330 und des
Referenzzählers 332 kann
eine Auflösung
von n Bit aufweisen. Die lokale Steuereinheit 326 kann
ein Meßsteuersignal 334 an
jeden des Prüfzählers 330 und des
Referenzzählers 332 liefern.
Das Meßsteuersignal 334 kann
jeden des Prüfzählers 330 und
des Referenzzählers 332 initiieren,
das Zählen
bzw. Herunterzählen
zu starten. Mit anderen Worten kann das Meßsteuersignal 334 eine
Meßphase
starten. Die lokale Steuereinheit 326 kann weiter ein Einstellsignal 335 liefern,
um eine Einstellung des Prüfzählers 330 und
des Referenzzählers 332 auf
einen vorbestimmten Wert zu stellen. Der Prüfzähler 330 und der Referenzzähler 332 können vor
oder im wesentlichen zur gleichen Zeit wie dem Start der Meßphase auf
den vorbestimmten Wert eingestellt werden.
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Bei
einer Implementierung können
jeder des Prüfzählers 330 und
des Referenzzählers 332 auf den
gleichen Wert eingestellt werden. Beispielsweise können der
Prüfzähler 330 und
der Referenzzähler 332 dadurch
initialisiert werden, daß sie
auf ihren Höchstwert
eingestellt werden, d. h., alle n Bit können auf einen logischen Wert „1” gesetzt
werden. Während
der Meßphase
kann der Prüfzähler 330 mit
jedem Zyklus des Prüfschaltungsausgangssignals 340 dekrementiert
werden. Gleichermaßen
kann der Referenzzähler 332 mit
jedem Zyklus des Referenzausgangssignals 342 dekrementiert
werden. Da die ungealterte Referenzschaltung 304 möglicherweise schneller
ist als die gealterte Prüfschaltung 302,
kann der Referenzzähler 332 als
erster einen Nullwert erreichen. Sobald der Referenzzähler 332 den
Nullwert erreichen kann, kann er ein Stoppsignal 344 aktivieren.
Das Stoppsignal 344 kann an den Prüfzähler 330 geliefert
werden und bewirken, daß der
Prüfzähler 330 das
Herunterzählen
stoppt. Der Wert des Prüfzählers 330 zu
der Zeit, wenn er durch das Stoppsignal 344 gestoppt wird,
kann direkt die Differenz bei der Leistung zwischen der gealterten
Prüfschaltung 302 und
der ungealterten Referenzschaltung 304 angeben. Mit anderen
Worten kann der Alterungszustand der Prüfschaltung 302 direkt
von dem Wert des Prüfzählers 330 ohne
die Notwendigkeit für
irgendeine Subtraktionsoperation oder dergleichen hergeleitet werden.
Der Zählerwert
des Prüfzählers 330 kann ein
n-Bit digitales Ausgangswort sein, und es kann parallel an die lokale
Steuereinheit 326 über
ein Prüfzählerzustandssignal 336 geliefert
werden. Alternativ kann der Prüfzähler 330 als
ein Schieberegister konfiguriert sein, und der Zählerwert des Prüfzählers 330 kann
seriell zu der lokalen Steuereinheit 326 übertragen
werden.
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Die
lokale Steuereinheit 326 kann den Zählerwert über ein Meßergebnissignal 346 an
die zentrale Steuereinheit 328 liefern. Der Zählerwert
kann innerhalb der lokalen Steuereinheit 326 umgewandelt
werden, und er kann seriell von der lokalen Steuereinheit 326 zu
der zentralen Steuereinheit 328 übertragen werden. Zusätzlich oder
alternativ dazu kann der Zählerwert
in einer Speichereinheit gespeichert werden. Die lokale Steuereinheit 326 kann
weiter ein Statussignal 348 an die zentrale Steuereinheit 328 liefern,
wo das Statussignal 348 ein Ende der Meßphase bezeichnen kann. Die
zentrale Steuereinheit 328 kann ein Steuersignal 350 an
die lokale Steuereinheit liefern, und die lokale Steuereinheit 326 kann
das Modussignal 306 und das Meßsteuersignal 334 als
Reaktion auf das Steuersignal 350 generieren.
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Die
Prüfschaltung 302,
die Referenzschaltung 304, die lokale Steuereinheit 326,
der Prüfzähler 330 und
der Referenzzähler 332 können zusammen eine
lokale Monitoreinheit 352 bilden. Mehrere lokale Monitoreinheiten
können
an verschiedenen Stellen in einem Halbleiterbauelement positioniert
werden. Beispielsweise können
lokale Monitoreinheiten in verschiedenen Strombereichen und/oder
in verschiedenen Taktbereichen positioniert werden. Da die Alterung
einer Schaltung von verschiedenen Parameter wie Versorgungsspannung,
Schaltaktivität
und Temperatur abhängt,
kann ein Alterungszustand einer Schaltung in einem Halbleiterbauelement
je nach seiner Position auf dem Chip differieren. Anhand der mehreren
lokalen Monitoreinheiten können
Variationen bei der Alterung innerhalb des Halbleiterbauelements
bestimmt werden. Die zentrale Steuereinheit 328 kann in
dem Halbleiterbauelement lediglich einmal implementiert werden,
um die mehreren lokalen Monitoreinheiten zentral zu steuern.
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4 zeigt
eine weitere beispielhafte Schaltungsanordnung 400. Die
Schaltungsanordnung 400 ist ähnlich der Schaltungsanordnung 300,
wie in Verbindung mit 3 dargestellt und beschrieben.
Deshalb werden jene Elemente, die 3 gemeinsam sind,
nachfolgend möglicherweise
nicht ausführlich erörtert. Die
folgende Beschreibung von 4 konzentriert
sich auf Differenzen zwischen der Schaltungsanordnung 400 und
der Schaltungsanordnung 300.
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Ähnlich der
Implementierung, wie in Verbindung mit 3 dargestellt
und beschrieben, wird jeder eines Prüfzählers 430 und eines
Referenzzählers 432 über ein
Meßsteuersignal 434 gestartet,
das von einer lokalen Steuereinheit 426 empfangen wird.
Im Gegensatz zu der Implementierung von 3 wird jeder
des Prüfzählers 430 und
des Referenzzählers 432 über das
Meßsteuersignal 434 gestoppt.
D. h., der Prüfzähler 430 und
der Referenzzähler 432 können gleichzeitig
gestoppt werden. Die lokale Steuereinheit 426 kann das
Meßsteuersignal 434 als
Reaktion auf ein Steuersignal 450 liefern, das von einer zentralen
Steuereinheit 428 empfangen wird. Die lokale Steuereinheit 426 kann
einen Wert des Prüfzählers 430 über ein
Prüfzählerzustandssignal 436 und einen
Wert des Referenzzählers 432 über ein
Referenzzählerzustandssignal 438 empfangen.
