JP5485542B2 - カウンタ回路およびタイマー回路 - Google Patents

Description

本発明は、あるイベントが発生した回数をカウントするカウンタ回路、および時間の経過を測定するタイマー回路に関する。

電子回路において、イベントが発生した回数や時間を測定する目的で、カウンタ回路（タイマー回路）が広く利用される。デジタル回路に利用されるカウンタ回路のビット数（桁数）は、必要なカウント値の最大値（以下、最大カウント値という）に応じて決定される。

ここでカウンタ回路のビット数はすなわち、カウンタ回路の回路規模である。たとえば最大カウント値が８のとき３ビット、１０２４のとき１０ビットが必要となるが、これくらいのビット数のカウンタ回路であれば、半導体チップ上に集積しうる現実的なサイズとなる。
特開２００４−６１３４７号公報 特開平７−９３９６８号公報

ところが最大カウント値として、非常に大きな値、たとえば１０４８５７６（２０ビット）、あるいは１０７３７４１８２４（３０ビット）が必要な場合、カウンタ回路のサイズ（ゲート数）は、爆発的に増大し、集積化が困難となる。

また、デジタルのカウンタ回路は、電源電圧が遮断されると、カウント値がリセットされてしまう。この問題は、不揮発性のメモリにカウンタ値をセーブすることによって解消できるが、予期せぬ電源遮断が発生した場合は、セーブの処理が間に合わずに、カウント値が失われるおそれがある。特に、半導体集積回路の累積動作時間や、あるイベントの累積発生回数をカウントする場合、カウント値が消失することは致命的である。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、その目的のひとつは、非常に大きな最大カウント値を有するカウンタを、比較的小規模で実現する技術の提供にある。

本発明のある態様は、カウンタ回路に関する。このカウンタ回路は、強誘電体と、強誘電体に、所定のイベントが発生するごとに、所定回数、電気的信号を印加して分極を反転させる駆動部と、強誘電体の分極量を測定し、イベントの発生回数を判定する判定部と、を備える。

所定の強度の電気的信号（たとえば電圧信号）を強誘電体に印加したときに発生する分極量は、分極を反転した回数（分極反転回数と称する）の増加にともない、減少することが知られている。これを強誘電体の疲労特性（Fatigue）と称する。そこで、分極量を監視することにより、イベントの発生回数を判定することができる。このカウンタ回路は、最大カウント値が大きい場合であっても、従来のデジタルカウンタよりも小面積で構成することができる。また、強誘電体の疲労特性は、電源が遮断されても維持されるため、このカウンタ回路は、不揮発的なカウンタとして利用することができる。

本発明の別の態様は、タイマー回路に関する。このタイマー回路は、強誘電体と、強誘電体に、所定の時間が経過するごとに、所定回数、電気的信号を印加して分極を反転させる駆動部と、強誘電体の分極量を測定し、累積経過時間を判定する判定部と、を備える。

この態様では、分極反転の回数は経過時間に比例し、さらに疲労特性は電源が遮断されても保持される。したがって、分極量を測定することにより、累積的な経過時間を測定することができる。また、このカウンタ回路は、測定すべき経過時間の最大値が長い場合であっても、従来のデジタルカウンタよりも小面積で構成することができる。

本発明のさらに別の態様もカウンタ回路に関する。このカウンタ回路は、強誘電体と、強誘電体に、所定のイベントが発生するごとに、所定回数、電気的信号を印加して分極を反転させる駆動部と、電気的信号が印加されたことに起因する強誘電体の疲労特性を利用してイベントの発生回数が所定のしきい値を超えたか否かを判定する判定部と、を備える。
この態様によれば、イベントの累積発生回数が、所定のしきい値に達したかを判定できる。

本発明のさらに別の態様は、タイマー回路である。このタイマー回路は、強誘電体と、強誘電体に、所定の時間が経過するごとに、所定回数、電気的信号を印加して分極を反転させる駆動部と、電気的信号が印加されたことに起因する強誘電体の疲労特性を利用して、経過時間が所定のしきい値を超えたか否かを判定する判定部と、を備える。
この態様によれば、累積経過時間が、所定のしきい値に達したかを判定できる。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、非常に大きな最大カウント値を有するカウンタを、比較的小規模で実現できる。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

図１は、本発明の実施の形態に係るカウンタ回路１００の構成を示す回路図である。カウンタ回路１００は、強誘電体キャパシタ（以下、単に強誘電体と称する）１０、駆動部２０、判定部３０を備える。カウンタ回路１００には、所定のイベントが発生するごとにアサート（ハイレベル）されるイベント信号ＥＶＴが入力される。カウンタ回路１００は、イベント信号ＥＶＴがアサートされた発生回数をカウントする。

