JP2003114253A - 波形測定用半導体集積回路 - Google Patents

波形測定用半導体集積回路

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な測定方法で、LSI上の高速かつ微弱
で範囲の広い電圧波形を高精度に測定することができる
測定回路を提供する。 【解決手段】 本発明による波形測定用半導体集積回路
14は、サンプリングクロック信号4により入力波形1
の電圧値を参照して保持するサンプリングヘッド12
と、このサンプリングヘッド12で保持された電圧値を
増幅して出力するアンプ13と、被測定半導体集積回路
10に供給されているクロック信号3から周期の微少に
異なるサンプリングクロック信号4を生成しサンプリン
グヘッド12に供給するサンプリングクロック発生ブロ
ック11から構成される。これにより、簡単な測定方法
で、LSI上の高速かつ微弱で範囲の広い電圧波形を高
精度に測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、波形測定用半導体
集積回路に関し、特に、波形測定回路とクロック発生ブ
ロックを内蔵した波形測定用半導体集積回路に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、集積回路内に構成されるトランジ
スタの性能・特性等が飛躍的な進歩を遂げている。この
様な傾向において、半導体集積回路においてシグナルイ
ンテグリティ(波形品質の完全性)の重要性と共に、波
形測定の困難さ等の新たな効果・問題点等も生じてい
る。この効果・問題点等を、項目別に以下に列挙する。
【0003】(シグナルインテグリティの重要性)半導
体微細加工技術の進展により、トランジスタ性能は着実
に向上している。しかし、LSI上の電源ノイズ、基板
ノイズ、配線間のクロストーク、配線のインダクタンス
効果等により、波形品質の完全性(シグナルインテグリ
ティ)が劣化し、この劣化がLSIトータルでの性能向
上を阻害している。そこで、高シグナルインテグリティ
を実現するためには、現状のLSI上での波形品質を実
測により把握し、モデル化を行い、CADによる上記現
象を回避した設計を行う必要がある。
【0004】(波形測定の困難さ)ところが、電源ノイ
ズ、基板ノイズ、配線間のクロストーク、配線のインダ
クタンス効果等の現象は、クロック信号の立ち上がり、
立ち下がりに起因する。このため、数10psと非常に
高速な上、微少な電圧変化である。従って、観測用の線
をLSI外部に引き出して外部から測定しても、引き出
し線の寄生RLC成分により、LSI上の波形の正確な
評価が困難となる。そこで、正確な評価を行うために
は、オンチップにサンプリング型の波形測定回路を搭載
し、高速なLSI上の波形を低速に変換して、LSI外
部に出力する必要がある。
【0005】(従来のアナログ出力型波形測定回路の
例)サンプリング型のアナログ出力型オンチップ波形測
定回路の例として、「ロー等、アイ・イー・イー・イー
・シンポジウム・オン・ブイエルエスアイ・サーキッツ
・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペーパーズ、第1
38〜139頁、1998年6月(R. Ho, et al., IEEE
Symposium on VLSI CircuitsDigest ofTechnical
Papers, pp.138−139, June, 1998)」に掲
載された回路を、図6に示す。本従来の回路では、サン
プリングクロック4、4bを外部からサンプルアンドホ
ールド回路に供給し、入力信号1のサンプリングを行
う。この結果、出力端子2からアナログ信号が出力され
る。
【0006】(従来のデジタル出力型波形測定回路の
例)サンプリング型のデジタル出力型オンチップ波形測
定回路の例として「永田等、アイ・イー・イー・イー・
インターナショナル・ソリッドステート・サーキッツ・
コンファレンス・ダイジェスト・オブ・テクニカル・ペ
ーパーズ、第43巻、第224〜225頁、2000年