Nachdem der Prüfzähler 430 und
der Referenzzähler 432 gestoppt
sind, kann die lokale Steuereinheit 426 eine Differenz
zwischen dem Wert des Prüfzählers 430 und
dem Wert des Referenzzählers 432 bestimmen, und
die lokale Steuereinheit 426 kann die Differenz über ein
Meßergebnissignal 446 an
die zentrale Steuereinheit 428 liefern. Die Differenz kann
einen Alterungszustand der Prüfschaltung 402 anzeigen.
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Die
zentrale Steuereinheit 428 kann mehrere lokale Monitoreinheiten 452 steuern,
die in einem Halbleiterbauelement verteilt sind, um Variationen
bei der Alterung innerhalb des Halbleiterbauelements zu messen.
Bei einer Implementierung kann die zentrale Steuereinheit 428 mehrere
lokale Monitoreinheiten derart steuern, daß die mehreren lokalen Monitoreinheiten
das Zählen
bzw. Herunterzählen
der Prüfzähler und
der Referenzzähler
gleichzeitig starten und stoppen. Somit kann ein Alterungszustand
von verschiedenen Teilen des Halbleiterbauelements gleichzeitig
gemessen werden. Bei einer Implementierung kann die zentrale Steuereinheit 428 eine
Arithmetikeinheit zum Berechnen von Differenzen von Alterungszuständen der
mehreren lokalen Monitoreinheiten enthalten. Bei einer weiteren
Implementierung kann die zentrale Steuereinheit 428 eine
Schnittstelleneinheit eines Mikroprozessors oder eines DSP sein,
der dazu verwendet wird, die Differenzen der Alterungszustände der
mehreren lokalen Monitoreinheiten zu berechnen.
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5 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordnung 500 nach einer der
Implementierungen, wie in Verbindung mit 1–4 ausführlicher
dargestellt und beschrieben. Die Schaltungsanordnung 500 enthält eine
Prüfschaltung 502,
eine Referenzschaltung 504 und eine Evaluationsschaltung 524.
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Gemäß einer
Ausführungsform,
wie in Verbindung mit 2 dargestellt und beschrieben,
kann die Prüfschaltung 502 über ein
Schaltbauelement 518 an eine Versorgungsspannung 512 gekoppelt sein.
Das Schaltbauelement 518 kann die Versorgungsspannung 512 als
Reaktion auf ein Ruhezustandssignal 514 und/oder ein Modussignal 506 schalten.
In einem Meßmodus
kann die Prüfschaltung 502 an
die Versorgungsspannung 512 angeschlossen sein, um das
Bestimmen einer Leistung der Prüfschaltung 502 zu
gestatten. In einem Beanspruchungsmodus kann die Prüfschaltung 502 gemäß dem Ruhezustandssignal 514 an
die Versorgungsspannung 512 angeschlossen und von dieser getrennt
werden, d. h., sie kann auf die gleiche Weise wie eine Funktionsschaltung
(in 5 nicht gezeigt) eines Halbleiterbauelements angeschlossen
und getrennt werden. Deshalb kann die Prüfschaltung 502 im
Belastungsmodus die gleiche Belastung hinsichtlich Stromaktivität antreffen
wie die Funktionsschaltung.
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Die
Referenzschaltung 504 kann über ein Schaltbauelement 520 an
eine Versorgungsspannung 512 gekoppelt sein. Das Schaltbauelement 520 kann
die Versorgungsspannung 512 als Reaktion auf das Modussignal 506 schalten.
In dem Belastungsmodus kann die Referenzschaltung 504 blockiert werden,
indem sie über
das Schaltbauelement 520 von der Versorgungsspannung 512 getrennt
wird. Das bedeutet, daß die
Referenzschaltung 504 im Belastungsmodus an einer Alterung
gehindert werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein Drainanschluß des Schaltbauelements 520 an
alle Sourceanschlüsse
von allen Bauelementen vom n-Typ in der Referenzschaltung 504 angeschlossen wird.
Auf diese Weise wirkt der Drainanschluß des Schaltbauelements 502 als
eine virtuelle Massespannung. In dem Belastungsmodus ist die virtuelle Massespannung
gegenüber
VDD potentialfrei. Folglich sind alle internen Knoten der Referenzschaltung 504 gegenüber VDD
potentialfrei. Dies vermeidet Spannungsabfälle über alle Bauelemente innerhalb der
Referenzschaltung 504 und hindert die Referenzschaltung 504 an
der Alterung. In dem Meßmodus kann
die Referenzschaltung 504 an die Versorgungsspannung 512 angeschlossen
sein, um eine Leistungsmessung der Referenzschaltung 504 zu
gestatten.
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Wie
in 5 gezeigt, kann jedes der Schaltbauelemente 518 und 520 als
ein nFET-Transistor implementiert sein. Das Ruhezustandssignal 514 und/oder
das Modussignal 506 können
an Gates des nFET-Transistors gekoppelt sein, um das Schalten der
Versorgungsspannung 512 zu steuern. Ein an den Gateanschlüssen der
nFET-Transistoren bereitgestelltes Signal kann von Invertern 554 und 556 invertiert
werden.
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Die
Prüfschaltung 502 und
die Referenzschaltung 504 können eine identische Struktur
aufweisen. Jede von ihnen kann ein Speicherungselement 558 und 560 und
eine Logikeinheit 562 und 564 enthalten. Ein Ausgang
des Prüfspeicherungselements 558 kann
an einen Eingang der Prüflogikeinheit 562 gekoppelt
sein und ein Ausgang des Referenzspeicherungselements 560 kann
an einen Eingang der Referenzlogikeinheit 562 gekoppelt
sein. Die Speicherungselemente 558 und 560 können als getaktete
Speicherungselemente implementiert sein, zum Beispiel als Flipflops
oder als Zwischenspeicher. Die Speicherungselemente 558 und 560 können als Reaktion
auf ein Setzsignal 535 gesetzt bzw. zurückgesetzt werden. Die Speicherungselemente 558 und 560 können auf
einen vorbestimmten Wert gesetzt werden, bevor eine Meßphase gestartet
wird.
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Bei
einer Implementierung kann jede der Logikeinheiten 562 und 564 eine
reine kombinatorische Logik enthalten, d. h., die Logikeinheiten 562 und 564 enthalten
möglicherweise
nur NAND-Gatter oder nur NOR-Gatter oder eine Zusammensetzung von NAND-Gattern
und NOR-Gattern. Eine Anfälligkeit der
Prüfschaltung 502 auf
gewisse Verschlechterungseffekte kann durch eine Auswahl von bestimmten
Gattern gesteuert werden. Beispielsweise kann eine kombinatorische
Logik, die nur oder meist NOR-Gatter enthält, für NBTI besonders anfällig sein und
eine kombinatorische Logik, die nur oder meist NAND-Gatter enthält, kann
für HCI
besonders anfällig
sein. Bei einer weiteren Implementierung kann jede der Logikeinheiten 562 und 564 mehrere
Stufen enthalten, d. h. mehrere Register-Logik-Register-Stufen.
