JP4295896B2 - Cmos集積回路及びこれを用いたタイミング信号発生装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体試験装置等において、タイミング精度の要求されるタイミング信号を発生するCMOS集積回路及びこのCMOS集積回路を用いたタイミング信号発生装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術の例について、図4〜図6を参照して説明する。
最初に、従来の半導体試験装置等において、タイミング精度の要求されるタイミング信号を発生するCMOS集積回路の主要構成と各動作について説明する。図4に示すように、従来のタイミング信号を発生するCMOS集積回路の一例は、電源10と、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30とで構成している。
【0003】
電源10は、CMOS集積回路に電源電流を供給する定電圧電源である。
例えば、VDD側をGNDとし負電圧をVSSとして供給している。
【0004】
制御回路ブロック20は、クロック信号に同期して、タイミング発生ブロック30の遅延回路31の制御信号を生成しているロジック系回路である。
【0005】
タイミング発生ブロック30は、クロック信号を制御信号により所望の時間遅延させる複数の可変遅延回路31で構成される。
可変遅延回路31は、例えばCMOSゲートの伝搬遅延のある経路と無い経路とを選択して、その差分の遅延時間を組み合わせた構成の可変遅延回路である。
【0006】
次に、従来のタイミング信号を発生するCMOS集積回路の動作について説明する。
制御回路ブロック20は、論理回路で構成されているので、論理素子の伝搬遅延時間がある程度変動しても、段間のデータの受け渡しにタイミング裕度が確保されていれば、論理動作に影響を与えない。
【0007】
一方、タイミング発生ブロック30は、出力のタイミング信号そのものをタイミングの基準として使用するので、伝搬遅延時間の変動が出力タイミング信号の誤差となる。
従って、高精度のタイミング信号出力を得るためには、タイミング発生ブロック30の伝搬遅延時間が変動する要因を排除する必要がある。
【0008】
タイミング発生ブロック30の遅延時間が変動する要因としては、周囲温度、自己発熱量によって定まるチップ温度、電源電圧の変動などがある。
周囲温度は、冷却手段の改善により、例えば冷媒温度を一定に保つことで安定化できる。
また、電源電圧は、例えばCMOS集積回路のチップに供給する電圧をセンスする高精度の電圧レギュレータを使用することで安定化できる。
【0009】
しかし、CMOS集積回路のチップの自己発熱量を安定化するのは困難である。
一般に、CMOS集積回路の論理ゲートは、出力が反転する瞬間に電源電流が流れたとき電力消費し、定常的な消費電力は無い。
例えば、集積回路のチップの動作率と自己発熱量との関係を図5に示す。
ここに、動作率とは、集積回路のチップを動作させたとき、単位時間当たりのゲート出力が反転する総数である。
図5の点線で示すように、ECL集積回路のチップの自己発熱量は、動作率によらず一定である。
しかし、図5の実線で示すように、CMOS集積回路のチップの自己発熱量は、動作率と比例関係にある。
【0010】
従って、CMOS集積回路の動作率の変化は自己発熱量の変化となり、チップの温度変化となり伝搬遅延時間の変化となる。
例えば、図6に示すように、CMOS集積回路のチップ温度が上昇すると、伝搬遅延時間は増加する。
つまり、CMOS集積回路の動作率が変化すると、チップの温度変化となり、伝搬遅延時間が変化するので、タイミング信号出力におけるタイミングドリフトやタイミングジッタとなる。
【0011】
ところで、半導体試験装置においては、被試験デバイスの試験仕様に柔軟に対応するため、発生する試験信号の周期やタイミングは自由に設定することが可能である必要がある。
そのため、タイミング発生器の出力のタイミング信号も試験サイクル毎に自由に設定できるようになっている。
【0012】
例えば、或る試験サイクルでは4nsの周期で、次の試験サイクルでは1μsの周期でタイミング信号を出力したりする。
その結果、タイミング発生器のCMOS集積回路の動作率が変化して、チップの温度が変化する。
【0013】
そこで、タイミング発生ブロック30に関しては、各タイミング信号の可変遅延回路31ごとにダミーの遅延回路を設けて、制御回路ブロック20の反転出力数の情報データを基に、該ダミーの遅延回路を反転出力動作をさせてリアルタイムに動作率を或程度までは一定化させている。
【0014】
しかし、制御回路ブロック20自体の動作率を一定化していないので、その動作率の変化により温度が変化して、同一チップ内のタイミング発生ブロック30に、その温度変化が伝熱して伝搬遅延時間の変動となり、タイミング信号出力におけるタイミングドリフトやタイミングジッタとなる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
上記説明のように、半導体試験装置において、タイミング発生器のCMOS集積回路の動作率が変化して、タイミング信号出力におけるタイミングドリフトやタイミングジッタとなる。
そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、その目的は、半導体試験装置等において使用される、タイミング発生器のCMOS集積回路の動作率が変化しても、タイミング信号出力におけるタイミングドリフトやタイミングジッタが生じないようにしたタイミング発生器のCMOS集積回路を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記目的を達成するためになされた本発明の第1は、
