JP5228332B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

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Description

この発明は、回路規模を拡大することなく、高周波成分を含む電源ノイズを観測することを可能にする半導体集積回路に関する。
近年、半導体集積回路の製造プロセスの微細化が進むにつれて、電源ノイズが半導体集積回路の動作に及ぼす影響が大きくなっており、的確な対策を施すことが重要になっている。電源ノイズに対する対策を施すには、まず、正確に電源ノイズを観測することが必要である。
電源ノイズの観測手法としては、従来、半導体集積回路、もしくは、半導体集積回路を搭載した電子基板にオシロスコープを接続して観測する手法が一般的である。また、特許文献1においては、半導体集積回路にノイズ・アナライザ・ユニットをオンチップで搭載し、電源ノイズの観測を行う技術が提案されている。
特開2004−212387号公報
ところで、半導体集積回路は、微細化が進む一方で、動作速度が向上しており、例えば、CPU(Central Processing Unit)は、1GHzを超える速度で動作するようになっている。こうした高速で動作する半導体集積回路においては、高周波の電源ノイズが発生するが、高周波の電源ノイズは、減衰しやすいため、半導体集積回路の外部にオシロスコープを接続して観測することは困難である。
一方、特許文献1において提案されている技術のように、電源ノイズの観測を行う回路をオンチップで半導体集積回路に搭載する技術は、ノイズの発生源の近くで観測を行うことを可能にするため、高周波の電源ノイズを観測しやすい。しかしながら、特許文献1において提案されている技術は、ノイズデータを記憶するための記憶部等の多数の回路を半導体集積回路に実装するものであるため、半導体集積回路のコストを上昇させてしまうという問題がある。
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、回路規模を拡大することなく、高周波成分を含む電源ノイズを観測することを可能にする半導体集積回路を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の一つの態様では、自身を動作させるための電源の電源電圧と所定の基準電圧とを比較する電圧比較手段と、前記電圧比較手段の比較結果を記録する比較結果記録手段とを備える半導体集積回路であって、前記比較結果記録手段は、クロック信号を基準として、前記電圧比較手段において前記電源電圧が前記基準電圧を超過していると判定された期間の長さを記録することを特徴とする。
この発明の態様によれば、電源ノイズを観測するための仕組みを半導体集積回路の内部に設けつつ、観測対象の電源電圧と基準電圧との比較結果を時間軸ごとに継続的に記録するのではなく、電源電圧が基準電圧を超過していると判定された期間の長さのみを記録することとしたので、回路規模を拡大することなく、高周波成分を含む電源ノイズを観測することができる。
また、本発明の他の態様では、上記の発明の態様において、前記クロック信号を構成するパルスの幅を広げるクロック制御手段をさらに備えることを特徴とする。
この発明の態様によれば、電源電圧が基準電圧を超過していると判定された期間の長さを測定するためのクロック信号を構成するパルスの幅を広げることとしたので、高周波の電源ノイズを観測するために、クロック信号を高速化した場合であっても、測定結果を正確に記録することができる。
また、本発明の他の態様では、上記の発明の態様において、前記電圧比較手段は、前記電源とは異なる系統で供給される電源によって動作することを特徴とする。
この発明の態様によれば、電圧比較手段を操作させるための電源を観測対象の電源とは別系統で供給することとしたので、観測対象の電源のノイズの影響を受けることなく、正確にノイズの観測を行うことができる。
また、本発明の他の態様では、上記の発明の態様において、前記電圧比較手段に供給される電源を安定化させる電源安定化手段をさらに備えることを特徴とする。