Bei einer Implementierung kann gemäß der Beschreibung von 1 jede
der Logikeinheiten 562 und 564 identisch sein
mit einem Schaltungsweg einer Funktionsschaltung eines Halbleiterbauelements,
zum Beispiel können
die Logikeinheiten 562 und 564 einen kritischen
Weg der Funktionsschaltung darstellen.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist bei jeder der Prüfschaltung 502 und
der Referenzschaltung 504 ein Dateneingang des Speicherungselements 558, 560 an
einen Datenausgang einer Flankengeneratoreinheit 568, 570 gekoppelt,
d. h., ein Dateneingang des Prüfspeicherungselements 558 wird
mit einem Prüfdatensignal 565 von
einer Prüfflankengeneratoreinheit 568 versorgt
und ein Dateneingang des Referenzspeicherungselements 560 wird
mit einem Referenzdatensignal 559 von einer Referenzflankengeneratoreinheit 570 versorgt.
Da die Prüfschaltung 502 und
die Referenzschaltung 504 identisch strukturiert sind,
wird eine Funktion jeder der Prüfflankengeneratoreinheit 568 und
der Referenzflankengeneratoreinheit 570 hierin unter Bezugnahme
auf die Prüfschaltung 502 näher beschrieben.
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Die
Prüfflankengeneratoreinheit 568 kann das
Prüfdatensignal 565 an
ihrem Datenausgang auf der Basis mindestens eines von der Prüflogikeinheit 562 gelieferten
Signals liefern. Bei einer Implementierung kann die Prüfflankengeneratoreinheit 568 ein an
einem Ausgang der Prüflogikeinheit 562 bereitgestelltes
Prüfschaltungsausgangssignal 540 invertieren. Über die
Prüfflankengeneratoreinheit 558 wird der
Dateneingang des Prüfspeicherungselements 558 mit
einem Datensignal mit einer bestimmten Datenaktivität versorgt.
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In
dem Belastungsmodus kann das Prüfspeicherungselement 558 von
einem Takt 508 getaktet werden. Wie in Verbindung mit 1 dargestellt
und beschrieben, kann der Takt 508 ein Systemtakt eines Taktbereichs
eines Halbleiterbauelements sein. Dies bedeutet, daß die Prüfschaltung 502 im
Belastungsmodus die gleiche Belastung hinsichtlich Taktaktivität antreffen
kann wie eine Funktionsschaltung, die zu dem gleichen Taktbereich
gehört.
Der Takt 508 kann über
eine Prüfmultiplexereinheit 566 an
das Prüfspeicherungselement 558 gekoppelt
sein. Die Prüfmultiplexereinheit 566 kann
den Takt 508 als Reaktion auf das Modussignal 506 an
einem Takteingang des Prüfspeicherungselements 558 durchlassen.
Die Schaltungsanordnung 500 kann über das Modussignal 506 auf
den Meßmodus bzw.
den Belastungsmodus eingestellt werden. Im allgemeinen kann die Prüfschaltung 502 im
Belastungsmodus in einer Register-Logik-Konfiguration konfiguriert
sein und sie kann synchron mit dem Takt 508 arbeiten.
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Allgemein
kann der Takteingang des Prüfspeicherungselements 558 im
Meßmodus
an mindestens ein von der Prüflogikeinheit 562 geliefertes Signal
gekoppelt sein. Insbesondere kann das Prüfspeicherungselement 558 von
einem an einem Taktausgang der Prüfflankengeneratoreinheit 568 gelieferten
lokalen Prüftaktsignal 563 getaktet
werden. Das lokale Prüftaktsignal 563 am
Taktausgang der Prüfflarkengeneratoreinheit 568 kann über die
Prüfmultiplexereinheit 566 an
den Takteingang des Prüfspeicherungselements 558 geliefert
werden. Dies bedeutet, in dem Meßmodus kann die Prüfschaltung 502 asynchron
zu dem Takt 508 arbeiten. Mit anderen Worten kann sich
die Prüfschaltung 502 selbst steuern.
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Die
Prüfflankengeneratoreinheit 568 kann das
lokale Prüftaktsignal 563 aufgrund
von mindestens zwei von der Prüflogikeinheit 562 gelieferten
Signalen liefern. Bei einer Implementierung, wie in 5 dargestellt,
kann die Prüfflankengeneratoreinheit 568 das
lokale Prüftaktsignal 563 auf
der Basis einer XOR-Verbindung des Prüfschaltungsausgangssignals 540 und
eines Zwischensignals 561 der Prüflogikeinheit 562 liefern.
Aufgrund einer zeitlichen Verzögerung
zwischen dem Prüfschaltungsausgangssignal 540 und
dem Zwischensignal 561 kann das lokale Prüftaktsignal 563 ein
gepulstes Signal sein. Eine Impulsbreite des gepulsten Signals kann
etwa der Hälfte
einer Laufzeit der Prüflogikeinheit 562 entsprechen.
Die Impulsbreite des gepulsten Signals nimmt möglicherweise zu, wenn sich
die Leistung der Prüflogikeinheit 562 aufgrund
von Alterung verschlechtert.
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In
dem Meßmodus
wird ein lokales Referenztaktsignal 557 an dem Takteingang
des Referenzspeicherungselements 560 auf die gleiche Weise
bereitgestellt wie das lokale Prüftaktsignal 563 am Takteingang
des Prüfspeicherungselements 558. Dies
bedeutet, daß die
Referenzschaltung 504 sich möglicherweise ebenfalls selbst
steuert, und sie kann asynchron bezüglich des Takts 508 arbeiten.
Da die Leistung der belasteten Prüfschaltung 502 von
der Leistung der unbelasteten Referenzschaltung 504 abweichen
kann, kann die Referenzschaltung 504 außerdem asynchron bezüglich der
Prüfschaltung 502 arbeiten.
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Im
Belastungsmodus kann das Referenzspeicherungselement 560 ungetaktet
sein und ein Takteingang des Referenzspeicherungselements 560 kann über eine
Referenzmultiplexereinheit 567 an einen konstanten Logikwert
gekoppelt sein. Die Referenzmultiplexereinheit 567 kann
den konstanten Logikwert, zum Beispiel einen Logikwert „0”, als Reaktion
auf das Modussignal 506 an den Takteingang des Referenzspeicherungselements 560 durchlassen.
Im allgemeinen kann die Referenzschaltung 504 in dem Belastungsmodus
blockiert sein. Die Referenzschaltung 504 kann blockiert
werden, indem sie über
das Schaltbauelement 520 von der Versorgungsspannung 512 getrennt
wird. Zusätzlich
oder alternativ kann die Referenzschaltung 504 ungetaktet
sein.
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Im
allgemeinen kann die Prüfschaltung 502 im
Belastungsmodus die gleiche Belastung wie eine Funktionsschaltung
eines Halbleiterbauelements antreffen. Bauelemente der Prüfschaltung 502 können den
gleichen Versorgungsspannungspegel, die gleiche Stromaktivität und die
gleiche Taktaktivität
wie die Funktionsschaltung antreffen. Wenn die Prüfschaltung 502 in
der Nähe
der Funktionsschaltung plaziert wird, kann die Prüfschaltung 502 weiterhin die
gleiche Belastung hinsichtlich Temperatur antreffen wie die Funktionsschaltung.
