ES2294888B1 - Procedimiento para determinar las caracteristicas electricas de circuitos analogicos integrados. - Google Patents
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Abstract
Caracterización eléctrica de circuitos analógicos integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura. La presente invención describe la caracterización eléctrica de circuitos analógicos integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura. La Fig. 1 muestra un cristal semiconductor (1) que puede contener diferentes circuitos analógicos (2-3-4-6-7). Por ejemplo, y sin que la lista limite los ámbitos de aplicación de la presente, estos circuitos pueden ser amplificadores, mezcladores, PLLs u osciladores. El funcionamiento de un circuito analógico provoca una disipación de potencia y ésta un incremento de temperatura. Mediciones de ciertos componentes frecuenciales de dicha temperatura realizadas en diferentes zonas del cristal semiconductor (10) permiten obtener características eléctricas de los diferentes circuitos analógicos, tales como, y sin que la lista limite los ámbitos de aplicación de la presente, ganancia, no linealidades y ruido de fase. La medida de la temperatura puede hacerse bien mediante sensores de temperatura integrados en el mismo cristal semiconductor, bien mediante sensores externos.
Description
Procedimiento para determinar características
eléctricas de circuitos analógicos integrados.
La presente invención se refiere a la
caracterización eléctrica de circuitos electrónicos analógicos
integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de
temperatura. El sector de la técnica es el de caracterización de
circuitos electrónicos analógicos, en concreto, circuitos
electrónicos analógicos integrados en un cristal semiconductor.
La caracterización actual de circuitos
analógicos, que en este documento denominamos caracterización
clásica, se basa en la medida directa de magnitudes eléctricas
(tensión y/o corriente) en ciertos nodos del circuito integrado. Es
por tanto un requerimiento obligado que estos nodos en los que se
haga la medida sean accesibles desde el exterior del chip para
poder conectar a ellos los instrumentos de medida. Adicionalmente,
estos nodos pueden tener que estar adaptados a las necesidades de
los instrumentos de medida, por ejemplo, determinados valores de
impedancia de salida, siendo la más usual 50 o 75 ohmios.
En cuanto a la utilización de la magnitud
temperatura en circuitos analógicos integrados, la patente [1]
propone un procedimiento para la detección de anomalías
estructurales en circuitos analógicos integrados, consistente en la
medida dinámica (en el tiempo) de la temperatura en diferentes
puntos de la superficie del cristal semiconductor, llevada a cabo
mediante circuitos sensores de temperatura integrados en el mismo
cristal del circuito que se verifica.
[1] P 200002735 Procedimiento de verificación
estructural de circuitos integrados analógicos basado en la
observación interna y concurrente de temperatura.
La caracterización clásica tiene algunos
inconvenientes, el primero de ellos la necesidad de accesibilidad
externa de los nodos de interés del circuito a caracterizar. Las
altas prestaciones a las que han llegado las tecnologías de
fabricación de circuitos integrados, fundamentalmente las basadas en
transistores de efecto de campo MOS como las CMOS y sus derivadas
las BiCMOS, juntamente con los exigentes requerimientos del mercado
en cuanto a bajo coste de fabricación y bajo consumo, están
provocando una tendencia en el diseño y fabricación de sistemas
electrónicos a integrar el mayor número posible de componentes y
circuitos en un número mínimo de chips, minimizando al mismo tiempo
el número de entradas y salidas externas. Todo esto está provocando
una disminución en la accesibilidad de nodos del sistema integrado,
con las consiguientes limitaciones en la fase de caracterización y
en la de test de los circuitos internos del chip mediante medición
directa de tensiones y corrientes de los mismos.
Otro inconveniente de la caracterización clásica
surge en la caracterización de circuitos analógicos integrados para
radiofrecuencia: aún suponiendo accesibilidad de la salida de un
circuito interno del chip, en circuitos analógicos para
aplicaciones en bandas de radio frecuencia las mediciones eléctricas
requieren de la adaptación a 50 o 75 ohmios (que son las
impedancias típicas de entrada de los equipos de medida a estas
frecuencias), lo que conlleva un incremento del consumo en los
circuitos a caracterizar para que puedan controlar una impedancia
externa de ese valor tan bajo, además de una mayor complejidad de
diseño.