強誘電体１０は、ＰＺＴ（Pb(Zr,Ti)O3）やＳＢＴ（SrBi2Ta2O9）などの材料である。強誘電体１０は、不揮発性メモリなどに利用される材料であり、印加した電圧Ｖｓに応じた分極量を保持する性質を有している。

駆動部２０は、イベントが発生するごとに、つまりイベント信号ＥＶＴがアサートされるごとに、強誘電体１０に対して、所定の回数（以下、ｎ回とする）、所定の強度の電気的信号（電圧信号）を印加する。具体的には駆動部２０は、分極電圧発生部２２、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２を含む。分極電圧発生部２２は、第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１、第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２を発生し、それぞれを第１出力端子ＯＵＴ１、第２の出力端子ＯＵＴ２から出力する。第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１、第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２は、以下の関係を満たす。
Ｖｄｒｖ１＞Ｖｄｒｖ２ （第１状態φ１）
Ｖｄｒｖ２＜Ｖｄｒｖ１ （第２状態φ２）

より具体的には、駆動部２０は、
Ｖｄｒｖ１＝Ｖｄｒｖ２＋Ｖｓ （第１状態φ１）
Ｖｄｒｖ２＝Ｖｄｒｖ１＋Ｖｓ （第２状態φ２）
を満たすように駆動電圧を生成する。

スイッチＳＷ１がオンすると、分極電圧発生部２２により生成された第１駆動電圧Ｖｄｒｖ１が強誘電体１０の第１端子Ｐ１に印加され、スイッチＳＷ２がオンすると、第２駆動電圧Ｖｄｒｖ２が強誘電体１０の第２端子Ｐ２に印加される。

つまり強誘電体１０には、第１状態φ１において、第１端子Ｐ１側が高電位となる向き（第１の極性）で、第２極性φ２において、それとは反対に第２端子Ｐ２側が高電位となる向き（第２の極性）で、一定の駆動電圧Ｖｓが印加される。このことは、第１状態φ１と第２状態φ２とで、強誘電体１０の分極極性が反転していることを意味している。

駆動部２０は、第１状態φ１と第２状態φ２は交互に繰り返す。駆動電圧の１回の印加は、強誘電体１０の分極を反転させることを意味する。つまり、第１状態φ１に設定した後、第２状態φ２に設定する一連の処理を、１回の電圧印加とする。言い換えれば、駆動部２０は、イベント信号ＥＶＴがアサートされるごとに、ｎ回、強誘電体１０の分極を反転させる。

つまり、イベントの発生回数Ｘと、分極反転回数Ｙの間には、
Ｙ＝Ｘ×ｎ
の関係が成り立つ。

判定部３０は、強誘電体１０に生ずる分極量（電荷量）を測定し、イベントの発生回数を判定する。分極量測定部３２は、強誘電体１０の分極量を測定する。分極量測定部３２の構成は限定されず、分極量を測定するためのさまざまな公知の、あるいは将来利用可能となるであろう技術を利用すればよい。分極量測定部３２が強誘電体１０の分極量を測定する際には、駆動部２０のスイッチＳＷ１、ＳＷ２はオフされる。分極量測定部３２は、測定した分極量に応じた測定信号Ｓ１を、分極量比較器３４へと出力する。

判定部３０が分極量を測定するタイミングは、特に限定されるものではないが、たとえば以下が例示される。
１． 外部のプロセッサから指示されたタイミング
２． イベント信号ＥＶＴがアサートされるごと
３． 駆動部２０が強誘電体１０の分極を１回反転させるごと
４． 所定の周期ごと

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ強誘電体１０の分極量と分極反転の回数の関係、および分極量と駆動電圧Ｖｓの関係を示す図である。図２（ａ）に示すように、強誘電体１０の分極量は、分極反転回数がある値（たとえば１０^１２）に達するまでは、一定量をしめすが、分極反転回数がその値を超えると、急激に減少する（疲労特性）。分極反転回数がＹＴＨ（＝１０^１３）に達すると、分極量はピーク時の１／２に減少する。実施の形態に係るカウンタ回路１００は、この分極反転回数に応じた疲労特性を利用して、イベントの発生回数をカウントすることを特徴とする。

図２（ｂ）を参照する。強誘電体１０はヒステリシスを有しており、第１の極性で駆動電圧Ｖｓを印加した後、駆動電圧Ｖｓを取り除いた状態でも、電荷が残留する。図中、実線は疲労前の分極量を、破線は疲労後の分極量を示している。