この発明の態様によれば、電圧比較手段を操作させるための電源を電源安定化手段によって安定化させることとしたので、観測対象の電源のノイズの影響を受けることなく、正確にノイズの観測を行うことができる。
また、本発明の他の態様では、上記の発明の態様において、前記電圧比較手段は、可変抵抗によって前記基準電圧の電圧値を変更させることを特徴とする。
この発明の態様によれば、可変抵抗によって基準電圧を変更することができるようにしたので、基準電圧を段階的に変更して電源ノイズの観測を行うことにより、電源ノイズのピーク値を確認することができる。
本発明の一つの態様によれば、電源ノイズを観測するための仕組みを半導体集積回路の内部に設けつつ、観測対象の電源電圧と基準電圧との比較結果を時間軸ごとに継続的に記録するのではなく、電源電圧が基準電圧を超過していると判定された期間の長さのみを記録することとしたので、回路規模を拡大することなく、高周波成分を含む電源ノイズを観測することができるという効果を奏する。
また、本発明の一つの態様によれば、電源電圧が基準電圧を超過していると判定された期間の長さを測定するためのクロック信号を構成するパルスの幅を広げることとしたので、高周波の電源ノイズを観測するために、クロック信号を高速化した場合であっても、測定結果を正確に記録することができるという効果を奏する。
また、本発明の一つの態様によれば、電圧比較手段を操作させるための電源を観測対象の電源とは別系統で供給することとしたので、観測対象の電源のノイズの影響を受けることなく、正確にノイズの観測を行うことができるという効果を奏する。
また、本発明の一つの態様によれば、電圧比較手段を操作させるための電源を電源安定化手段によって安定化させることとしたので、観測対象の電源のノイズの影響を受けることなく、正確にノイズの観測を行うことができるという効果を奏する。
また、本発明の一つの態様によれば、可変抵抗によって基準電圧を変更することができるようにしたので、基準電圧を段階的に変更して電源ノイズの観測を行うことにより、電源ノイズのピーク値を確認することができるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る半導体集積回路の好適な実施の形態を詳細に説明する。
まず、オシロコープを用いた従来の電源ノイズ観測方法について説明する。図10は、従来のノイズ観測方法を示す図である。同図に示すように、半導体集積回路100は、ロジックブロック110を有する。ロジックブロック110は、高速な演算処理を実行する回路ブロックであり、VDDとVSSという2つの電源の供給を受けて動作する。
ロジックブロック110は、高速で動作するため、ロジックブロック110の電源であるVDDおよびVSSには高周波のノイズが発生する。図10の例では、VDDのノイズを観測するために、半導体集積回路100にモニタ端子120が設けられ、VDDがモニタ端子120まで引き出されている。
この例では、モニタ端子120にオシロスコープ10を接続することにより、VDDのノイズを観測することができるが、モニタ端子120へ引き出される経路上でノイズの高周波成分は減衰してしまうため、低周波のノイズしか観測されない。また、この方法では、VDDやVSSを引き出すための配線がアンテナとなり、ノイズを受ける場合もある。
図11は、従来の他のノイズ観測方法を示す図である。同図に示すように、半導体集積回路101は、モニタ端子120に相当する電源ノイズ観測専用の端子をもたない。このように電源ノイズ観測専用の端子をもたない場合でも、I/OのPMOS131とNMOS132のうち、PMOS131のみをONにし、入出力端子140にオシロスコープ10を接続することにより、VDDのノイズを観測することができる。
しかしながら、この方法を用いた場合も、I/Oのオン抵抗を介して観測しているため、オン抵抗とI/Oの容量が大きく、高周波成分が減衰してしまい、低周波のノイズしか観測することができない。
このように、半導体集積回路の外部にオシロスコープ10を接続してノイズを観測する方法では、高周波のノイズは、オシロスコープに届く前に減衰してしまい、観測されない。そこで、本実施例に係る電源ノイズ観測方法では、半導体集積回路の内部にノイズ観測のための仕組みを設ける。