Deshalb kann die Prüfschaltung 502 eine
genaue Darstellung eines Alterungszustands der Funktionsschaltung
liefern.
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Die
Referenzschaltung 504 kann im Belastungsmodus blockiert
sein und deshalb am Altern gehindert werden. Da die Referenzschaltung 504 und die
Prüfschaltung 502 die
gleiche Struktur aufweisen, kann die ungealterte Referenzschaltung 504 während eines
Vergleichs mit der gealterten Prüfschaltung 502 eine
Referenz liefern. Es ist anzumerken, daß eine Zeitperiode des Belastungsmodus
im Vergleich zu einer Zeitperiode des Meßmodus kurz ist. Deshalb kann
eine Alterung von Bauelementen der Referenzschaltung 504 während der
Meßphase
vernachlässigbar
sein.
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Im
allgemeinen können
jede der Prüfschaltung 502 und
der Referenzschaltung 504 im Meßmodus in einer Regelkreiskonfiguration
arbeiten. Die Prüfschaltung 502 kann
das Prüfschaltungsausgangssignal 540 liefern,
das mit einer Frequenz f1 gemäß der Leistung
der Prüfschaltung 502 schwingt, und
die Referenzschaltung 504 kann ein Referenzschaltungsausgangssignal 542 liefern,
das mit einer Frequenz f2 gemäß der Leistung
der Referenzschaltung 504 schwingt. Ein Alterungszustand
der Prüfschaltung 502 kann
durch Durchführen
einer Differenzfrequenzmessung bestimmt werden. Die Differenzfrequenzmessung
kann von einer Evaluationsschaltung 524 durchgeführt werden,
und für
diese Messung ist möglicherweise
kein externes Prüfgerät erforderlich.
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Bei
einer Implementierung kann es sich bei jeder der Logikeinheiten 562 und 564 und
der Speicherungselemente 558 und 560 um Duplikate
eines kritischen Wegs einer Funktionsschaltung eines Halbleiterbauelements
handeln, die mit einer höchsten
Taktfrequenz f0 arbeiten können.
Die höchste Taktfrequenz
f0 kann eine Frequenz des Takts 508 sein, die Frequenz 12 des
Referenzschaltungsausgangssignals 542 kann f2 = f0/2 sein,
und die Frequenz f1 des Prüfschaltungsausgangssignals 540 kann
f1 < f0/2 aufgrund
der Alterung von FET-Transistoren innerhalb der Prüfschaltung 502 sein.
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Wie
in Verbindung mit 3–4 dargestellt
und beschrieben, kann die Evaluationsschaltung 524 einen
Prüfzähler 530 und
einen Referenzzähler 532 enthalten.
Unter Bezugnahme auf 5 kann jeder des Prüfzählers 530 und
des Referenzzählers 532 als
ein asynchroner Rückwärtszähler bzw.
als eine Frequenzteilerstufe, die n Flipflops enthält, implementiert
sein. Die n Flipflops können
in einer Kette angeordnet sein, und ein Datenausgang jedes Flipflop
kann an einen Takteingang des nächsten Flipflop
in der Kette gekoppelt sein. Ein Takteingang des ersten Flipflop
in der Kette kann an das Prüfschaltungsausgangssignal 540 bzw.
das Referenzschaltungsausgangssignal 542 gekoppelt sein.
Bevor eine Meßphase
gestartet wird, können
alle Flipflops des Prüfzählers 530 und
des Referenzzählers 532 über das
Setzsignal 535 auf einen Logikwert „1” gesetzt werden. Die Meßphase kann
als Reaktion auf ein Meßsteuersignal 534 starten
und stoppen. Wenn das Meßsteuersignal 534 einen
Logikwert „1” aufweist,
kann ein AND-Gatter 569 das Prüfzählerausgangssignal 540 an
den Takteingang des ersten Flipflop in der Kette des Prüfzählers 530 weiterleiten,
und ein AND-Gatter 571 kann das Referenzzählerausgangssignal 542 an
den Takteingang des ersten Flipflop in der Kette des Referenzzählers 532 durchlassen.
Wenn das Meßsteuersignal 534 einen
Logikwert „0” aufweist,
kann jeder des Prüfzählers 530 und
des Referenzzählers 532 mit
dem Zählen
aufhören,
und ein Zählwert
kann über
ein Prüfzählerzustandssignal 536 bzw.
ein Referenzzählerzustandssignal 538 geliefert
werden.
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Der
Wert des Prüfzählerzustandsignals 536 kann
von dem Wert des Referenzzählerzustandssignals 538 subtrahiert
werden, um die Alterung der Prüfschaltung 502 zu
bestimmen. Bei einer weiteren Implementierung, wie in Verbindung
mit 4 dargestellt und beschrieben, kann der Referenzzähler 532 ein
Signal liefern, das das Zählen
des Prüfzählers 530 und
des Referenzzählers 532 anhält. Beispielsweise
kann das Zählen
als Reaktion auf einen Ausgang des letzten Flipflop in der Kette
von Flipflops des Referenzzählers 532 angehalten
werden. Das Zählen
kann angehalten werden, sobald das Signal an dem Ausgang dieses
letzten Flipflop in der Kette des Referenzzählers 532 einen Logikwert „0” erreicht.
In diesem Fall kann die Alterung der Prüfschaltung 502 direkt
von dem Zählwert
des Prüfzählers 530 hergeleitet
werden, ohne eine Notwendigkeit für irgendeine Subtraktionsoperation.
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6 zeigt
eine weitere beispielhafte Schaltungsanordnung 600. Die
Schaltungsanordnung 600 ist ähn1ich der Schaltungsanordnung 500,
wie in Verbindung mit 5 dargestellt und beschrieben.
Deshalb werden jene, 5 gemeinsamen Elemente nachfolgend
möglicherweise
nicht ausführlich
beschrieben.
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Unter
Bezugnahme auf 6 enthält die Schaltungsanordnung 600 ein
Prüfspeicherungselement 658.
und eine Datenaktivität
eines an einem Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 bereitgestellten
Signals kann konfigurierbar sein. Die Datenaktivität an dem
Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 kann
eine Anfälligkeit
einer Prüfschaltung 602 für bestimmte
Verschlechterungseffekte beeinflussen. Beispielsweise kann die Prüfschaltung 602 besonders
für NTBI
anfällig
sein, wenn die Datenaktivität
hoch ist, und die Prüfschaltung 602 kann
besonders anfällig
sein für
HCI, wenn die Datenaktivität
niedrig ist.
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Die
Datenaktivität
am Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 kann über eine
Teilereinheit 672 gesteuert werden. Bei einer Implementierung
kann die Teilereinheit 672 einen Frequenzteiler enthalten,
und der Frequenzteiler kann ein Taktsignal 608 empfangen.