図１に戻る。分極量比較器３４は、測定信号Ｓ１の値を、所定のしきい値ＴＨと比較し、比較結果に応じた比較信号Ｓ１を信号処理部４０へと出力する。比較信号Ｓ１は、測定信号Ｓ１がしきい値ＴＨまで低下するとアサートされる。このしきい値ＴＨは、図２（ａ）に示す疲労特性にもとづいて設定することができ、たとえばその値は、ピーク時の１／２の値に設定される。この場合、測定信号Ｓ１がしきい値ＴＨに達したことは、分極反転回数がＹＴＨに達したことを示している。つまり、実施の形態に係るカウンタ回路１００によれば、ＸＴＨ（＝ＹＴＨ／ｎ）回のイベントが発生したことを検出することができる。

信号処理部４０は、比較信号Ｓ１がアサートされると、所定の信号処理を実行する。たとえばカウンタ回路１００は、冷蔵庫のドアの開閉、折りたたみ型携帯電話端末の筐体の開閉などをイベントとしてカウントしてもよい。この場合、信号処理部４０は、イベントの発生回数がしきい値ＸＴＨに達したことを、ユーザに知らせる処理を行ってもよいし、後のメンテナンスのためにメモリに記憶してもよい。信号処理部４０は、カウンタ回路１００が搭載される機器に応じた処理を行えばよいため、その処理内容は特に限定されるものではない。

図１のカウンタ回路１００によれば、分極量を測定することにより、分極反転回数つまりイベントの発生回数をカウントすることができる。強誘電体１０の疲労特性は、１０の十数乗（たとえば１０^{１１〜１３}）オーダーで変化するため、図１のカウンタ回路１００によれば、非常に大きな最大カウント値を実現できる。

また、強誘電体１０の疲労特性は、カウンタ回路１００に対する電源電圧が遮断されても保持され続けるため、累積的なイベントの発生回数をカウントすることができる。この特性は、カウンタ回路１００が電子機器のライフタイムの管理に好適であることを示している。

また、図２（ａ）に示す疲労特性は、物性値であるため、任意に変化させることは難しいが、定数ｎを最適化することにより、所望の回数をカウントすることができる。

以上、図１のカウンタ回路１００の構成および動作、その利点について説明した。

図１のカウンタ回路１００を利用してタイマー回路を構成することも可能である。図３は、実施の形態に係るタイマー回路１０２の構成を示す回路図である。図３のタイマー回路１０２は、図１のカウンタ回路１００と、基準クロック生成部１０４を備える。

基準クロック生成部１０４は、所定の時間間隔でアサートされるクロック信号ＣＫを生成する。基準クロック生成部１０４はオシレータであってもよいし、デジタル的なタイマー回路であってもよいし、あるいはＣＲ時定数を利用したタイマー回路であってもよい。カウンタ回路１００は、基準クロック生成部１０４により生成されたクロック信号ＣＫを上述のイベント信号ＥＶＴとして受ける。カウンタ回路１００の駆動部２０は、クロック信号ＣＫのポジティブエッジ、ネガティブエッジのいずれか一方、または両方を、イベント信号ＥＶＴのアサートと対応付けて、強誘電体１０に駆動電圧を印加する。つまり駆動部２０は、所定の時間Ｔｐが経過するごとにｎ回、強誘電体１０に電気的信号を印加する。判定部３０は、強誘電体１０の分極量を測定し、累積経過時間を判定する。

図３のタイマー回路１０２によれば、クロック信号ＣＫの周期Ｔｐとするとき、累積経過時間（動作時間）が、所定のしきい値時間ＴＴＨ（＝Ｔｐ×ＹＴＨ／ｎ）に達したか否かを判定することができる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

ある変形例において、第１状態φ１で駆動電圧を印加すること、第２状態φ２で駆動電圧を印加すること、それぞれを１回の電圧印加としてもよい。この場合、イベント信号ＥＶＴが１回アサートされるごとにｎ／２回、強誘電体１０の分極反転が発生する。

またある変形例においては、イベント信号ＥＶＴがｍ回（ｍは整数）アサートされるごとに、強誘電体１０の分極極性をｎ回反転させてもよい。
この場合、図１のカウンタ回路１００においては、イベントがＸＴＨ（＝ＹＴＨ／ｎ×ｍ）回発生したことを検出でき、図３のタイマー回路１０２においては、累積経過時間がＴＴＨ（＝ＹＴＨ／ｎ×ｍ）に達したことを検出できる。

また実施の形態では、イベントの発生回数がしきい値に達したか否か、あるいは、累積経過時間が所定のしきい値に達したか否かを判定するカウンタ回路あるいはタイマー回路を説明したが、本発明はこれらの態様に限定されない。