2月(M . Nagata, et al., IEEE Symposium onIntern
ational Solid-State Circuits Conference Digest of
Technical Papers, vol.43,pp.224-225, February, 200
0 )」に掲載された(図13.6.5/参考文献)基板
ノイズ測定回路を、図7に示す。従来例を示すこれらの
図6および図7において、本発明と同一特性の部品は、
同一部品番号で示している。
【0007】従来例を示す図6および図7において、サ
ンプリングクロック4、4bを外部からスイッチ24、
25に供給する。図7では、スイッチ25が開いた状態
で、スイッチ24を閉じた瞬間での入力電圧1と参照電
圧5の大小比較結果が、電圧比較回路70の出力端子2
からデジタルで出力される。あるサンプリングのタイミ
ングに対して、参照電圧5を徐々に変化させて、繰り返
し比較を行うことにより、そのタイミングにおける入力
電圧1を推定する。入力波形全体を測定するためには、
サンプリングのタイミングを微少にずらしながらの各タ
イミングにおいて、上記の繰り返し比較を行わなければ
ならない。
【0008】本発明と技術分野の類似する先願発明例1
として、特開2001−141783号公報の「集積回
路およびその評価方法」がある。本先願発明例1では、
動作確認の難しい高速信号の送受信を行う集積回路にお
いて、構成が簡単な時間軸伸張回路を追加搭載すること
で、IC評価の簡単化の実現を図っている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来技術では、サンプリング型のオンチップ波形測定回
路は、以下の問題を伴う。
【0010】(第1の問題点)従来技術の第1の問題点
は、測定の精度が低い点である。サンプリング測定の精
度は、LSI内部の周期信号とサンプリングクロック信
号の周期の差で決まり、差が小さいほど精度が高いとい
う特徴がある。また、上記の2つの従来例のアナログ出
力型波形測定回路およびデジタル出力型波形測定回路で
は、共にサンプリングクロック信号を外部から供給す
る。このため、LSI内部の周期信号とサンプリングク
ロック信号の周期の差を微少量に維持することは困難で
あり、測定の精度が低くなってしまう。
【0011】(第2の問題点)従来技術の第2の問題点
は、測定可能な電圧範囲が狭い点である。従来のアナロ
グ出力型波形測定回路では、rail-to-railアンプを用い
ても、接地電位から電源電位の範囲の電圧しか測定する
ことができない。しかし、電源ノイズ、基板ノイズ、配
線間のクロストーク、配線のインダクタンス効果による
信号波形のオーバーシュート・アンダーシュート等を測
定するためには、接地電圧以下から電源電圧以上に至る
広い範囲の電圧を測定する必要がある。従って、従来の
アナログ出力型波形測定回路では、シグナルインテグリ
ティのチェックはできない。
【0012】(第3の問題点)従来技術の第3の問題点
は、測定方法が煩雑である。上記の2つの従来例では、
共にサンプリングクロック信号を外部から供給する必要
がある。更に、従来のデジタル出力型波形測定回路で
は、測定系とデータ処理が煩雑となる。なぜなら、サン
プリングのタイミングと参照電圧の両方を、それぞれ独
立に変化させて入力電圧と参照電圧の大小比較を多数回
行い、その結果から入力波形を復元しなければならない
からである。
【0013】そこで、本発明は、精度が高く、測定可能
な電圧範囲が広く、測定方法が簡単な波形測定用半導体
集積回路を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項1の発明の波形測定用半導体集積回路は、L
SIチップ内に集積され該LSIチップ内の電圧波形を
測定する第1の回路と、測定の結果をLSIチップ内に
集積された第2の回路あるいはこのLSIチップ外にあ
る第3の回路に出力する出力回路とを有し、LSIチッ
プ内の電圧波形の測定機能を構成したことを特徴として
いる。