次に、本実施例に係る電源ノイズ観測方法を実現するための半導体集積回路の構成について説明する。図1は、本実施例に係る半導体集積回路200の構成を示すブロック図である。同図に示すように、半導体集積回路200は、ロジックブロック210と、電圧比較部220と、レギュレータ230と、クロック制御部240と、比較結果記録部250とを有する。
以下、半導体集積回路200が、電子基板20上に実装されており、同じく電子基板20上に実装されている電源供給部30から電源の供給を受けているものとして、半導体集積回路200の各部の詳細について説明する。
ロジックブロック210は、高速な演算処理を実行する回路ブロックであり、VDD1とVSS1という2つの電源の供給を受けて動作する。VDD1とVSS1は、それぞれ、電源端子261と262を介して電源供給部30から供給されている。
電圧比較部220は、VDD1とVSS1のうちいずれか一方を比較対象として基準電圧(Vref)と比較し、その結果を比較結果記録部250へ出力する回路であり、VDD2とVSS2という2つの電源の供給を受けて動作する。電圧比較部220の回路構成を図2に示す。同図に示すように、電圧比較部220は、セレクタ221と、可変抵抗222および223と、差動アンプ224とを有する。
セレクタ221は、VDD1とVSS1のいずれか一方を選択して、差動アンプ224の一方の差動入力へ出力するための選択器である。このように、選択器を設けることにより、電源毎にノイズ観測のための仕組みを用意する必要がなくなり、半導体集積回路200の回路規模を小さくすることができる。
可変抵抗222および223は、抵抗値を任意に設定可能な抵抗である。可変抵抗222および223は、VDD2とVSS2を接続するように直列に接続され、中間に任意の電圧値の基準電圧を生成する。可変抵抗222および223によって生成された基準電圧は、差動アンプ224の他方の差動入力に入力される。
なお、セレクタ221と、可変抵抗222および223の状態は、動作テスト用のレジスタを設定することにより、もしくは、外部端子経由での制御により変更される。
差動アンプ224は、セレクタ221から出力された電圧が基準電圧よりも高い場合にHighを出力し、その他の場合にLowを出力する回路である。差動アンプ224の出力は、電圧比較部220の出力となる。
上述した電圧比較部220の各部が動作するための電源であるVDD2とVSS2は、それぞれ、一旦、電源端子263と264を介して電源安定化手段であるレギュレータ230に供給され、ここで安定化された後に、電圧比較部220に供給されている。このように、VDD2とVSS2は、ロジックブロック210を動作させるためのVDD1とVSS1とは別系統で供給され、さらに、レギュレータ230によって安定化されているため、電圧比較部220は、ロジックブロック210が発生させるノイズの影響を受けることなく正確に動作することができる。
ここで、電圧比較部220が出力する信号の例を図3および図4に示す。図3は、基準電圧を1.0Vとした場合の電圧比較部220の出力の一例を示す図であり、波形40は、VDD1の電圧の変動を示している。同図に示すように、電圧比較部220の出力である信号51は、波形40の高さが基準電圧を上回っている間はHighになり、波形40の高さが基準電圧以下の場合はRowになる矩形波となる。
図4は、基準電圧を上げて1.2Vとした場合の電圧比較部220の出力の一例を示す図である。この場合における電圧比較部220の出力である信号52は、信号51と比較してHighになる期間が短くなっている。これは、基準電圧が高くなるほど、比較対象の電圧の変動が基準電圧を超過することが少なくなるためである。
したがって、基準電圧をさらに上げて、電圧比較部220の出力がHighにならなくなる境界をみつけることにより、比較対象の電圧の変動のピーク値、すなわち、観測対象の電源ノイズのピーク値を知ることができる。なお、電圧比較部220は、半導体集積回路200の内部に設けられているため、高周波の電源ノイズも減衰することなく電圧比較部220へ入力され、電圧比較部220の出力に反映される。
