JP2008175770A - 電位変動検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】集積回路の内部配線に生じた電位変動の絶対値を簡便に測定可能な電位変動検出装置を提供する。
【解決手段】電位変動検出装置は、内部配線、基準電圧を供給するための内部配線とは独立して配線された基準電圧供給配線、及び内部配線上の所定箇所の電位と基準電位供給配線の電位の差に応じた信号を出力する電位比較部を有する集積回路と、基準電圧供給配線に基準電圧を供給する電源部と、電位比較部から出力された信号の電圧を測定する電圧測定部と、電源部を制御して、電圧測定部によって測定された電圧に応じて基準電圧の値を制御する制御部と、を備える。制御部は、電圧測定部によって測定された電圧に基づいて内部配線に生じる電位変動を検出し、電位変動を検出した際の電源部が供給する基準電圧を所定箇所の絶対電圧値として測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、集積回路（以下「ＬＳＩ」という。）の内部配線に生じた電位変動を検出する電位変動検出装置に関する。

ＬＳＩでは、電源電流の変化と共に電位変動が発生する。ＬＳＩが有する電源系の内部配線の電位は、ＬＳＩの動作によって電源電圧から定常値に低下する。また、これと同時に、グランドに接続される内部配線の電位（ＧＮＤ電圧）も、ＬＳＩの動作によって定常値に引き上げられる。このような電位変動が定常的に発生すると、ＬＳＩの動作に関する余裕度を低める恐れがある。また、ＬＳＩがクロック同期回路の場合、ＬＳＩの複数の内部素子が同時に動作することにより、瞬間的に急激な電位変動が発生することがある。急激な電位変動は、ＬＳＩの動作に関する余裕度を低めるだけでなく、誤動作の要因になる。

このため、ＬＳＩでの電位変動を解析する装置がある。このような装置の１つは、電源電流変化時にＬＳＩ内部から放射される電磁波を受信するアンテナを用いる。当該装置は、ＬＳＩ内部から放射された電磁波に基づいて、電源電流の変化と共に発生する電位変動を測定する。

図９は、上記例に挙げた電位変動測定装置を示す図である。図９に示す電位変動測定装置は、ＬＳＩ１１０にループコイル式のアンテナ８０を非接触で近接させ、ＬＳＩ１１０から放射された電磁波に応じた起電力の変化を電圧計９０及び計算部９５を用いて解析することにより、ＬＳＩ１１０の内部配線に生じた電位変動を測定する（特許文献１参照）。

特開２００１−９１５９６号公報

上記電位変動測定装置を用いれば、非接触で電位変動を測定可能であるため、ＬＳＩのチップがパッケージに封入されたままでも良い。しかし、電磁波に応じた起電力の変化を解析して得られた値はＬＳＩの内部配線の電位の推定値であるため、内部配線に接触して得られた絶対電圧値の方が好ましい。また、非接触での測定では、瞬間的な電位変動の測定が困難である。さらに、製造プロセスの微細化に伴いＬＳＩの動作電圧が低く設定されると、非接触での電位変動の測定は非常に困難である。

本発明の目的は、集積回路の内部配線に生じた電位変動を検出して内部配線の絶対電圧値を測定可能な電位変動検出装置を提供することである。

本発明は、内部配線、基準電圧を供給するための前記内部配線とは独立して配線された基準電圧供給配線、及び前記内部配線上の所定箇所の電位と前記基準電位供給配線の電位の差に応じた信号を出力する電位比較部を有する集積回路と、前記基準電圧供給配線に前記基準電圧を供給する電源部と、前記電位比較部から出力された信号の電圧を測定する電圧測定部と、前記電源部を制御して、前記電圧測定部によって測定された電圧に応じて前記基準電圧の値を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電圧測定部によって測定された電圧に基づいて前記内部配線に生じる電位変動を検出する電位変動検出装置を提供する。

上記電位変動検出装置では、前記制御部は、前記電位変動を検出した際の前記電源部が供給する基準電圧を前記所定箇所の絶対電圧値として測定する。

上記電位変動検出装置では、前記電位比較部はオペアンプであり、前記集積回路は、前記電位比較部を含む増幅回路を有し、前記電圧測定部は、前記増幅回路から出力された信号の電圧を測定する。