タイミング信号を発生するタイミング発生ブロックと、
該タイミング発生ブロックのタイミングを制御する制御回路ブロックとによりタイミング信号を発生するCMOS集積回路において、
制御電圧により電源電流が制御されるヒータ回路と、
前記タイミング発生ブロックと、前記制御回路ブロックと、前記ヒータ回路とに流れる電源電流を電流検出手段で検出し、前記ヒータ回路の制御電圧としてヒータ回路に流れる電流を負帰還制御するヒータ制御回路と、
を具備してCMOS集積回路の消費電力が一定となるようにしていることを特徴としたCMOS集積回路を要旨としている。
【0017】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第2は、
前記CMOS集積回路側の電源電圧をセンスして、印加電圧を一定となるように制御している電源レギュレータと、
をさらに具備した本発明第1記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0018】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第3は、
ヒータ回路は、印加信号を制御して電源電流を制御している電流制御素子で構成される本発明第1記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0019】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第4は、
印加信号を制御して電流カットできるスイッチ素子を設けてヒータ回路に流れる電源電流をカットできるようにした本発明第1または3記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0020】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第5は、
上記電流制御素子は、MOSFETで構成される本発明第3記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0021】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第6は、
上記スイッチ素子は、MOSFETで構成される本発明第4記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0022】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第7は、
上記ヒータ回路の各ヒータセルはチップ全体に均等に分布するよう配置している本発明第1記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0023】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第8は、
上記ヒータ回路の各ヒータセルは当該制御回路ブロックのみに分布するよう配置している本発明第1記載のCMOS集積回路を要旨としている。
【0024】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第9は、
タイミング信号を発生するタイミング発生ブロックと、
該タイミング発生ブロックのタイミングを制御する制御回路ブロックとによりタイミング信号を発生するCMOS集積回路を有する、タイミング信号発生装置において、
当該CMOS集積回路内には、
制御電圧により電源電流が制御されるヒータ回路と、
を備え、
当該CMOS集積回路外には、
前記タイミング発生ブロックと、前記制御回路ブロックと、前記ヒータ回路とに流れる電源電流を電流検出手段で検出し、前記ヒータ回路の制御電圧とし
てヒータ回路に流れる電流を負帰還制御するヒータ制御回路と、
を備え、
CMOS集積回路の消費電力が一定となるようにしていることを特徴としたタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0025】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第10は、
前記CMOS集積回路側の電源電圧をセンスして、印加電圧を一定となるように制御している電源レギュレータと、
をさらに具備した本発明第9記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0026】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第11は、
ヒータ回路は、印加信号を制御して電源電流を制御している電流制御素子で構成される本発明第9記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0027】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第12は、
印加信号を制御して電流カットできるスイッチ素子を設けてヒータ回路に流れる電源電流をカットできるようにした本発明第9または11記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0028】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第13は、
上記電流制御素子は、MOSFETで構成される本発明第11記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0029】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第14は、