El procedimiento para la obtención de
características eléctricas de circuitos analógicos integrados que se
propone en este documento se basa en que los parámetros eléctricos
usualmente medidos para caracterizar el comportamiento del circuito
electrónico bajo medida, que son tensiones v y corrientes
i, provocan de forma inexorable una disipación de potencia
p en el circuito -por ejemplo, en un elemento resistivo de
dos terminales, la potencia disipada viene dada por el producto de
la diferencia de tensión entre ambos terminales y la corriente que
circula por el mismo, p=v*i-, potencia que contiene
información de los parámetros de interés, v e i. El
análisis eléctrico de un circuito permite relacionar las tensiones y
corrientes en el mismo con los estímulos eléctricos aplicados y con
sus características eléctricas (ganancia, no linealidades, ruido de
fase...), lo que implica que, si los estímulos son conocidos, la
potencia disipada por el circuito depende, en algunos casos, de sus
características eléctricas. La disipación de potencia provoca a su
vez en el elemento en cuestión un incremento de temperatura
\DeltaT sobre la temperatura ambiente. Midiendo diferentes
componentes frecuenciales de dicho incremento de temperatura
\DeltaT es posible, para algunos casos, estimar diferentes
componentes frecuenciales de la potencia disipada p, a
partir de las cuales es posible obtener los parámetros que
caracterizan a un circuito analógico.
Una limitación natural que presenta la medición
de la temperatura en la superficie de un circuito integrado es el
hecho de que la relación entre potencia disipada por un dispositivo
ubicado en el circuito integrado y la temperatura que se mide en la
superficie del cristal semiconductor del mismo circuito integrado
se puede modelar como un filtro paso bajo con una frecuencia de
corte de valor a lo sumo algún centenar de kilohercios [2] (el
valor de esta frecuencia de corte depende de la distancia entre el
elemento disipativo y el punto en donde se mide la temperatura en
un circuito integrado y de ]as propiedades físicas de los
materiales que constituyen el circuito integrado). Por lo tanto,
componentes espectrales de la potencia disipada de frecuencias
superiores a esta frecuencia de corte no serian visibles a partir de
mediciones de temperatura. No obstante, aplicando una señal a la
entrada del circuito bajo medida adecuada, es posible tener una
componente espectral de la potencia disipada a una frecuencia por
debajo de la frecuencia de corte del acoplo térmico aún cuando las
señales aplicadas sean de frecuencias superiores, por ejemplo,
dentro del rango de GHz. Esto es posible por dos razones: primero,
que la potencia se calcula a partir del producto de las señales
eléctricas de tensión y de corriente. Este producto nos proporciona
un mezclado frecuencia) intrínseco que permite desplazar
frecuencialmente las componentes espectrales de la potencia
disipada respecto la frecuencia de las componentes espectrales de
las señales eléctricas que las generan. Segundo, en el caso de que
el circuito presente no linealidades, estas por definición generan
señales eléctricas que son producto de como mínimo dos señales
eléctricas del mismo circuito, proporcionando otro mezclado
frecuencial intrínseco con iguales resultados.
El presente procedimiento propone estimular al
circuito bajo medida con una señal eléctrica que sea suma de un
mínimo de dos señales sinusoidales de frecuencias f1 y f2, de forma
que estas frecuencias estén dentro de operación del circuito bajo
medida (por ejemplo en el rango de GHz para circuitos de radio
frecuencia), pero de forma que la diferencia de frecuencias
f2-f1 (si f2 > f1) tenga un valor inferior a la
frecuencia de corte de los acoplos térmicos en circuitos integrados.
Gracias al mezclado frecuencia) intrínseco que nos proporciona el
efecto Joule, se generará una componente espectral de la potencia
disipada por los dispositivos del circuito bajo medida a la
frecuencia de batimiento f2-f1, siendo ésta
observable térmicamente. Adicionalmente, las no linealidades
generaran componentes espectrales de la potencia disipada a
frecuencias 2(f2-f1),
3(f2-f1), etc... en función del orden de la
no linealidad que presente el circuito bajo medida.