図1の説明に戻って、クロック制御部240は、比較結果記録部250に供給されるクロック信号を制御する回路である。具体的には、クロック制御部240は、クロック信号の送信開始と送信停止を制御するとともに、クロック信号のパルスの幅を広げさせる。なお、クロック制御部240が供給するクロック信号は、クロック入力端子265を介して外部から入力されたものであってもよいし、半導体集積回路200の内部で生成されたものであってもよい。
図5は、クロック制御部240の回路構成を示す図である。同図に示すように、クロック制御部240は、AND回路241と、OR回路242aおよび242bと、ディレイ回路243aおよび243bとを有する。
AND回路241は、クロック信号の送信開始と送信停止を制御するための回路であり、一方の入力信号であるenable信号がONになった場合にもう一方の入力信号であるクロック信号の送信を開始させ、enable信号がOFFになった場合にクロック信号の送信を停止させる。なお、enable信号の状態は、動作テスト用のレジスタを設定することにより、もしくは、外部端子経由での制御により変更される。
enable信号がONの場合、AND回路241から出力されたクロック信号は分岐され、一方はそのままOR回路242aに入力され、もう一方はディレイ回路243aを経由してOR回路242aに入力される。そして、OR回路242aから出力されたクロック信号は再び分岐され、一方はそのままOR回路242bに入力され、もう一方はディレイ回路243bを経由してOR回路242bに入力される。
図6は、クロック制御部240の動作を示すタイムチャートである。同図において、信号inは、AND回路241に入力されるクロック信号であり、信号aは、AND回路241から出力される時点でのクロック信号であり、信号bは、ディレイ回路243aから出力される時点でのクロック信号である。そして、信号cは、OR回路242aから出力される時点でのクロック信号であり、信号dは、ディレイ回路243bから出力される時点でのクロック信号であり、信号outは、クロック制御部240から出力されるクロック信号である。
信号inのパルスの幅が20ps(Pico Second)であり、ディレイ回路243aおよび243bの遅延量が10psであるとする。この場合、信号aおよび信号bのパルスの幅も20psであるが、信号bは、ディレイ回路243aによって10psの遅延を加えられた状態でOR回路242aにおいて信号aと重畳されるため、OR回路242aから出力される信号cのパルスの幅は、30psとなる。
そして、信号cから分岐される信号dのパルスの幅も30psであるが、信号dは、ディレイ回路243bによって10psの遅延を加えられた状態でOR回路242bにおいて信号cと重畳されるため、OR回路242bから出力される信号outのパルスの幅は、40psとなる。
このように、クロック制御部240は、クロック信号を分岐させ、その一方に遅延を加えて他方の信号と重畳させることにより、パルスの幅を広げさせる。高周波のノイズに関する情報を比較結果記録部250において記録させるには、クロック制御部240が高速のクロック信号を比較結果記録部250に供給する必要があるが、高速のクロック信号は、パルスの幅が狭いため、後述するカウンタ252等が正常に動作しない恐れがある。クロック制御部240は、パルスの幅を広げることにより、この問題を解消する。
なお、図5の例では、ディレイ回路243aとOR回路242aの部分で1段階、ディレイ回路243bとOR回路242bの部分でもう1段階、と2段階でパルスの幅を広げているが、何段階でパルスの幅を広げることとしてもよい。また、図6の例では、ディレイ回路243aおよび243bの遅延量を10psとしているが、遅延量は、パルスの幅よりも小さければどのような大きさであってもよい。
図1の説明に戻って、比較結果記録部250は、電圧比較部220における電源電圧と基準電圧との比較結果を記録する回路である。具体的には、比較結果記録部250は、電圧比較部220から出力された波形をクロックとしてカウンタを動作させ、電源電圧が基準電圧を超過する期間がどれだけあったかをカウンタに記憶させる。