Bei einer Implementierung kann eine Teilungsrate des Frequenzteilers über ein Steuersignal
(in 6 nicht gezeigt) konfiguriert werden. Bei einer
weiteren Implementierung kann die Teilungsrate des Frequenzteilers über eine
fest verdrahtete Logik bestimmt werden, die Teil der Teilereinheit 672 ist.
Der Frequenzteiler kann eine Frequenz des Taktsignals 608 teilen,
und ein geteiltes Taktsignal kann von einem Ausgang der Teilereinheit 672 an
den Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 über eine
Datenmultiplexierungseinheit 674 geliefert werden. Die
Datenmultiplexierungseinheit 674 kann über ein Modussignal 606 gesteuert werden.
In dem Belastungsmodus kann die Datenmultiplexierungseinheit 674 das
geteilte Taktsignal an den Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 durchlassen,
und im Meßmodus
kann die Datenmultiplexierungseinheit 674 einen Ausgang
der Prüfflankengeneratoreinheit 668 mit
dem Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 koppeln. Deshalb
kann die Prüfschaltung 602 in
dem Meßmodus
auf die gleiche Weise arbeiten wie die Prüfschaltung 502, wie
in Verbindung mit 5 dargestellt und beschrieben.
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Analog
zu der Datenmultiplexierungseinheit 674 kann eine Referenzschaltung 604 eine
Multiplexierungseinheit 676 enthalten. Die Multiplexierungseinheit 676 kann
eine Scheinmultiplexierungseinheit sein und sie beeinflußt möglicherweise
nicht die Funktionalität
der Referenzschaltung 604. Die Multiplexierungseinheit 676 kann
bereitgestellt werden, um eine Differenz bei einer Weglänge der
Prüfschaltung 602 und
der Referenzschaltung 604 zu kompensieren.
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Bei
der Implementierung wie in 6 dargestellt
wird das Signal am Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 im
Belastungsmodus von dem Taktsignal 608 hergeleitet. Bei
einer weiteren Implementierung kann ein Signal, das von dem Taktsignal 608 unabhängig ist,
in dem Belastungsmodus an dem Dateneingang des Prüfspeicherungselements 658 geliefert
werden.
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7 zeigt
eine beispielhafte Schaltungsanordnung 700 mit einer Referenzschaltung 704 und drei
Prüfschaltungen,
die eine Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
eine Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
eine Niedrig- bzw. Geringaktivitätsprüfschaltung 782 enthalten.
Die Struktur der Referenzschaltung 704 kann der Struktur
der Referenzschaltung 604 entsprechen, wie in Verbindung
mit 6 dargestellt und beschrieben. Die Struktur jeder
der Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
der Geringaktivitätsprüfschaltung 782 kann
der Struktur der Prüfschaltung 602 entsprechen,
wie in Verbindung mit 6 dargestellt und beschrieben.
Die Referenzschaltung 704, die Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
die Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
die Geringaktivitätsprüfschaltung 782 können in
zwei Modi arbeiten, einem Belastungsmodus und einem Meßmodus,
und eine Einstellung des Modus kann über ein Modussignal 706 konfiguriert werden.
Die Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
die Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
die Geringaktivitätsprüfschaltung 782 können in
einer Einstellung ihrer jeweiligen Teilereinheiten differieren.
Deshalb kann in dem Belastungsmodus jede der Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
der Geringaktivitätsprüfschaltung 782 mit
einer anderen Datenschaltaktivität
arbeiten. Beispielsweise kann eine Datenaktivität an einem Dateneingang eines Prüfspeicherungselements
der Hochaktivitätsprüfschaltung 778 höher sein
als eine Datenaktivität
an einem Dateneingang eines Prüfspeicherungselements
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780.
Weiterhin kann die Datenaktivität
am Dateneingang des Prüfspeicherungselements
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 höher sein
als eine Datenaktivität
an einem Dateneingang eines Prüfspeicherungselements
der Geringaktivitätsprüfschaltung 782.
Aufgrund der verschiedenen Datenaktivitäten kann eine Anfälligkeit
der Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und der
Geringaktivitätsprüfschaltung 732 gegenüber bestimmten
Verschlechterungseffekten differieren. Beispielsweise kann die Hochaktivitätsprüfschaltung 778 besonders
anfällig
für HCI
sein, die Geringaktivitätsprüfschaltung 782 kann
besonders anfällig
gegenüber
NBTI sein, und die Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 kann
in ungefähr
gleichen Teilen gegenüber NBTI
und HCI anfällig
sein. Bei einer Implementierung können die Datenaktivitäten der
Hochaktivitätsprüfschaltung 78,
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
der Geringaktivitätsprüfschaltung 782 derart konfiguriert
sein, daß unterschiedliche
Datenaktivitäten
einer Funktionsschaltung eines Halbleiterbauelements dargestellt
werden. Beispielsweise kann die Hochaktivitätsprüfschaltung 778 eine
größte Datenaktivität der Funktionsschaltung
darstellen und die Geringaktivitätsprüfschaltung 782 eine
kleinste Datenaktivität
der Funktionsschaltung darstellen.
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Ein
Ausgang jeder der Referenzschaltung 704, der Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
der Geringaktivitätsprüfschaltung 782 kann
an einen jeweiligen Zähler
gekoppelt sein: die Referenzschaltung 704 kann an einen
Referenzzähler 732 gekoppelt
sein, die Hochaktivitätsprüfschaltung 778 kann
an einen Hochaktivitätsprüfzähler 784 gekoppelt
sein, die Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 kann
an einen Mittelaktivitätsprüfzähler 786 gekoppelt
sein und die Geringaktivitätsprüfschaltung 782 kann
an einen Geringaktivitätsprüfzähler 788 gekoppelt
sein. Ein Signal am Ausgang jeder der Referenzschaltung 704,
der Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
der Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
der Geringaktivitätsprüfschaltung 782 kann über einen
Freigabeschaltung 790 an den jeweiligen Zähler 732, 784, 786, 788 geliefert werden.
Die Freigabeschaltungen 790 können das Signal als Reaktion
auf ein Meßsteuersignal 734,
das einen Start und einen Stopp einer Meßphase steuert, durchlassen.
Wie in Verbindung mit 5 dargestellt und beschrieben,
kann jede der Freigabeschaltungen 790 ein AND-Gatter enthalten.
Während
der Meßphase
können
die Zähler 732, 784, 786 und 788 gemäß einer
Frequenz des am Ausgang der jeweiligen Schaltung 704, 778, 780 und 782 bereitgestellten Signals
inkrementiert bzw. dekrementiert werden. Wie in Verbindung mit 6 dargestellt
und beschrieben, können
die Werte der Zähler 732, 784, 786 und 788 am
Ende der Meßphase
evaluiert werden, um einen Alterungszustand einer Funktionsschaltung
zu bestimmen.