Son pues las componentes espectrales de la
potencia de frecuencias n\cdot(f2-f1),
donde n es un número entero, las que podrán ser observadas a partir
de mediciones de temperatura efectuadas en la superficie del
cristal semiconductor, existiendo una relación lineal entre el
módulo y fase de la componente espectral de la temperatura medida a
una frecuencia y el módulo y fase de la componente espectral de la
potencia disipada a la misma frecuencia.
Es una limitación de la presente invención el
hecho de que no todas las características eléctricas de un circuito
analógico pueden ser observadas a partir de mediciones de
temperatura. Las componentes espectrales de la potencia disipada
tienen módulo y fase. A partir de un análisis circuital o de
simulaciones se puede encontrar para cada circuito la relación que
existe entre la figura de mérito del circuito a la frecuencia f1 y
f2 y los valores de amplitud y fase de las componentes espectrales
de la potencia a las frecuencias n(f2-f1).
Aquellas figuras de mérito que influyan sobre los valores de
amplitud y fase de alguna de estas componentes espectrales serán
las que podrán ser determinadas u observadas a partir de mediciones
de la temperatura.
Adicionalmente, pueden existir condicionantes
que hagan que no pueda observarse mediante mediciones de
temperatura la dependencia que existe entre la figura de mérito de
interés del circuito bajo medida y la amplitud o fase de una
componente espectral de la potencia. La temperatura observada en un
área de la superficie del circuito integrado depende principalmente
de la potencia disipada por todos los dispositivos ubicados en las
cercanías de la zona de medida. La presencia de dispositivos que
tengan una disipación de potencia en la frecuencia de medida puede
interferir en la acción de relacionar la amplitud y fase de la
temperatura medida respecto a la amplitud y fase de la componente
espectral de la potencia disipada por el dispositivo de interés.
Adicionalmente, hay que tener presente que los sistemas de medición
de temperatura tienen sensibilidad y resolución limitadas y que los
sistemas de medida externos al circuito integrado se pueden ver
afectados por las características del propio xip, tales como grueso
de las capas de óxido y pasivación en la superficie del cristal
semiconductor y el numero de capas cíe metal con las que se haya
diseñado o fabricado el chip.
En caso de que tanto el layout del circuito
integrado como los métodos de medición de temperatura permitan
relacionar la amplitud y fase de la componente espectral de la
temperatura con la amplitud y fase de la componente espectral de la
potencia disipada por el circuito o dispositivo bajo medida, y
siendo ésta dependiente de la figura de mérito de interés del
circuito bajo medida a la frecuencia f1 y f2, procesado de los
valores de amplitud y fase medidos de las diferentes componentes
espectrales de la temperatura nos permitirán determinar la figura
de mérito de interés.
La ventaja del fundamento de caracterización
propuesto respecto al clásico de medir directamente las tensiones
y/o corrientes del circuito a caracterizar radica en que el aquí
presentido no requiere tener observabilidad directa de los nodos de
salida del circuito, tal y como es necesario en caso de querer medir
directamente tensiones y/o corrientes. En el caso de circuitos
analógicos en general, la medida de la temperatura aporta el no
requerir cargar eléctricamente los nodos de medida, y puede aportar
además el ahorro de nodos extras de entrada/salida necesarios en el
método clásico. En un caso específico, por ejemplo, en el de
circuitos analógicos para radiofrecuencia, el método presentado
puede presentar respecto al clásico no sólo un ahorro en nodos
extras, sino también el no requerir adaptar esos nodos a una
impedancia baja como puede ser 50 o 75 Ohmios.
Otra ventaja que presenta el procedimiento
propuesto en la presente invención radica en el hecho de que el
acoplo térmico aumenta su atenuación a medida que la distancia entre
el elemento disipativo y el punto en donde se mide la temperatura.
Esta propiedad física nos proporciona un particionado intrínseco del
circuito bajo medida, permitiendo realizar simultáneamente
mediciones de temperatura en diferentes puntos del circuito
integrado para caracterizar en paralelo a varios circuitos, dado que
las interferencias térmicas entre circuitos es menor al aumentar la
distancia entre circuitos y componentes.