上記電位変動検出装置では、前記集積回路は、前記電位比較部の出力を保持し、外部から供給されるラッチ信号に応じて保持した信号を出力するラッチ部を有し、前記電圧測定部は、前記ラッチ部から出力された信号の電圧を測定する。

上記電位変動検出装置では、前記集積回路は、前記内部回線上の複数の箇所の中から１つの箇所を選択するスイッチ部を有し、前記電位比較部は、前記スイッチ部によって選択された箇所の電位と前記基準電位供給配線の電位の差に応じた信号を出力する。

本発明に係る電位変動検出装置によれば、集積回路の内部配線に生じた電位変動を検出することができ、さらには内部配線の絶対電圧値を測定できる。

本発明に係る電位変動検出装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下説明する実施形態の電位変動検出装置は、集積回路（ＬＳＩ）の内部配線に生じた電位変動を検出する。なお、内部配線に生じうる電位変動は、内部配線の電圧値が電源電圧から漸減して定常値となる定常的な電位変動と、内部配線の電圧値が瞬間的に変化して元に戻る瞬間的な電位変動との２つの種類を含む。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態の電位変動検出装置を示す図である。図１に示すように、第１の実施形態の電位変動検出装置は、ＬＳＩ１０、電源部４１、電圧測定部４３及び制御部４５を備える。集積回路（ＬＳＩ）１０には、ＬＳＩ全体を網羅するように、内部配線１１が縦横に配置されている。ＬＳＩ１０の内部配線１１の代表的なものに、内部素子に電源電圧を供給する電源配線、及び接地電圧を供給する接地（ＧＮＤ）配線がある。また、ＬＳＩ１０には、内部配線１１とは電気的に完全に独立した基準電圧供給配線１２が配置されている。さらに、ＬＳＩ１０には、基準電圧供給端子１３、内部素子としてのオペアンプ１４及び検出端子１５が設けられている。ＬＳＩ１０の外部には電源部４１、電圧測定部４３及び制御部４５が設けられている。

ＬＳＩ１０の基準電圧供給端子１３には、外部の電源部４１が接続されている。電源部４１は、基準電圧供給端子１３を介して基準電圧をＬＳＩ１０に供給する。なお、電源部４１は、後述する制御部４５によって指示された電圧値の基準電圧を供給する。基準電圧供給配線１２は、前述したように、ＬＳＩ１０の内部配線１１とは電気的に完全に独立しており、基準電圧供給端子１３を介して電源部４１からの基準電圧をオペアンプ１４に供給する。

オペアンプ１４の非反転入力端子（＋端子）には、基準電圧供給配線１２が接続され、反転入力端子（−端子）には、内部配線１１上の任意箇所に設定された電圧観測箇所１６が接続されている。オペアンプ１４は、両入力端子の電位差に応じた信号を出力する。また、オペアンプ１４の出力端子は検出端子１５に接続されている。なお、本実施形態においても、電圧観測箇所１６の電圧値をＬＳＩ１０の外部から直接測定することはできない。

オペアンプ１４は、ＬＳＩ１０の動作によって定常的な電位変動又は瞬間的な電位変動が生じる内部配線１１と基準電圧供給配線１２との電位差に応じた信号を出力する。オペアンプ１４から出力された信号は、検出端子１５からＬＳＩ１０の外部に出力される。検出端子１５には、電圧測定部４３が接続されている。電圧測定部４３は、検出端子１５を介してオペアンプ１４から出力された出力信号の電圧値を測定する。制御部４５は、電圧測定部４３による測定結果に応じて、電源部４１が供給する基準電圧の電圧値を制御する。また、制御部４５は、電圧測定部４３による測定結果に基づいて、電位変動によって変位した内部配線の絶対電圧値を測定する。

図２は、第１の実施形態における（ａ）内部配線電圧値Ｖint、（ｂ）基準電圧供給値Ｖref及び（ｃ）検出端子電圧値Ｖdetの各変化を示すグラフである。内部配線電圧値Ｖintは、電圧観測箇所１６の電圧値である。図２（ａ）に示す例は、ＬＳＩ１０の電源電圧Ｖddから漸減して定常値（Ｖdd−Ｖdrop）となる内部配線電圧値Ｖintを示す。基準電圧供給値Ｖrefは、基準電圧供給端子１３を介して電源部４１から供給される基準電圧値である。図２（ｂ）に示す例は、電源電圧Ｖddから時間の経過と共に直線的に低下させた基準電圧供給値Ｖrefを示す。検出端子電圧値Ｖdetは、検出端子１５から出力される信号の電圧値である。図２（ｃ）に示す例は、図２（ａ）に示す例及び図２（ｂ）に示す例に基づく検出端子電圧値Ｖdetを示す。