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Die
Schaltungsanordnung 700 kann eine Schaltung enthalten,
die eine Absolutzeitreferenz liefert. Bei einer Implementierung,
wie in 7 dargestellt, kann ein Absolutzeitreferenzzähler 792 über eine Freigabeschaltung 790 an
das Taktsignal 708 gekoppelt sein. Die Freigabeschaltung 790 kann
das Taktsignal 708 als Reaktion auf das Meßsteuersignal 734 an
einer Eingang des Absolutzeitreferenzzählers 792 durchlassen.
Während
der Meßphase
kann der Absolutzeitreferenzzähler 792 gemäß dem Taktsignal 708 inkrementiert
bzw. dekrementiert werden. Am Ende der Meßphase kann ein Wert des Absolutzeitreferenzzählers 792 eine
Absolutzeitreferenz bezeichnen. Dieser Wert des Absolutzeitreferenzzählers 792 kann
von der Länge
der Meßphase
abhängen.
Deshalb kann dieser Wert des Absolutzeitreferenzzählers 792 von
etwaigen Wegverzögerungen oder
Alterungseffekten unabhängig
sein.
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Der
Absolutzeitreferenzzähler 792 kann
implementiert werden, um eine Kalibrierungsmessung zu einer Zeit
t0 durchzuführen.
Zur Zeit t0 sind die Prüfschaltungen 778, 780 und 782 möglicherweise
noch nicht belastet. Für
die Kalibrierungsmessung kann die Schaltungsanordnung 700 über das
Modussignal 706 in den Meßmodus geschaltet werden und
eine Meßphase
kann über
das Meßsteuersignal 734 gestartet
und gestoppt werden. Am Ende der Meßphase kann eine Absolutzeitdifferenz
bei der Leistung der Schaltungen 704, 778, 780 und 782 bestimmt werden,
indem die Werte der jeweiligen Zähler 732, 784, 786 und 788 mit
dem Wert des Absolutzeitreferenzzählers 792 verglichen
werden. Wenn die Referenzschaltung 704, die Hochaktivitätsprüfschaltung 778,
die Mittelaktivitätsprüfschaltung 780 und
die Geringaktivitätsprüfschaltung 782 identisch
strukturiert sind, können
die Werte der Zähler 732, 784, 786 und 788 zur
Zeit t0 identisch sein. Differenzen bei der Schaltungsstruktur oder
bei der Bauelementstruktur der Schaltungen 704, 778, 780 und 782 können eine Differenz
bei der Leistung bereits zur Zeit t0 verursachen. Ein oder mehrere
Werte, die der Differenz bei der Leistung zur Zeit t0 entsprechen,
können
hierin als „Kalibrierungswerte” bezeichnet
werden. Die Kalibrierungswerte können
in einem Speicherungselement gespeichert werden, zum Beispiel in
einem Speicher. Der eine oder die mehreren Kalibrierungswerte können dazu
verwendet werden, ein Ergebnis einer Differenzfrequenzmessung einzustellen
bzw. zu justieren, die durchgeführt
wird, um einen Alterungszustand einer Funktionsschaltung zu bestimmen.
Weiterhin können
der eine oder die mehreren Kalibrierungswerte dazu verwendet werden,
einen Zeitsteuerungsspielraum der Prüfschaltungen 778, 780, 782 zu
bestimmen und daraus einen Zeitsteuerungsspielraum eines kritischen
Wegs einer Funktionsschaltung herzuleiten.
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Bei
der Implementierung, wie in Verbindung mit 7 dargestellt
und beschrieben, enthält
die Schaltungsanordnung 700 drei Prüfschaltungen 778, 780 und 782,
und die Datenaktivität
jeder der drei Prüfschaltungen 778, 780 und 782 ist
in dem Meßmodus
verschieden. Bei anderen Implementierungen kann die Schaltungsanordnung
lediglich zwei Prüfschaltungen
mit verschiedenen Datenschaltaktivitäten oder mehr als drei Prüfschaltungen
mit verschiedenen Datenschaltaktivitäten enthalten. Es ist anzumerken,
daß ein
Absolutzeitreferenzzähler
wie der Absolutzeitreferenzzähler 792 ebenfalls
in einer beliebigen der Schaltungsanordnungen, wie in Verbindung
mit
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1–6 dargestellt
und beschrieben, implementiert sein kann und der Absolutzeitreferenzzähler in
einer Evaluationsschaltung enthalten sein kann. Das bedeutet, ein
Absolutzeitreferenzzähler kann
in einer Schaltungsanordnung implementiert sein, die eine Referenzschaltung
und nur eine Prüfschaltung
enthält.
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8 zeigt
ein System 800 mit einer Prüfschaltung 802, einer
Referenzschaltung 804 und einer Evaluationsschaltung 824.
Ein Modussignal 806 kann bereitgestellt werden, um einen
Betriebsmodus jeder der Prüfschaltung 802 und
der Referenzschaltung 804 zu steuern.
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In
einem ersten Betriebsmodus kann die Prüfschaltung 802 durch
einen Takt 808 getaktet werden, d. h.. die Prüfschaltung 802 kann
synchron mit dem Takt 808 arbeiten. Die Bauelemente der
Prüfschaltung 802 können gemäß einer
Schaltaktivität des
Takts 808 einer Alterung unterworfen sein. Deshalb kann
der erste Betriebsmodus als ein Belastungsmodus bezeichnet werden
und die Prüfschaltung 802 kann
als eine belastete Prüfschaltung 802 oder
gealterte Prüfschaltung 802 bezeichnet
werden.
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In
einem zweiten Betriebsmodus kann die Prüfschaltung 802 von
dem Takt 808 getrennt werden. Die Prüfschaltung 802 kann
auf eine Weise konfiguriert sein, daß sie asynchron bezüglich des
Takts 808 arbeitet. In dem zweiten Betriebsmodus kann eine
Leistung der belasteten Prüfschaltung 802 gemessen
werden. Deshalb kann der zweite Betriebsmodus als ein Meßmodus bezeichnet
werden.
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In
dem Belastungsmodus kann die Referenzschaltung 804 blockiert
werden. Deshalb können Bauelemente
der Referenzschaltung 804 an einer Alterung gehindert werden
und die Referenzschaltung 804 kann als eine unbelastete
Referenzschaltung 804 oder eine ungealterte Referenzschaltung 804 bezeichnet
werden.
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In
dem Meßmodus
kann eine Leistung der unbelasteten Referenzschaltung 804 gemessen
werden, und die unbelastete Referenzschaltung 804 kann
asynchron bezüglich
der belasteten Prüfschaltung 802 arbeiten.
Da die Referenzschaltung 804 nicht an den Takt 808 gekoppelt
ist, kann sie weiterhin asynchron bezüglich des Takts 308 arbeiten.
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Die
Evaluierungsschaltung 824 kann an einen Ausgang der Prüfschaltung 802 und
mit einem Ausgang der Referenzschaltung 804 gekoppelt sein. Die
Evaluierungsschaltung 824 kann eine Differenzfrequenzmessung
auf der Basis eines am Ausgang der Prüfschaltung 802 gelieferten
Signals und auf der Basis eines am Ausgang der Referenzschaltung 804 gelieferten
Signals durchführen.