La medición de la temperatura puede hacerse
mediante sensores externos al cristal semiconductor, o mediante
sensores integrados en el mismo cristal semiconductor. En ambos
casos, las medidas del parámetro temperatura reportadas hasta la
fecha llegan hasta unas frecuencias del orden de decenas de
kilohercios hasta cien kilohercios [2]. Como se ha comentado, esto
no limita la posibilidad de caracterizar eléctricamente circuitos
integrados a frecuencias muy superiores, dado que tanto las no
linealidades del circuito a caracterizar (que son potencias
aritméticas de las tensiones y/o corrientes del circuito) como el
parámetro potencia disipada (que es el producto tensión por
corriente), y por tanto también el incremento de temperatura
\DeltaT, provocan una traslación a baja frecuencia de la
información de interés, esto es, de la información que contiene la
tensión y la corriente a estimar que se encuentra a alta
frecuencia.
Es por lo tanto posible caracterizar
eléctricamente circuitos integrados mediante la medición del
incremento de temperatura sobre la temperatura ambiente debido a la
disipación ele potencia que tiene lugar en el circuito en cuestión,
aunque las salidas de dicho circuito no sean accesible desde el
exterior, y aunque la frecuencia a la que se caracteriza el
comportamiento eléctrico del circuito sea superior a la frecuencia
máxima del sistema de medida de temperatura.
La Fig. 1 es un ejemplo de cristal semiconductor
que incluye diferentes circuitos analógicos. La Fig. 2 es un
ejemplo de cristal semiconductor con un único circuito analógico: un
amplificador en topología de surtidor común. En ambas figuras se
indican a titulo de ejemplo posibles puntos (10,
15-16) donde se puede medir la temperatura para la
caracterización eléctrica de los diferentes circuitos analógicos.
Las Figs. 3-4 muestran dos posibles configuraciones
de medida de la temperatura en la superficie del cristal
semiconductor. En la Fig. 3 la temperatura se mide con un sensor de
temperatura integrado en el mismo cristal semiconductor que el
circuito amplificador. En el ejemplo, el sensor de temperatura es de
topología diferencial. En la Fig. 4 la temperatura se mide con un
láser (por ejemplo, mediante reflectometría o interferometría)
basándose en la dependencia de las propiedades ópticas de los
materiales que forman el cristal semiconductor con la
temperatura.
La presente invención se refiere a la
caracterización eléctrica de circuitos analógicos integrados
mediante la medición de temperatura. La Fig. 1 muestra un cristal
semiconductor (1) con diferentes circuitos analógicos en su
interior. A modo de ejemplo, hay un amplificador (2), un mezclador
(3), un oscilador (4), un filtro (6) y un convertidor analógico a
digital (7). En el circuito hay unas entradas/salidas a nivel
eléctrico (8) que pueden ser utilizadas bien para alimentar los
circuitos, bien para introducir señales que contienen información,
o bien para polarizar los diferentes circuitos ubicados en el
cristal semiconductor. Si se quisieran obtener las características
eléctricas de cada uno de los diferentes circuitos analógicos sería
necesario que todos los nodos intermedios (9) fuesen accesibles
desde el exterior, a fin de poder conectar los instrumentos de
medida y poder realizar una caracterización con el método clásico.
Adicionalmente, en algunas aplicaciones se precisaría que dichos
nodos tuviesen una impedancia adaptada a un determinado valor (por
ejemplo, 50 Ohmios), con los costes de diserto y consumo que ello
conlleva. El método descrito en la presente propone el medir la
temperatura en puntos específicos del cristal semiconductor (10) y,
a partir de esta medida, obtener algunas de las características
eléctricas de los diferentes circuitos analógicos que hay en el
cristal semiconductor. La principal ventaja que ello conlleva es
que no se realiza una carga eléctrica de los nodos internos del
circuito, siendo además innecesario que dichos nodos sean
observables desde el exterior.