図7は、比較結果記録部250の回路構成を示す図である。同図に示すように比較結果記録部250は、AND回路251と、カウンタ252とを有する。AND回路251は、電圧比較部220の出力した信号(例えば、図3における信号51や図4における信号52)と、クロック制御部240から供給されるクロック信号を入力とし、電圧比較部220の出力した信号のHighの部分の長さに比例した数だけ、カウンタ252の値をカウントアップさせるための信号を生成する。
例えば、クロック制御部240の出力したクロック信号を基準として、Highの状態が7クロック分の長さだけある信号が電圧比較部220からAND回路251へ入力された場合、AND回路251は、7つのパルスからなる信号を出力する。前述の通り、クロック制御部240から供給されるクロック信号のパルスの幅は広げられており、AND回路251から出力される各パルスは、クロック制御部240から供給されるクロック信号のパルスと同じ幅をもつため、カウンタ252を確実に動作させることができる。
カウンタ252は、AND回路251から出力されるパルスを受信するたびに保持する値を1だけ増加させる回路である。上述してきた仕組みにより、カウンタ252には、観測対象の電源電圧が基準電圧を上回る期間の長さの合計に比例した値が設定される。そして、カウンタ252の値は、入出力端子266を介して外部から読み出され、また、リセットされる。
電圧比較部220における比較の結果を記録するには、電圧比較部220の出力をサンプリングして時系列に記録していく方式も考えられるが、この場合、大量の記憶領域が必要となり、半導体集積回路200の回路規模を増大させてしまう。一方、上記のように、カウンタ252を用いて電圧比較部220の比較結果を記録することとすれば、少ない記憶領域で、ノイズの発生量を知るために十分な情報を記録することができる。
次に、図1に示した半導体集積回路200において発生する電源ノイズを観測する手順について説明する。電源ノイズを観測するには、まず、観測対象の電源が差動アンプ224に入力されるようにセレクタ221を設定し、可変抵抗222および223を調整して基準電圧の大きさを所定値に設定する。そして、カウンタ252をリセットした後、所定の時間だけクロック制御部240のenable信号をONにし、カウンタ252の値を読み出す。ここで読み出された値が大きいほど、ノイズの発生量が多いことを示す。
また、電源ノイズのピーク値を知りたい場合は、基準電圧を段階的に上昇させながら上記の手順を繰り返し実行し、カウンタ252から読み出された値が0となる段階を確認すればよい。
上述してきたように、本実施例1では、電源ノイズを観測するための仕組みを半導体集積回路200の内部に設けつつ、観測対象の電源電圧と基準電圧との比較結果を時間軸ごとに継続的に記録するのではなく、電源電圧が基準電圧を超過していると判定された期間の長さのみをカウンタ252に記録することとしたので、回路規模を拡大することなく、高周波成分を含む電源ノイズを観測することができる。
実施例1では、可変抵抗を用いて基準電圧を生成する例を示したが、基準電源を半導体集積回路の外部から供給することとしてもよい。この場合の構成を図8に示す。同図に示すように、外部から基準クロックの供給を受ける半導体集積回路201の構成は、電圧比較部220が電圧比較部270に置き換わり、電圧比較部270に対して基準電圧を供給する電圧供給端子267が設けられている以外は、図1に示した半導体集積回路200と同様である。
図9は、電圧比較部270の回路構成を示す図である。同図に示すように、電圧比較部270は、セレクタ271と、差動アンプ272とを有する。セレクタ271は、VDD1とVSS1のいずれか一方を選択して、差動アンプ272の一方の差動入力へ出力するための選択器である。差動アンプ272のもう一方の差動入力には、電圧供給端子267経由で外部から供給された基準電圧が供給される。
差動アンプ272は、セレクタ271から出力された電圧が基準電圧よりも高い場合にHighを出力し、その他の場合にLowを出力する回路である。差動アンプ272の出力は、比較部270の出力となる。その他の部分の構成および動作は、実施例1と同様であるので、説明を省略する。
上述してきたように、本実施例2では、基準電圧を半導体集積回路の外部から供給することとしたので、基準電圧を生成するための可変抵抗等が不要となり、半導体集積回路の回路規模の拡大をさらに抑制することができる。