Bei einer Implementierung kann die Evaluierungsschaltung 824 die
Differenzfrequenzmessung durchführen,
während
jede der Prüfschaltung 802 und
der Referenzschaltung 804 im Meßmodus arbeiten kann. Über die
Differenzfrequenzmessung kann eine Differenz bei der Leistung der
belasteten Prüfschaltung 802 und
der Referenzschaltung 804 bestimmt werden.
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Bei
einer Implementierung kann im Meßmodus jede der Prüfschaltung 802 und
der Referenzschaltung 804 in einer Oszillatortopologie konfiguriert sein,
und das am Ausgang jeder der Prüfschaltung 802 und
der Referenzschaltung 804 gelieferte Signal kann mit einer
Frequenzschwingung schwingen, die einem Alterungszustand der Prüfschaltung 802 bzw. der
Referenzschaltung 804 entspricht. Da die Referenzschaltung 804 in
dem Belastungsmodus vor Alterung geschützt ist, kann die unbelastete
Referenzschaltung 804 mit einer höheren Frequenz schwingen als
die belastete Prüfschaltung 802.
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Unter
Bezugnahme auf 8 kann das System 800 weiterhin
eine Funktionsschaltung 810 enthalten. Die Funktionsschaltung 810 kann
Datenverarbeitung und/oder Datenspeicherung durchführen. Beispielsweise
kann die Funktionsschaltung 810 ein Prozessor oder ein
Teil eines Prozessors sein. Die Funktionsschaltung 10 kann
an den Takt 808 gekoppelt sein, d. h., die Funktionsschaltung 810 und
die Prüfschaltung 802 können zu
einem gemeinsamen Taktbereich des Systems 800 gehören. Zusätzlich oder
alternativ können
die Funktionsschaltung 810 und die Prüfschaltung 802 an
eine gemeinsame Versorgungsspannung gekoppelt sein. Mit anderen
Worten können
die Funktionsschaltung 810 und die Prüfschaltung 802 zu
dem gleichen Strombereich des Systems 800 gehören. Bei
einer Implementierung kann die Prüfschaltung 802 in
der Nähe
der Funktionsschaltung 810 innerhalb des Systems 800 plaziert
sein. Dies bedeutet, die Prüfschaltung 802 kann die
gleiche Belastung im Hinblick auf Temperatur erfahren wie die Funktionsschaltung 810,
und die Bauelementparameter der Prüfschaltung 802 und
der Funktionsschaltung 810 können die gleichen sein.
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Im
allgemeinen kann das System 800 verschiedene Funktionsschaltungen
enthalten, und ein Alterungszustand jeder dieser Funktionsschaltungen kann
in Abhängigkeit
von verschiedenen Faktoren, zum Beispiel von einer Taktaktivität, einer
Stromaktivität
und/oder einer Position der Funktionsschaltung innerhalb des Systems 800 variieren.
Die Prüfschaltung 802 kann
der gleichen Belastung wie eine Funktionsschaltung 810 des
Systems 800 ausgesetzt werden, indem an die Prüfschaltung 802 die
gleiche Taktaktivität
und die gleiche Stromaktivität
wie an die Funktionsschaltung 810 geliefert wird und indem
die Prüfschaltung 802 in
der Nähe
der Funktionsschaltung 810 plaziert wird. Deshalb kann
die Prüfschaltung 802 eine
genaue Darstellung eines Alterungszustands der Funktionsschaltung 810 innerhalb
des Systems 800 liefern.
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Unter
Bezugnahme auf 8 kann das System 800 weiterhin
eine Regelschaltung 894 enthalten. Die Regelschaltung 894 kann
einen Betriebsparameter der Funktionsschaltung 810 auf
der Basis eines Ausgangs der Evaluierungsschaltung 824 einstellen
bzw. justieren. Der Ausgang der Evaluierungsschaltung kann einen
Alterungszustand der Prüfschaltung 802 bzw.
der Funktionsschaltung 10 anzeigen. Die Regelschaltung 894 kann
den Betriebsparameter justieren, um Auswirkungen der Alterung zu
kompensieren. Beispielsweise kann der Betriebsparameter eine Versorgungsspannung,
eine Frequenz und/oder eine Body-Bias-Spannung sein. Bei einer Implementierung
kann die Versorgungsspannung der Funktionsschaltung zum Kompensieren
der Alterung heraufgesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann
die Frequenz des Takts 808 heruntergesetzt werden, d. h.,
die Funktionsschaltung 810 kann mit einer niedrigeren Taktfrequenz
arbeiten, um eine Fehlfunktion der Funktionsschaltung 810 zu
vermeiden. Zusätzlich
oder alternativ kann eine Body-Bias-Spannung von Bauelementen der
Funktionsschaltung 810 geregelt werden, d. h., der Body-Bias von
nFETs und pFETs innerhalb der Funktionsschaltung 810 können derart
justiert werden, daß Schwellwertspannungen
der nFETs und pFETs reduziert werden, um einen Leistungsverlust
aufgrund von Alterung zu kompensieren.
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Die
Implementierung, wie in Verbindung mit 8 dargestellt
und beschrieben, kann mit einer beliebigen der Implementierungen,
wie in Verbindung mit 1-7 dargestellt
und beschrieben, kombiniert werden. Beispielsweise kann die Evaluierungsschaltung 824 Zähler enthalten,
um die Differenzfrequenzmessung durchzuführen. Zusätzlich oder alternativ kann
jede der Prüfschaltung 802 und
der Referenzschaltung 804 mindestens ein getaktetes Speicherungselement
enthalten, das an eine Stufe einer kombinatorischen Logik gekoppelt
ist. Bei einer Implementierung können
mehrere Prüfschaltungen
und Referenzschaltungen über
das System 800 verteilt sein, um Alterungszustände von
verschiedenen Funktionsschaltungen zu bestimmen, die an verschiedenen
Orten innerhalb des Systems 800 plaziert sind. Bei einer
weiteren Implementierung kann das Taktsignal 808 als eine
Absolutzeitreferenz innerhalb der Evaluierungsschaltung 824 verwendet werden.
Beispielsweise kann die Evaluierungsschaltung 824 einen Absolutzeitreferenzzähler enthalten, wie
in Verbindung mit 7 dargestellt und beschrieben.
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Beispielhaftes Verfahren
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9 zeigt
ein Flußdiagramm 900,
das eine Anzahl von Operationen enthält, die einen Alterungszustand
einer Schaltung bestimmen. Sofern nicht etwas anderes angegeben
ist, soll die Reihenfolge, in der die Operationen beschrieben sind,
nicht als eine Beschränkung
ausgelegt werden. Operationen können
sich wiederholen, können
in einer beliebigen Reihenfolge kombiniert werden und/oder können parallel sein,
um den Prozeß zu
implementieren. In Abschnitten der folgenden Erörterung kann auf die Darstellungen
von 1-8 und den Gegenstand davon Bezug
genommen werden. Die in Verbindung mit 9 beschriebenen
Prozeduren können
unter Nutzung der zuvor beschriebenen Implementierungen realisiert
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 9 wird bei Block 902 eine
Anordnung in einen ersten Betriebsmodus geschaltet. Der erste Betriebsmodus
kann dem Belastungsmodus entsprechen, der hierin weiter oben beschrieben
wurde.