La Fig. 2 muestra un ejemplo más específico. En
el cristal semiconductor (1) hay un único circuito analógico, en
este caso un amplificador en surtidor común. Este amplificador está
formado por un componente activo (11), en este ejemplo un
transistor NMOS, y una resistencia de carga (12) de valor R_{b}.
Los pines del chip sirven para alimentar el circuito (13), para
introducir la señal eléctrica a amplificar (14) y para obtener la
señal eléctrica amplificada (5). Después de un análisis térmico del
chip, se observa que en la superficie del cristal semiconductor hay
dos regiones (15) y (16) que presentan como propiedades que la
temperatura en (15) depende básicamente de la potencia disipada en
la resistencia (12), mientras que la temperatura en (16) depende
básicamente de la potencia disipada en el transistor MOS (11). Estos
puntos son los que presentan interés para la caracterización
descrita en la presente.
La potencia disipada en el dispositivo activo
(11) y en la resistencia de carga (12) depende de la tensión
aplicada en (14) y en las características eléctricas del
amplificador. Si denominamos I_{s} a la corriente
eléctrica que circula a través de los terminales (13) y que circula
a través los dos dispositivos que constituyen el amplificador (se
asume que no circula corriente por (5)), dicha corriente se puede
modelar como:
I_{S} =
I_{DC} +
f(V_{in})
Donde I_{DC} es la corriente de
polarización y f(V_{in}) es la función de
transconductancia del dispositivo activo, siendo V_{in} la
tensión aplicada en la entrada (14). Si el amplificador es lineal,
la función de transconductancia es:
f(V_{in}) = K_{1}
\cdot
V_{in}
Si el dispositivo activo tiene no linealidades
de segundo orden el amplificador también las tendrá. En este caso la
función de transconductancia es:
f(V_{in}) = K_{1}
\cdot V_{in} + K_{2} \cdot
V^{2}_{in}
En las anteriores expresiones, el parámetro
K_{1} está relacionado con la ganancia del amplificador y
K_{2} con la no linealidad de segundo orden del
amplificador. Dichos parámetros dependen de las características de
los dispositivos que forman el circuito analógico, y en este ejemplo
son los parámetros que se quieren medir cuando se hace una
caracterización eléctrica del amplificador, a los que denominamos de
forma genérica características eléctricas del amplificador.
La Fig. 3 muestra una posible configuración para
realizar medidas de temperatura que sirvan para extraer las
características eléctricas del amplificador. La señal eléctrica de
entrada está formada por la suma (17) de dos tensiones sinusoidales
(18-19). Las expresiones matemáticas que modelan las
dos tensiones sinusoidales son: para la (18)
A \cdot
Cos(2\pi f_{1} \cdot
t)
\vskip1.000000\baselineskip
Y para la (19):
A \cdot
Cos(2\pi f_{2} \cdot
t)
Dependiendo de los valores de f_{1} y
de f_{2}, diferentes componentes de la temperatura medida
en (16) pueden ser utilizados para obtener el valor de las
características eléctricas del amplificador. En este ejemplo
f_{1} y f_{2} tienen un valor superior al del
ancho de banda de los fenómenos de acoplo térmico en el cristal
semiconductor (cuyo valor es de entre 100 KHz y 1 MHz para
tecnologías basadas en el silicio), y además f_{1} y
f_{2} son lo suficientemente próximas entre sí para que su
diferencia (f_{2}-f_{1}) y dos veces su diferencia
2 \cdot (f_{2}-f_{1}) estén dentro del ancho de
banda de los fenómenos de acoplo térmico en el cristal
semiconductor del circuito integrado.
El análisis eléctrico del circuito muestra que
la potencia disipada por el dispositivo activo (11) tiene
diferentes componentes frecuenciales. Si el amplificador es lineal,
la componente de la potencia disipada por el dispositivo activo
(11) a la frecuencia (f_{2}-f_{1}) es:
La componente de la temperatura en (16) a la
frecuencia (f_{2}-f_{1}) es directamente
proporcional a la componente de la potencia del dispositivo activo
(11) a la misma frecuencia, pudiendo utilizar la componente de la
temperatura mencionada para obtener el valor de K_{1}.