上記スイッチ素子は、MOSFETで構成される本発明第12記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0030】
また、上記目的を達成するためになされた本発明の第15は、
上記ヒータ回路の各ヒータセルはチップ全体に均等に分布するよう配置している本発明第9記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0031】
そして、上記目的を達成するためになされた本発明の第16は、
上記ヒータ回路の各ヒータセルは当該制御回路ブロックのみに分布するよう配置している本発明第9記載のタイミング信号発生装置を要旨としている。
【0032】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、下記の実施例において説明する。
【0033】
【実施例】
本発明の実施例について、図1〜図3を参照して説明する。
最初に、本発明のタイミング精度の要求されるタイミング信号を発生するCMOS集積回路の主要構成と各動作について説明する。
図1に示すように、本発明のタイミング信号を発生するCMOS集積回路の一例は、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30と、ヒータ回路40と、ヒータ制御回路50と、電源レギュレータ60とで構成している。
この構成において、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30とは、従来技術と同じであるので説明を省略する。
【0034】
ヒータ回路40は、例えば図2に示すようにNタイプMOSFET1によるヒータセルが複数並列接続して構成されている。
但し、ヒータ回路40の各ヒータセルはチップ全体に均等に分布するよう配置している。
そして、各ヒータセルのMOSFET1のドレインとソースは電源のVDDとVSSにそれぞれ接続され、ゲートの制御電圧Hcはヒータ制御回路50から供給される。
また、ゲートの制御電圧Hcにより、各ヒータセルつまりヒータ回路40に流れる電源電流が制御される。
【0035】
ヒータ制御回路50は、図1に示すように、ヒータ回路40と、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30とに流れる電源電流ISSを検出する低抵抗値の抵抗Rsと、基準電圧Vrefと差動増幅器とで構成している。
また、ヒータ制御回路50は、下記式(1)となるようにヒータ回路40のヒータ制御電圧Hcにより負帰還して、電源電流のISSが一定となるように制御している。
ISS×Rs=Vref ・・・・(1)
【0036】
例えば、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30との動作率が大きくなって電源電流ISSが増加したときは、ヒータ回路40に流れる電源電流が少なくなるようにヒータ制御電圧Hcの電位を高くして電源電流ISSが一定となるように制御している。
反対に、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30との動作率が小さくなって電源電流ISSが減少したときは、ヒータ回路40に流れる電源電流が増加するようにヒータ制御電圧Hcの電位を低くして電源電流ISSが一定となるように制御している。
【0037】
電源レギュレータ60は、CMOS集積回路に電源電流を供給する定電圧電源である。
そして、GND電位のVDDに対して、ヒータ制御回路50の電源電流の検出抵抗Rsを介して負電圧のVSSとして供給(force)している。
そして、タイミング発生回路のVSS側の電圧を検出(sense)して、電源レギュレータ60の内部基準電圧となるようにVSSの負電圧を安定化している。
【0038】
従って、CMOS集積回路の動作率が変化しても、チップに供給されるVDDとVSS間の電源電圧が一定に安定化され、電源電流ISSも一定になるように制御されるので、チップ全体の消費電力は常に一定値となり、チップの温度を一定となるように保つことができる。
【0039】
従って、CMOS集積回路の動作率が変化しても、チップの温度は一定に保たれるので伝搬遅延時間が変化しない。
つまり、CMOS集積回路の動作率が変化しても、伝搬遅延時間が変化しないので、タイミング信号出力におけるタイミングドリフトやタイミングジッタが生じにくいので高精度のタイミング信号が発生できる。
【0040】
ところで、CMOS集積回路の試験手法の一つであるIDDQ(静止電源電流測定)がある。
このIDDQ測定を実施する場合のヒータセルの回路は、例えば図3に示すように、NタイプのMOSFET1と、PタイプのMOSFET2とで構成している。
NタイプのMOSFET1のゲート電圧Hcには、ヒータ制御回路50からヒータ制御電圧Hcをあたえる。
PタイプのMOSFET2のゲート電圧CONTは、電流カットの制御端子であり、CONT=VDDのときヒータ回路に流れる電源電流がカットされ、CONT=VSSのときヒータ回路40に電源電流が流れる。
従って、IDDQ測定を実施するときは、CONT=VDDとしてヒータ回路40に流れる電源電流をカットしておこなう。
【0041】
上記実施例においては、ヒータ回路40の各ヒータセルはチップ全体に均等に分布するよう配置している。 しかし、タイミング発生ブロック30において、各タイミング信号の可変遅延回路31ごとにダミーの遅延回路を設けて、制御回路ブロック20の反転出力数の情報データを基に、該ダミーの遅延回路を反転出力動作をさせてリアルタイムに動作率を或程度までは一定化させていて、実用上充分に補償されている場合には、この部分へのヒータセルの配置を除外してもよい。
すなわち、ヒータ回路40の各ヒータセルを、制御回路ブロック20のみに分布するよう配置してもよい。
【0042】