電圧観測箇所１６の内部配線電圧値ＶintがＬＳＩ１０の動作によって定常的に電位変動している場合、電源部４１を制御することにより、この変位電圧を跨ぐように基準電圧供給値Ｖrefを徐々に変化させる。なお、図２に示した例では、基準電圧供給値Ｖrefを徐々に小さくしているが、徐々に大きくしても良い。基準電圧供給値Ｖrefを変化させると、オペアンプ１４への入力電圧差（基準電圧供給値Ｖref−内部配線電圧値Ｖint）がプラスからマイナスとなるしきい値電圧で、検出端子電圧値Ｖdetの極性が反転する。電圧測定部４３によって測定された検出端子電圧値Ｖdetの極性が反転したときの基準電圧供給値Ｖrefを、制御部４５は、内部配線１１上の電圧観測箇所１６における絶対電圧値として測定する。

図３は、第１の実施形態の電位変動検出装置が備える制御部４５及び電源部４１の動作を示すフローチャートである。制御部４５は、基準電圧供給値Ｖrefの初期値を電源電圧Ｖddと同じ電圧値に設定する（ステップＳ１）。電源部４１は、ステップＳ１で設定された基準電圧供給値Ｖrefの基準電圧をＬＳＩ１０に供給する（ステップＳ２）。制御部４５は、電圧測定部４３によって測定された検出端子電圧値Ｖdetの極性が反転したか否かを判別する（ステップＳ３）。検出端子電圧値Ｖdetの極性が反転していない場合、制御部４５は、基準電圧供給値Ｖrefを所定量低下させる（ステップＳ４）。そして、ステップＳ２に戻り、電源部４１は所定量低下した基準電圧をＬＳＩ１０に供給する。一方、ステップＳ３で検出端子電圧値Ｖdetの極性が反転した場合、制御部４５は、反転時の基準電圧を、内部配線１１上の電圧観測箇所１６における絶対電圧値として測定する（ステップＳ５）。この後、本処理を終了する。

以上説明したように、第１の実施形態では、電位変動検出及び絶対電圧値の測定の基準となる基準電圧供給配線１２を、内部配線１１とは完全に独立させてＬＳＩ内部に配置し、オペアンプ１４から出力される信号の検出端子電圧値Ｖdetの極性反転した際の基準電圧供給値Ｖrefが内部配線１１上の電圧観測箇所１６における絶対電圧値である。このため、ＬＳＩ１０の内部配線１１に生じた電位変動を検出して、内部配線１１上の電圧観測箇所１６における絶対電圧値を測定することができる。

なお、本実施形態では、電源電圧側の内部配線の内部配線電圧値Ｖintが電源電圧から定常値に低下した場合について説明しているが、電源電圧側の内部配線に限らず、ＧＮＤ供給配線であっても良い。例えば、ＧＮＤ供給配線の電圧がＧＮＤ電圧から定常値に上昇した場合でも同様に、検出端子電圧値Ｖdetの極性が反転した際の基準電圧供給値Ｖrefを、ＧＮＤ供給配線の絶対電圧値として測定することができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態の電位変動検出装置を示す図である。図４において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。第２の実施形態のＬＳＩ２０は、オペアンプ１４に抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２が接続された反転増幅回路を備える。抵抗Ｒ１は、電圧観測箇所１６とオペアンプ１４の反転入力端子（−端子）との間に挿入される。抵抗Ｒ２は、一端が抵抗Ｒ１及びオペアンプ１４の反転入力端子（−端子）間に接続され、他端がオペアンプ１４の出力端子に接続されている。オペアンプ１４及び抵抗Ｒ１，Ｒ２によって形成された反転増幅回路の電圧増幅率は、“−抵抗Ｒ２／抵抗Ｒ１”で表される。反転増幅回路にすることで、オペアンプ１４の出力特性を安定化させることができる。なお、オペアンプ１４の出力特性を安定化させるために出力利得の変更が必要な場合は、非反転増幅回路や差動増幅回路等も含め、他の増幅回路で構成しても良い。