強誘電体１０の分極量の疲労特性が図２（ａ）に示したものと異なり、分極反転の回数と分極量が１：１で対応づけられる場合、たとえば分極反転の回数に応じて緩やかに低下するような場合には、測定した分極量に応じた測定信号Ｓ１にもとづいて、分極反転回数を導出することができる。この場合、分極量比較器３４は測定信号Ｓ１を、複数のしきい値と比較してもよい。あるいは、測定信号Ｓ１そのもの自体を、カウント値、あるいは経過時間を示すデータとして信号処理部４０へと出力してもよい。

実施の形態にもとづき、特定の語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

本発明の実施の形態に係るカウンタ回路の構成を示す回路図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ強誘電体の分極量と分極反転の回数の関係、および分極量と駆動電圧Ｖｓの関係を示す図である。 実施の形態に係るタイマー回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１００…カウンタ回路、１０…強誘電体、２０…駆動部、２２…分極電圧発生部、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ、３０…判定部、３２…分極量測定部、３４…分極量比較器、４０…信号処理部、１０２…タイマー回路、１０４…基準クロック生成部。

Claims (4)

1. 強誘電体と、
   所定のイベントが発生するごとにアサートされるイベント信号を受け、前記イベント信号がアサートされるたびに、（１）前記強誘電体の両端間に第１極性にて所定の電気的信号を印加し、続いて（２）前記強誘電体の両端間に前記第１極性と反対の第２極性にて前記所定の電気的信号を印加する工程を、ｎ回（ｎは自然数）、繰り返すことにより、前記強誘電体の分極をｎ回反転させる駆動部と、
   前記強誘電体の分極量の測定値Ｓ１を所定のしきい値ＴＨと比較し、比較結果にもとづいて、前記イベントの発生回数Ｘが前記しきい値に応じた所定数ＸＴＨに達したか否かを判定する判定部と、
   を備え、
   前記イベントが累積的にＸ回発生したとき、累積の分極反転回数ＹはＸ×ｎであり、
   前記強誘電体は、分極反転回数Ｙがある値より大きい領域において分極量が減少する疲労特性を有しており、
   分極反転回数Ｙのしきい値ＹＴＨを、ＹＴＨ＝ＸＴＨ×ｎと定め、前記しきい値ＴＨを、前記疲労特性上において、前記分極反転回数Ｙのしきい値ＹＴＨに対応する分極量として定め、
   前記判定部は、前記測定値Ｓ１が前記しきい値ＴＨまで低下すると、前記イベントの発生回数Ｘが前記所定数ＸＴＨに達したと判定することを特徴とする半導体集積回路に集積されるカウンタ回路。
2. 強誘電体と、
   所定の時間Ｔｐが経過するごとにアサートされるイベント信号を受け、前記イベント信号がアサートされるたびに、（１）前記強誘電体の両端間に第１極性にて所定の電気的信号を印加し、続いて（２）前記強誘電体の両端間に前記第１極性と反対の第２極性にて前記所定の電気的信号を印加する工程を、ｎ回（ｎは自然数）、繰り返すことにより、前記強誘電体の分極をｎ回反転させる駆動部と、
   前記強誘電体の分極量の測定値Ｓ１を所定のしきい値ＴＨと比較し、比較結果にもとづいて、累積経過時間Ｔが前記しきい値ＴＨに応じた所定時間ＴＴＨに達したか否かを判定する判定部と、
   を備え、
   前記所定の時間Ｔｐが累積的にＸ回経過したとき、累積の分極反転回数ＹはＸ×ｎであり、
   前記強誘電体は、分極反転回数Ｙがある値より大きい領域において分極量が減少する疲労特性を有しており、
   分極反転回数Ｙのしきい値ＹＴＨを、ＹＴＨ＝ＴＴＨ／Ｔｐ×ｎと定め、前記しきい値ＴＨを、前記疲労特性上において、前記分極反転回数Ｙのしきい値ＹＴＨに対応する分極量として定め、
   前記判定部は、前記測定値Ｓ１が前記しきい値ＴＨまで低下すると、前記累積経過時間Ｔが前記所定時間ＴＴＨに達したと判定することを特徴とする半導体集積回路に集積されるタイマー回路。
3. 前記所定のしきい値ＴＨは、前記強誘電体の分極量のピーク時の１／２の値であることを特徴とする請求項１に記載のカウンタ回路。
4. 前記所定のしきい値ＴＨは、前記強誘電体の分極量のピーク時の１／２の値であることを特徴とする請求項２に記載のタイマー回路。

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