また、上記実施例においては、図2及び図3におけるヒータ回路は、MOSFETで構成されている。 しかしMOSFETに限るわけではなく、制御電圧に応じて動作する電流制御素子であればよい。
【0043】
また、上記実施例においては、図3における電源電流カット手段は、MOSFETを使用している。 しかしMOSFETに限るわけではなく、電流カットの制御信号に応じて動作するスイッチ素子であればよい。
【0044】
また、上記実施例においては、本発明要素は、CMOS集積回路として構成されている。 しかし、一部の要素をCMOS集積回路の外に配置し、全体として、CMOS集積回路を用いたタイミング信号発生装置として構成してもよい。
例えば、電源レギュレータ60をCMOS集積回路の外に配置し、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30と、ヒータ回路40と、ヒータ制御回路50とをCMOS集積回路の内に配置して、タイミング信号発生装置として構成してもよい。
また他の例として、ヒータ制御回路50と、電源レギュレータ60とをCMOS集積回路の外に配置し、制御回路ブロック20と、タイミング発生ブロック30と、ヒータ回路40とをCMOS集積回路の内に配置して、タイミング信号発生装置として構成してもよい。
【0045】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように、CMOS集積回路の動作率が変化しても、チップに供給されるVDDとVSS間の電源電圧が一定に安定化され、電源電流ISSも一定になるように制御されるので、チップ全体の消費電力は常に一定値となり、チップの温度を一定となるように保つことができるので、以下に記載されるような効果を奏する。
即ち、CMOS集積回路の動作率が変化しても、伝搬遅延時間が変化しないので、タイミング信号出力におけるタイミングドリフトやタイミングジッタが生じにくいので高精度のタイミング信号が発生できる効果がある。
また、チップ温度が一定となるから、制御回路ブロックの温度変化が少なくなるので回路上のタイミング裕度が取りやすくなり制御回路ブロックの簡素化もできる効果もある。
さらに、電流カットの制御端子付きのヒータ回路を使用すれば、CMOS集積回路の試験手法の一つであるIDDQ(静止電源電流測定)の測定も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のCMOS集積回路のブロック図である。
【図2】ヒータセルの基本回路図である。
【図3】電流カット制御端子付きヒータセルの回路図である。
【図4】従来のCMOS集積回路のブロック図である。
【図5】集積回路の動作率と自己発熱量との関係図である。
【図6】CMOS集積回路のチップ温度と伝搬遅延時間との関係図である。
【符号の説明】
10 電源
20 制御回路ブロック
30 タイミング発生ブロック
31 可変遅延回路
40 ヒータ回路
50 ヒータ制御回路
60 電源レギュレータ
Claims (11)
- タイミング信号を発生するタイミング信号発生装置であって、
タイミング信号を発生するタイミング発生ブロックと、
前記タイミング発生ブロックのタイミングを制御する制御回路ブロックと、
制御電圧により電源電流が制御されるヒータ回路と、
前記タイミング発生ブロック、前記制御回路ブロック、および前記ヒータ回路に流れる電源電流を電流検出手段で検出し、前記ヒータ回路の制御電圧としてヒータ回路に流れる電流を負帰還制御するヒータ制御回路と、
を備え、
前記タイミング発生ブロック、前記制御回路ブロック、および前記ヒータ回路は、同一のCMOS集積回路内に設けられ、
前記ヒータ制御回路は、前記タイミング発生ブロック、前記制御回路ブロック、および前記ヒータ回路を含む前記CMOS集積回路全体の消費電力が一定となるように前記ヒータ回路に流れる電流を制御する
タイミング信号発生装置。 - 前記CMOS集積回路側の電源電圧をセンスして、印加電圧を一定となるように制御している電源レギュレータと、をさらに具備した請求項1記載のタイミング信号発生装置。
- 前記ヒータ制御回路は、前記タイミング発生ブロック、前記制御回路ブロック、および前記ヒータ回路に流れる電源電流を検出するための検出抵抗を有し、
前記電源レギュレータは、前記タイミング発生ブロックと前記検出抵抗との間の電圧を検出して、当該電圧が前記電源レギュレータの内部基準電圧となるように、前記検出抵抗を介して前記タイミング発生ブロックに電圧を供給する
請求項2に記載のタイミング信号発生装置。 - ヒータ回路は、印加信号を制御して電源電流を制御している電流制御素子で構成される請求項1から3のいずれかに記載のタイミング信号発生装置。
- 印加信号を制御して電流カットできるスイッチ素子を設けてヒータ回路に流れる電源電流をカットできるようにした請求項1から4のいずれかに記載のタイミング信号発生装置。
- 上記電流制御素子は、MOSFETで構成される請求項4記載のタイミング信号発生装置。
- 上記スイッチ素子は、MOSFETで構成される請求項5記載のタイミング信号発生装置。
- 上記ヒータ回路の各ヒータセルはチップ全体に均等に分布するよう配置している請求項1から7のいずれかに記載のタイミング信号発生装置。
- 上記ヒータ回路の各ヒータセルは当該制御回路ブロックのみに分布するよう配置している請求項1から7のいずれかに記載のタイミング信号発生装置。
- 前記ヒータ制御回路は、前記CMOS集積回路内に配置される請求項1から9のいずれかに記載のタイミング信号発生装置。
- 前記ヒータ制御回路は、前記CMOS集積回路の外に配置される請求項1から9のいずれかに記載のタイミング信号発生装置。
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