【0015】請求項2の発明は、請求項1記載の波形測
定用半導体集積回路において、第1の回路は、所定の第
1の入力サンプリングクロック信号のタイミングに合わ
せて、第2の入力信号の波形の電圧値を参照する第1の
サンプリングヘッドを含むことを特徴とする。
【0016】請求項3の発明は、請求項2記載の波形測
定用半導体集積回路において、LSIチップ内に存在す
る所定の周期信号を第1の入力信号とし、周期信号の周
期よりも所望の値だけ周期が異なる第1の入力サンプリ
ングクロック信号を生成し、この生成した第1の入力サ
ンプリングクロック信号を第1の回路に入力する第1の
サンプリングクロック発生回路をさらに有することを特
徴とする。
【0017】請求項4の発明は、請求項2または3記載
の波形測定用半導体集積回路において、第1のサンプリ
ングヘッドが参照できる電圧値を、接地電圧以下から電
源電圧以上としたことを特徴とする。
【0018】請求項5の発明は、請求項1から4の何れ
かに記載の波形測定用半導体集積回路において、第1の
回路が測定できる電圧値を、接地電圧以下から電源電圧
以上としたことを特徴とする。
【0019】請求項6の発明は、請求項4または5記載
の波形測定用半導体集積回路において、第1のサンプリ
ングヘッドは、第1の入力信号が第1の電圧値のレベル
の時に、第2の入力信号の電圧値を記憶する第1の容量
素子と、第1の入力信号が第1の電位値のレベルの時
に、所定の第3の入力信号の電圧値を記憶する第2の容
量素子と、第1の入力信号の電圧値が前記第2の入力信
号の電圧値のレベルの時に、第1の容量素子と第2の容
量素子とを相互に接続して電荷再分配を起こさせる第1
のスイッチとを具備したことを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して、本発
明による波形測定用半導体集積回路の実施の形態を詳細
に説明する。図1から図5を参照すると、本発明の波形
測定用半導体集積回路の一実施形態が示されている。本
発明の実施の形態を、0.13μmCMOSプロセス技
術を用いた具体例について、図面を参照して詳細に説明
する。
【0021】(全体ブロック)図1に、本発明の波形測
定用半導体集積回路の実施例のブロック図を示す。本実
施形態の波形測定用半導体集積回路14は、1つのサン
プリングクロック発生ブロック11、N個のサンプリン
グヘッド12、1つのアンプ13、から構成されてい
る。上記構成の波形測定用半導体集積回路14と被測定
半導体集積回路10とへは同一のクロック3が供給さ
れ、被測定半導体集積回路10からの出力信号が入力1
として波形測定用半導体集積回路14へ伝達され、これ
らクロック3および入力1を受けた波形測定用半導体集
積回路14からは、出力2が出力される。
【0022】上記の通り、波形測定用半導体集積回路1
4へは、被測定半導体集積回路10とサンプリングクロ
ック発生ブロック11にクロック3が供給される。サン
プリングクロック発生ブロック11は、クロック3から
周期の微少に異なるサンプリングクロック4を発生し、
サンプリングヘッド12に供給する。サンプリングヘッ
ド12は、サンプリングクロック4により被測定半導体
集積回路10からの入力波形1の電圧値をサンプリング
して保持し、これをアンプ13で増幅して出力する。こ
こにおいて、面積節約のため、N個のサンプリングヘッ
ド12a〜12nでは、1つのサンプリングクロック発
生ブロック11とアンプ13を共用している。
【0023】(サンプリングヘッドの構成)図1を構成
するサンプリングヘッド12の実施例の回路図を、図2
に示す。本実施形態のサンプリングヘッド12は、スイ
ッチ素子20、21、22、23、容量素子30、3
1、32、N型MOSトランジスタ40、p型MOSト
ランジスタ41、を有して構成される。本構成のサンプ
リングヘッド12への入出力信号の信号名は、入力1、
出力2、サンプリングクロック4、サンプリングクロッ
クの反転信号4b、アンプへの入力6、バイアス入力5
0、選択信号51、等である。
【0024】上記構成のサンプリングヘッド12におい