Si el amplificador tiene no linealidades de
segundo orden, la componente de la potencia disipada por el
dispositivo activo (11) a la frecuencia
2\cdot(f_{2}-f_{1}) es:
La componente de la temperatura en (16) a la
frecuencia 2\cdot(f_{2}-f_{1}) es directamente
proporcional a la componente de la potencia del dispositivo activo
(11) a la misma frecuencia, pudiendo ser utilizada la componente de
la temperatura mencionada para obtener el valor de K_{2}. Y
la componente de la potencia disipada por el dispositivo activo
(11) a la frecuencia (f_{2}-f_{1}) es:
La componente de la temperatura de (16) a la
frecuencia (f_{2}-f_{1}) es directamente
proporcional a la componente de la potencia del dispositivo activo
(11) a la misma frecuencia. Mediante dicha componente de
temperatura, y una vez obtenido el valor de K_{2}, puede
obtenerse el valor de K_{1}.
Para medir la temperatura en esta realización se
utiliza un sensor de temperatura (20) integrado en el mismo cristal
semiconductor que el circuito analógico que se caracteriza. En este
, ejemplo, el sensor de temperatura es diferencial, de forma que
algún parámetro de la señal eléctrica proporcionada en (26) es
directamente proporcional a la diferencia de temperaturas entre los
puntos (16) y (21). En la literatura especializada estos sensores
han reportado una elevada sensibilidad a incrementos de temperatura
generados por la potencia disipada por dispositivos ubicados en el
mismo cristal semiconductor [2]. En este ejemplo, el parámetro de
la señal eléctrica disponible en (26) que es proporcional a la
diferencia de temperaturas es la amplitud de la tensión. Para
obtener la componente frecuencial deseada de la señal eléctrica
(26) se utiliza un amplificador tipo "lock-in"
(22). El generador (25) sirve para indicar al generador la
frecuencia de la componente de la temperatura que se quiere medir.
La amplitud y la fase de la componente de la temperatura que se
está midiendo se obtienen en los terminales (23) y (24).
\newpage
La Fig. 4 muestra el mismo circuito analógico a
caracterizar que en la Fig. 3. En este caso, la temperatura se mide
mediante técnicas ópticas, utilizando un láser (26) y un circuito
fotodetector (27). Las componentes frecuenciales de la temperatura
se obtienen con el mismo procedimiento que en la Fig. 3.
[2] Josep Altet, Stefan Dilhaire,
Sebastian Volz, Jean-Michel Rampnoux,
Antonio Rubio, Stephane Grauby, Luis David Patino
Lopez, Wilfrid Claeys, Jean-Bernard
Saulnier, "Four different approaches for the measurement
of IC surface temperature: application to thermal testing",
Microelectronics Journal 33, (2002),
689-696.
Claims (2)
1. Procedimiento para determinar características
eléctricas de circuitos analógicos integrados caracterizado
por:
i) Aplicar en alguna de las entradas del
circuito analógico a caracterizar una señal eléctrica que se pueda
escribir como la suma de cómo mínimo dos funciones sinusoidales.
ii) Medir módulo y fase de una componente
espectral de la temperatura en las proximidades del circuito
analógico a caracterizar. La frecuencia de la componente espectral
de la temperatura es combinación lineal de las frecuencias
aplicadas en el punto anterior.
iii) Obtención de la característica eléctrica
del circuito analógico integrado a partir del procesado de la
amplitud y de la fase de la señal de temperatura medida.
2. La caracterización de circuitos analógicos
integrados basada en la reivindicación 1 en que las mediciones de
temperatura se realizan mediante mediciones de cualquier magnitud
física (por ejemplo, dilatación, variación de indices de reflexión,
velocidad de propagación del sonido) cuya causa de variación sea
una variación de la temperatura.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2003219737A1 (en) * | 2002-02-12 | 2003-09-04 | Massachusetts Institute Of Technology | Method and apparatus for characterization of devices and circuits |
-
2005
- 2005-06-16 ES ES200501512A patent/ES2294888B1/es active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2294888A1 (es) | 2008-04-01 |
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