図５は、第２の実施形態における（ａ）内部配線電圧値Ｖint、（ｂ）基準電圧供給値Ｖref及び（ｃ）検出端子電圧値Ｖdetの各変化を示すグラフである。図５（ａ）に示す内部配線電圧値Ｖint及び図５（ｂ）に示す基準電圧供給値Ｖrefは図２と同様の電位変化を示す。図５（ｃ）に示す検出端子電圧値Ｖdetの絶対値は、反転増幅回路によって第１の実施形態の図２（ｃ）に示した検出端子電圧値Ｖdetの絶対値よりも大きい。

以上説明したように、第２の実施形態では、抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２を用いて反転増幅回路を構成することによって、オペアンプ１４の出力利得を調整することができ、オペアンプ１４の出力特性を安定化することができる。

［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態の電位変動検出装置を示す図である。図６において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。第３の実施形態のＬＳＩ３０は、オペアンプ１４の出力と検出端子１５の間にラッチ回路５１を備える。ラッチ回路５１は、有効（Enable）又は無効（Disable）に設定される。ラッチ回路５１を制御するためのラッチ信号が有効（Enable）である場合、オペアンプ１４からの出力信号はラッチ回路５１を介して検出端子１５を介して出力される。

ラッチ回路５１は、ラッチ信号が有効（Enable）から無効（Disable）に切り替わるタイミングで、オペアンプ１４の出力を保持する。本実施形態では、内部配線電圧値Ｖintが所定の電圧値（Ｖdd−Ｖdrop）まで下がったタイミングで、ラッチ信号が有効（Enable）から無効（Disable）に切り替わる。なお、Enableのラッチ信号は、ＬＳＩ３０の内部素子から所定のタイミングで生成されるようにしても良いし、内蔵タイマが所定時間経過する毎に生成されるようにしても良いし、さらには、電圧測定部４３からＬＳＩ３０に設けられたイネーブル端子（図示せず）を通じて入力されるようにしても良い。

前述したように、ラッチ回路５１は、ラッチ信号が有効（Enable）から無効（Disable）に切り替わるタイミングで、オペアンプ１４の出力を保持する。ラッチ回路５１に保持されたオペアンプ１４の出力が検出端子１５を介して出力されると、電圧測定部４３で内部配線１１に生じた電位変動が検出される。一方、ラッチ信号が有効（Enable）のままである場合、第１の実施形態と同様の動作、つまり内部配線１１に生じた定常的な電位変動が検出される。このように、内部配線１１の定常的な電位変動だけでなく、任意の時間における瞬間的な電位変動も検出することができる。

図７は、第３の実施形態における（ａ）内部配線電圧値Ｖint、（ｂ）基準電圧供給値Ｖref、（ｃ）検出端子電圧値Ｖdet及び（ｄ）ラッチ信号の各変化を示すグラフである。図７（ｂ）に示す基準電圧供給値Ｖrefは図２と同様の電位変化を示す。図７（ｃ）に示す検出端子電圧値Ｖdetは、第１の実施形態と同様、基準電圧供給値Ｖrefを変化させることによって、電位変動の絶対値を計測するために使用される。

定常的な電位変動ではなく、時間によって動的に変位する瞬間的な電位変動である場合、本実施形態では、その電位変動を検出するために、図７（ｄ）に示すように、所定の観測タイミングｔでラッチ信号を有効（Enable）状態から無効（Disable）状態に切り替える。この観測タイミングｔの時点で、オペアンプ１４の出力はラッチ回路５１に保持され、図７（ｃ）に示すように、ラッチ回路５１の出力信号はＬｏレベルからＨｉレベルに変化する。観測タイミングｔを任意の時間に設定することで、動的に変化する内部配線１１の電位変動を時間と共に検出することができる。なお、ラッチ回路５１がオペアンプ１４の出力を保持する間は、基準電圧供給値Ｖrefを一定電圧に設定しても良い。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、内部配線１１の定常的な電位変動を検出することができるだけでなく瞬間的な電位変動も検出することができる。なお、本実施形態では、オペアンプ１４の出力を保持するためにラッチ回路５１を用いたが、フリップフロップ等の回路を用いても良い。

［第４の実施形態］
図８は、第４の実施形態の電位変動検出装置を示す図である。図８において、図１と共通する構成要素には同じ参照符号が付されている。第４の実施形態のＬＳＩ４０は、オペアンプ１４の反転入力端子（−端子）と複数の電圧観測箇所１６１〜１６４との間にスイッチ７０を備える。