て、図2に示されているスイッチ20、21、22、2
3は、例えばCMOSトランスミッションゲートを用い
る。このサンプリングヘッド12は、サンプルアンドホ
ールド回路とアンプから構成される。サンプリングヘッ
ド12の−3dBの帯域は、スイッチ20と容量30で
決まり、20GHz程度である。サンプリングヘッド1
2の入力1を、例えば、クロック線、電源線、基板コン
タクトに接続することにより、クロック信号波形、電源
ノイズ波形、基板ノイズ波形を測定できる。選択信号5
1により、N個のサンプリングヘッド12a〜12nか
ら所望の1つのサンプリングヘッドを選択して測定を行
う。
【0025】サンプリングヘッド12への入力電圧1が
接地電圧以下から電源電圧(=1.2V)以上の広い範
囲の電圧を測定する必要がある。しかし、アンプへの入
力6は、0.3V〜0.9Vの範囲しか線形性がないの
で、直接アンプに入力すると正確な測定が出来ない。そ
こで、スイッチ21、22と容量31とバイアス入力5
0を新たに追加する。以下に、図2のサンプリングヘッ
ド12の概略動作例を示す。
【0026】スイッチ20、22とスイッチ21、23
は、ONとOFFあるいはOFFとONの状態になるよ
うに、サンプリングクロック4およびサンプリングクロ
ックの反転信号4bから、サンプリングクロック信号が
入力されている。スイッチ20によって、サンプリング
クロック4が第1の電位レベルの時に、入力信号1の電
圧レベルを容量30に記憶する。また同時に、スイッチ
22を用いて、サンプリングクロック4が第1の電位レ
ベルの時に、バイアス入力50の電圧レベルを容量31
に記憶する。
【0027】バイアス入力50は、アンプの入力レンジ
の中心値(例えば0.6V)に設定する。サンプリング
クロック4が第2の電位レベルの時には、スイッチ20
と22はOFFとなるが、スイッチ21と23はONと
なり、上記の容量30、31はスイッチ21により接続
され、電荷再分配が起こる。図2では、このときスイッ
チ23がONとなり、同時に容量32にも電荷が再分配
される。スイッチ23がOFFのときに、容量32の電
圧レベルはMOSトランジスタ41、40を用いて増幅
され、出力端子2から出力される。入力電圧1と出力電
圧2の関係は、キャリブレーションにより求める。
【0028】以上により、入力電圧1をバイアス入力5
0に近づけ、アンプへの入力6を0.3V〜0.9Vの
範囲に収めることができる。従って、入力電圧1が−|
Vt(nMOS)|からVdd+|Vt(pMOS)|
までの広い範囲で測定が可能になる。但し、Vt (nMOS)
はnMOSトランジスタのしきい電圧であり、Vt (pMO
S)はpMOSトランジスタのしきい電圧であり、Vddは
電源電圧である。
【0029】(アンプの構成)図1を構成するアンプ1
3の実施例の回路図を、図3に示す。図3に示す本実施
例のアンプ13は、2個のp型MOSトランジスタ41
を有して構成される。本構成のアンプ13では、カレン
トミラー回路により電流を増幅し、LSI外部の50Ω
終端のオシロスコープへ電流出力を行う。
【0030】(サンプリングクロック発生ブロックの構
成)図1を構成するサンプリングクロック発生ブロック
11の実施例のブロック図を、図4に示す。図4におい
て、本実施例のサンプリングクロック発生ブロック11
は、可変遅延オフセット回路60と遅延増加回路61と
を有して構成される。本実施例のサンプリングクロック
発生ブロック11では、面積を増やさず、測定可能な時
間範囲をなるべく広くするため、可変遅延オフセット回
路60と遅延増加61とで構成される。
【0031】上記構成のサンプリングクロック発生ブロ
ック11において、入力クロック3は、可変遅延オフセ
ット回路60に入り、0nsから7nsまで1ns刻み
の遅延回路(1ns delay回路)62の内のいず
れか1つの固定遅延を加えられる。次に遅延増加回路6
1に入り、クロック入力3毎に10psずつ増加する遅
延を、制御回路67でセレクタ66を制御することによ
り加えられる。10psの遅延は、160psの遅延単