(付記1)自身を動作させるための電源の電源電圧と所定の基準電圧とを比較する電圧比較手段と、前記電圧比較手段の比較結果を記録する比較結果記録手段とを備える半導体集積回路であって、
前記比較結果記録手段は、クロック信号を基準として、前記電圧比較手段において前記電源電圧が前記基準電圧を超過していると判定された期間の長さを記録することを特徴とする半導体集積回路。
(付記2)前記クロック信号を構成するパルスの幅を広げるクロック制御手段をさらに備えることを特徴とする付記1に記載の半導体集積回路。
(付記3)前記電圧比較手段は、前記電源とは異なる系統で供給される電源によって動作することを特徴とする付記1または2に記載の半導体集積回路。
(付記4)前記電圧比較手段に供給される電源を安定化させる電源安定化手段をさらに備えることを特徴とする付記1〜3のいずれか1つに記載の半導体集積回路。
(付記5)前記電圧比較手段は、可変抵抗によって前記基準電圧の電圧値を変更させることを特徴とする付記1〜4のいずれか1つに記載の半導体集積回路。
(付記6)前記基準電圧を外部から供給されることを特徴とする付記1〜5のいずれか1つに記載の半導体集積回路。
(付記7)前記電圧比較手段は、比較対象の電源を選択する選択器を備えることを特徴とする付記1〜6のいずれか1つに記載の半導体集積回路。
以上のように、本発明に係る半導体集積回路は、電源ノイズの観測に有用であり、特に、回路規模を拡大することなく、高周波成分を含む電源ノイズを観測することが必要な場合に適している。
実施例1に係る半導体集積回路の構成を示すブロック図である。 電圧比較部の回路構成を示す図である。 基準電圧を1.0Vとした場合の電圧比較部の出力の一例を示す図である。 基準電圧を1.2Vとした場合の電圧比較部の出力の一例を示す図である。 クロック制御部の回路構成を示す図である。 クロック制御部の動作を示すタイムチャートである。 比較結果記録部の回路構成を示す図である。 実施例2に係る半導体集積回路の構成を示すブロック図である。 電圧比較部の回路構成を示す図である。 従来のノイズ観測方法を示す図である。 従来の他のノイズ観測方法を示す図である。
符号の説明
10 オシロスコープ
20 電子基板
30 電源供給部
40 波形
51、52 信号
100、101 半導体集積回路
110 ロジックブロック
120 モニタ端子
131 PMOS
132 NMOS
140 入出力端子
200、201 半導体集積回路
210 ロジックブロック
220 電圧比較部
221 セレクタ
222、223 可変抵抗
224 差動アンプ
230 レギュレータ
240 クロック制御部
241 AND回路
242a、242b OR回路
243a、243b ディレイ回路
250 比較結果記録部
251 AND回路
252 カウンタ
261〜264 電源端子
265 クロック入力端子
266 入出力端子
267 電圧供給端子
270 電圧比較部
271 セレクタ
272 差動アンプ

Claims (4)

  1. 自身を動作させるための電源の電源電圧と所定の基準電圧とを比較する電圧比較手段と
    クロック信号を基準として、前記電圧比較手段において前記電源電圧が前記基準電圧を超過していると判定された期間の長さを記録する比較結果記録手段と、
    前記クロック信号を構成するパルスの幅を広げるクロック制御手段と
    を備えることを特徴とする半導体集積回路。
  2. 前記電圧比較手段は、前記電源とは異なる系統で供給される電源によって動作することを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路。
  3. 前記電圧比較手段に供給される電源を安定化させる電源安定化手段をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体集積回路。
  4. 前記電圧比較手段は、可変抵抗によって前記基準電圧の電圧値を変更させることを特徴とする請求項1〜のいずれか1つに記載の半導体集積回路。
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