第４の実施形態では、制御部４５がスイッチ７０を切り替えることにより、ＬＳＩ４０の内部配線１１上に設定された複数の電圧観測箇所１６１〜１６４のいずれか一箇所を選択し、選択された電圧観測箇所の絶対値電圧を測定することができる。

なお、本実施形態では、スイッチ７０を用いて複数の電圧観測箇所１６１〜１６４を切り替えることで接続状態を変更する場合について説明したが、電気ヒューズ等の配線を切断する手段を用いて接続状態を変更しても良い。

本発明に係る電位変動検出装置の構成は、図１、図４、図６、図８に示される各実施形態の各構成要素が相互に組み合わされたものでも良い。

本発明に係る電位変動検出装置は、ＬＳＩの内部配線に生じた電位変動を検出可能であり、電源電位や接地電位の定常的な電位変動により変位した内部配線の絶対電圧値を測定する際に有用である。また、ＬＳＩ内の機能ブロックがクロック同期で動作する時に発生する、電源電位や接地電位の瞬間的な電位変動を検出する用途にも応用できる。

第１の実施形態の電位変動検出装置を示す図 第１の実施形態における（ａ）内部配線電圧値Ｖint、（ｂ）基準電圧供給値Ｖref及び（ｃ）検出端子電圧値Ｖdetの各変化を示すグラフ 第１の実施形態の電位変動検出装置が備える制御部及び電源部の動作を示すフローチャート 第２の実施形態の電位変動検出装置を示す図 第２の実施形態における（ａ）内部配線電圧値Ｖint、（ｂ）基準電圧供給値Ｖref及び（ｃ）検出端子電圧値Ｖdetの各変化を示すグラフ 第３の実施形態の電位変動検出装置を示す図 第３の実施形態における（ａ）内部配線電圧値Ｖint、（ｂ）基準電圧供給値Ｖref及び（ｃ）検出端子電圧値Ｖdetの各変化を示すグラフ 第４の実施形態の電位変動検出装置を示す図 関連技術としての電位変動測定装置を示す図

符号の説明

１０，２０，３０，４０ 集積回路（ＬＳＩ）
１１ 内部配線
１２ 基準電圧供給配線
１４ オペアンプ
１６、１６１〜１６４ 電圧観測箇所
４１ 電源部
４３ 電圧測定部
４５ 制御部
５１ ラッチ回路
７０ スイッチ
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗

Claims (5)

1. 内部配線、基準電圧を供給するための前記内部配線とは独立して配線された基準電圧供給配線、及び前記内部配線上の所定箇所の電位と前記基準電位供給配線の電位の差に応じた信号を出力する電位比較部を有する集積回路と、
   前記基準電圧供給配線に前記基準電圧を供給する電源部と、
   前記電位比較部から出力された信号の電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電源部を制御して、前記電圧測定部によって測定された電圧に応じて前記基準電圧の値を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電圧測定部によって測定された電圧に基づいて前記内部配線に生じる電位変動を検出することを特徴とする電位変動検出装置。
2. 請求項１に記載の電位変動検出装置であって、
   前記制御部は、前記電位変動を検出した際の前記電源部が供給する基準電圧を前記所定箇所の絶対電圧値として測定することを特徴とする電位変動検出装置。
3. 請求項１に記載の電位変動検出装置であって、
   前記電位比較部はオペアンプであり、
   前記集積回路は、前記電位比較部を含む増幅回路を有し、
   前記電圧測定部は、前記増幅回路から出力された信号の電圧を測定することを特徴とする電位変動検出装置。
4. 請求項１に記載の電位変動検出装置であって、
   前記集積回路は、前記電位比較部の出力を保持し、外部から供給されるラッチ信号に応じて保持した信号を出力するラッチ部を有し、
   前記電圧測定部は、前記ラッチ部から出力された信号の電圧を測定することを特徴とする電位変動検出装置。
5. 請求項１に記載の電位変動検出装置であって、
   前記集積回路は、前記内部回線上の複数の箇所の中から１つの箇所を選択するスイッチ部を有し、
   前記電位比較部は、前記スイッチ部によって選択された箇所の電位と前記基準電位供給配線の電位の差に応じた信号を出力することを特徴とする電位変動検出装置。

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