位回路(160ps delay回路)63に対して位
相補間回路64により1/16の位相補間を行うことに
より生成している。10psが、実効サンプリングレー
ト100GHzに対応する。ここでは、サンプリングク
ロック発生ブロックとして遅延線を用いたが、これに限
定されるものではなく、位相同期ループ回路(PL
L)、遅延同期ループ回路(DLL)を用いても良い。
【0032】(動作波形)図5は、主要部の波形タイミ
ング図であり、本発明の波形測定用半導体集積回路の動
作例の模式図を示す。ここでは、入力信号1として正弦
波を仮定する。サンプリングクロック発生ブロックによ
り生成された周期(T+ΔT)のサンプリングクロック
4で、周期Tの入力信号1をサンプリングすることによ
り、出力信号2の周期は入力信号の周期のT/ΔT倍に
拡大される。従って、外部のオシロスコープは、低帯域
の特性を有する測定器で構わない。
【0033】図4の遅延増加回路61の総和が1.27
nsに達すると、遅延がリセットされる。従って、図5
に示すように、1度の測定の出力2の周期は128Tで
あり、入力信号(正弦波)1の一部しか出力されない。
しかし、図4の可変遅延オフセット回路60の遅延を変
化させることにより、出力する正弦波の部分をシフトさ
せることができるので、出力波形2をつなぎ合わせれば
入力信号(正弦波)全体を復元することができる。従っ
て、測定可能なトータルの時間範囲は、最大8.27n
sである。
【0034】(作用)上記実施形態による波形測定用半
導体集積回路は、サンプリングクロック発生回路を内蔵
することにより、外部の波形発生装置からサンプリング
クロック信号を供給する必要がなく、LSI内部周期信
号とサンプリングクロック信号の周期の差を非常に微少
にすることができる。また、低帯域のオシロスコープで
評価できる。従って、測定精度が高く、測定方法が簡単
となる。
【0035】上記実施形態によるサンプリングヘッドで
は、初段のアンプの入力レンジの中心電圧にプリチャー
ジされた容量素子と、入力電圧レベルをサンプルアンド
ホールドする容量素子の間で電荷再分配を行うことによ
り、接地電圧以下(−|Vt(nMOS) |)から電源電圧以
上(Vdd+|Vt(pMOS) |)に至る広い範囲の電圧を測
定することができる。但し、Vt(nMOS) はnMOSトラ
ンジスタのしきい電圧であり、Vt(pMOS) はpMOSト
ランジスタのしきい電圧であり、Vddは電源電圧であ
る。従って、電源ノイズ、基板ノイズ、配線間のクロス
トーク、配線のインダクタンス効果による信号波形のオ
ーバーシュート・アンダーシュート等を測定することが
でき、シグナルインテグリティのチェックが可能とな
る。
【0036】また、上記実施形態による波形測定用半導
体集積回路は、小面積であるので、本回路を複数搭載す
ることにより、LSI内の複数箇所のシグナルインテグ
リティのチェックも容易に行うことができる。
【0037】従って、本実施形態の波形測定用半導体集
積回路により、LSI上の信号波形及びノイズ波形を、
LSIが実装された状態でも高精度かつ容易に実測でき
る。また、実測に基づくシグナルインテグリティの設計
ガイドライン作成及び動作不具合解析が新たに可能とな
り、高品質なLSIの迅速な開発に大きく寄与する。
【0038】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例である。ただし、これに限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形
実施が可能である。
【0039】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の波形測定用半導体集積回路は、サンプリングクロック
信号により入力波形の電圧値を参照して保持するサンプ
リングヘッドと、サンプリングヘッドで保持された電圧
値を増幅して出力するアンプと、被測定半導体集積回路
に供給されている周期信号から周期の微少に異なるサン
プリングクロック信号を生成しサンプリングヘッドに供