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Bei
Block 904 wird eine Referenzschaltung blockiert. Die Referenzschaltung
kann blockiert werden, indem sie von einer Versorgungsspannung getrennt
wird. Deshalb können
Bauelemente der Referenzschaltung an einer Alterung gehindert werden.
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Bei
Block 906 kann ein Takt an eine Prüfschaltung geliefert werden.
Während
des Belastungsmodus können
Bauelemente der Prüfschaltung einer
Alterung gemäß einer
Schaltaktivität
des Takts unterworfen werden.
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Bei
Block 908 wird eine Anordnung in einem zweiten Betriebsmodus
geschaltet. Der zweite Betriebsmodus kann dem Meßmodus entsprechen, wie er
hierin weiter oben beschrieben wurde. Bei einer Implementierung
kann einmal pro Tag in den Meßmodus
eingetreten werden. Zusätzlich
oder alternativ kann in den Meßmodus
während
jeder Einschaltphase eines Halbleiterbauelements eingetreten werden.
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Bei
Block 910 wird die Referenzschaltung freigegeben. Die Referenzschaltung
kann freigegeben werden, indem sie an die Versorgungsspannung angeschlossen
wird.
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Bei
Block 912 wird der Takt von der Prüfschaltung getrennt.
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Bei
Block 914 wird ein Differenzfrequenzmessung auf der Basis
eines Ausgangs der Prüfschaltung
und eines Ausgangs der Referenzschaltung durchgeführt. Jede
der Prüfschaltung
und der Referenzschaltung kann asynchron zu dem Takt und zueinander
arbeiten. Ein Signal am Ausgang jeder der Prüfschaltung und der Referenzschaltung
kann mit einer Frequenz schwingen, die einer Leistung der Prüfschaltung
bzw. der Referenzschaltung entspricht. Über die Differenzfrequenzmessung
kann eine Differenz bei der Leistung der Prüfschaltung und der Referenzschaltung
bestimmt werden. Die Differenz bei der Leistung der Prüfschaltung
und der Referenzschaltung kann den Alterungszustand der Prüfschaltung
anzeigen. Es ist anzumerken, daß eine
Zeitperiode des Meßmodus
im Vergleich zu einer Zeitperiode des Belastungsmodus kurz ist.
Deshalb kann eine Alterung jeder der Referenzschaltung und der Prüfschaltung
während
des Meßmodus
vernachlässigbar
sein.
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Bei
einer Implementierung kann jede der Prüfschaltung und der Referenzschaltung
mindestens ein Speicherungselement und mindestens eine Stufe einer
kombinatorischen Logik umfassen. Im Meßmodus kann ein Ausgang der
mindestens einen Stufe von kombinatorischer Logik an einen Eingang des
mindestens einen Speicherungselements gekoppelt sein. Deshalb kann
jede der Prüfschaltung
und der Referenzschaltung in einer Regelkreiskonfiguration arbeiten,
und ein jeweiliger Ausgang kann gemäß einer Leistung jeder der
Prüfschaltung
und der Referenzschaltung schwingen.
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Bei
einer Implementierung können
die Prüfschaltung
und die Referenzschaltung kalibriert werden. Die Kalibrierung kann
zu einer Zeit t0 durchgeführt
werden, wenn die Prüfschaltung
noch nicht belastet worden ist. Über
die Kalibrierung kann ein Kalibrierungswert bestimmt werden, der
einer Differenz bei der Leistung der Prüfschaltung und der Referenzschaltung
zur Zeit t0 entspricht. Die Differenz bei der Leistung kann durch
eine Differenz bei der Schaltungsstruktur und/oder eine Differenz
bei der Bauelementstruktur verursacht werden. Ein Ergebnis der Differenzfrequenzmessung
kann auf der Basis des Kalibrierungswerts eingestellt bzw. justiert
werden. Beim Bestimmen des Alterungszustands der Prüfschaltung
werden deshalb Differenzen zwischen der Prüfschaltung und der Referenzschaltung
berücksichtigt.
Der Kalibrierungswert kann in einem Speicherungselement gespeichert
werden. Bei einer Implementierung kann ein Betriebsparameter einer Funktionsschaltung
auf der Basis eines Ergebnisses der Differenzfrequenzmessung justiert
werden.
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Die
Prüfschaltung
kann auf solch eine Weise implementiert werden, daß sie die
Funktionsschaltung im Hinblick auf Alterung darstellt. Wenn die
Alterung der Prüfschaltung
detektiert wird, kann deshalb ein Betriebsparameter der Funktionsschaltung
eingestellt bzw. justiert werden, um die Auswirkungen der Alterung
zu kompensieren. Beispielsweise kann der Betriebsparameter eine
Versorgungsspannung, eine Frequenz oder eine Body-Biss-Spannung
sein. Bei einer Implementierung kann die Versorgungsspannung der
Funktionsschaltung zum Kompensieren der Alterung heraufgesetzt werden.
Zusätzlich
oder alternativ kann die Frequenz eines Takts, der an die Funktionsschaltung
gekoppelt ist, herabgesetzt werden. Folglich kann die Funktionsschaltung
mit einer niedrigeren Taktfrequenz arbeiten, um eine Fehlfunktion der
Funktionsschaltung aufgrund einer Alterung zu verhindern. Zusätzlich oder
alternativ kann eine Body-Biss-Spannung von Bauelementen der Funktionsschaltung
geregelt werden.
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Schlußfolgerung
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Für die Zwecke
dieser Offenbarung und der Ansprüche,
die folgen, sind die Ausdrücke „gekoppelt” und „verbunden” verwendet
worden, um zu beschreiben, wie verschiedene Elemente zusammenarbeiten.
Dieses beschriebene Zusammenarbeiten von verschiedenen Elementen
kann entweder direkt oder indirekt sein. Wenngleich der Gegenstand
in einer Sprache beschrieben worden ist, die spezifisch für strukturelle
Merkmale und/oder methodische Akte ist, ist zu verstehen, daß der in
den beigefügten
Ansprüchen
definierte Gegenstand nicht notwendigerweise auf die beschriebenen
spezifischen Merkmale oder Akte beschränkt ist. Vielmehr werden die
spezifischen Merkmale und Akte als Beispielformen des Implementierens
der Ansprüche
offenbart. Es liegt innerhalb des Schutzbereichs dieser Offenbarung,
verschiedene Merkmale der verschiedenen Implementierung und Ansprüche zu kombinieren,
um Variationen davon zu produzieren.