給するサンプリングクロック発生回路から構成される。
これにより、簡単な測定方法で、LSI上の高速かつ微
弱で範囲の広い電圧波形を高精度に測定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の波形測定用半導体集積回路の実施例を
示すブロック図である。
【図2】サンプリングヘッドの実施例を示す回路図であ
る。
【図3】アンプの実施例を示す回路図である。
【図4】サンプリングクロック発生ブロックの実施例を
示すブロック図である。
【図5】波形測定用半導体集積回路の動作例を示す模式
図である。
【図6】従来のアナログ出力型波形測定回路の構成例を
示す回路図である。
【図7】従来のデジタル出力型波形測定回路の構成例を
示す回路図である。
【符号の説明】
1 入力 2 出力 3 クロック 4 サンプリングクロック 4b サンプリングクロックの反転信号 5 参照電圧 6 アンプへの入力 10 被測定半導体集積回路 11 サンプリングクロック発生ブロック 12 サンプリングヘッド 13 アンプ 14 波形測定用半導体集積回路 20、21、22、23、24、25 スイッチ素子 30、31、32、33 容量素子 40 N型MOSトランジスタ 41 p型MOSトランジスタ 50 バイアス入力 51 選択信号 60 可変遅延オフセット回路 61 遅延増加回路 62 1ns delay回路 63 160ps delay回路 64 位相補間回路 65、66 セレクタ 67 制御回路 70 電圧比較回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 LSIチップ内に集積され該LSIチッ
    プ内の電圧波形を測定する第1の回路と、 前記測定の結果を前記LSIチップ内に集積された第2
    の回路あるいは該LSIチップ外にある第3の回路に出
    力する出力回路とを有し、 LSIチップ内の電圧波形の測定機能を構成したことを
    特徴とする波形測定用半導体集積回路。
  2. 【請求項2】 前記第1の回路は、所定の第1の入力サ
    ンプリングクロック信号のタイミングに合わせて、第2
    の入力信号の波形の電圧値を参照する第1のサンプリン
    グヘッドを、含むことを特徴とする請求項1記載の波形
    測定用半導体集積回路。
  3. 【請求項3】 LSIチップ内に存在する所定の周期信
    号を第1の入力信号とし、前記周期信号の周期よりも所
    望の値だけ周期が異なる前記第1の入力サンプリングク
    ロック信号を生成し、該生成した第1の入力サンプリン
    グクロック信号を前記第1の回路に入力する第1のサン
    プリングクロック発生回路を、さらに有することを特徴
    とする請求項2記載の波形測定用半導体集積回路。
  4. 【請求項4】 前記第1のサンプリングヘッドが参照で
    きる電圧値を、接地電圧以下から電源電圧以上としたこ
    とを特徴とする請求項2または3記載の波形測定用半導
    体集積回路。
  5. 【請求項5】 前記第1の回路が測定できる電圧値を、
    接地電圧以下から電源電圧以上としたことを特徴とする
    請求項1から4の何れかに記載の波形測定用半導体集積
    回路。
  6. 【請求項6】 前記第1のサンプリングヘッドは、 前記第1の入力信号が所定の第1の電圧値のレベルの時
    に、前記第2の入力信号の電圧値を記憶する第1の容量
    素子と、 前記第1の入力信号の電圧値が前記第1の電圧値のレベ
    ルの時に、所定の第3の入力信号の電圧値を記憶する第
    2の容量素子と、 前記第1の入力信号の電圧値が前記第2の入力信号の電
    圧値のレベルの時に、前記第1の容量素子と第2の容量
    素子とを相互に接続して電荷再分配を起こさせる第1の
    スイッチとを、具備したことを特徴とする請求項4また
    は5に記載の波形測定用半導体集積回路。
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