TWI548886B - 老化偵測電路及其方法 - Google Patents

Description

老化偵測電路及其方法

本發明是有關於一種老化偵測電路，且特別是有關於一種設置於晶片上的老化偵測電路。

近年來，電子產品的汰換速率逐漸增加，一方面是軟體不斷更新造成原電子產品的硬體資源無法支援龐大的運算量，另一方面則是電子產品內的電路老化使得電子產品之操作速度大幅下降。

一般而言，不同的操作環境將造成電路不同的老化程度，像是操作時間、操作電壓或操作溫度均會影響電路的老化程度，進而改變電路中電晶體的特性。舉例來說，老化電晶體的閾值電壓將不同於全新電晶體的閾值電壓，亦即老化電晶體之閾值電壓的絕對值將大於全新電晶體之閾值電壓的絕對值。換句話說，於一相同的操作電壓下，老化電晶體比全新電晶體更不易導通，且流經老化電晶體之電流也變小，進而造成老化電路之操作速度變慢，更嚴重可能造成老化電路無法正常運作。

傳統上，為克服電晶體的老化問題，通常會提升電 路之操作電壓使得電路可運作於正常速度，而提升電路之操作電壓通常會依據電路之老化程度。檢測老化程度之傳統作法通常會檢測電晶體之閾值電壓或電路之操作速度以作為判斷電路老化程度之依據。

然而，若欲在電路中自行檢測其老化程度，現今技術仍無法有效地檢測出本身電路之老化程度，若要準確地得到貼近電路之老化程度，通常需要外接硬體資源以輔助檢測，但其硬體成本過高且不切實際。

因此，本發明提供一種相關的老化偵測電路，藉以更準確地偵測電路的老化程度。

本發明之一態樣是關於一種老化偵測電路。老化偵測電路設置於一晶片上，包含測試電路以及老化訊號產生電路。測試電路耦接至老化訊號產生電路。測試電路產生輸出訊號。老化訊號產生電路包含訊號產生電路及選擇電路。訊號產生電路產生具有不同頻率的多個輸入訊號，選擇電路選擇性輸出輸入訊號其中一者作為老化訊號至測試電路之輸入端，或是將測試電路產生之輸出訊號回授至測試電路之輸入端。

在一實施例中，選擇電路包含多個輸入端、一選擇端及一輸出端。輸入端接收輸入訊號以及測試電路產生之輸出訊號；選擇端接收選擇訊號；輸出端根據選擇訊號輸出輸入訊號其中一者作為老化訊號，或是輸出測試電路產 生之輸出訊號至測試電路之輸入端。

在另一實施例中，當測試電路產生之輸出訊號回授至測試電路之輸入端時，測試電路將振盪使得輸出訊號為振盪訊號。

在次一實施例中，老化電路更包含計數器，計數器接收振盪訊號，並於一時間內計數振盪訊號之時脈週期數量。

在又一實施例中，訊號產生電路更接收參考時脈訊號，並根據參考時脈訊號產生輸入訊號。

在一實施例中，訊號產生電路為除頻器、降頻器或變頻器。

本發明之另一態樣是關於一種老化偵測方法，用於測試電路偵測周圍電路的老化程度。老化偵測方法包含自第一時間點起，將測試電路產生之第一輸出訊號回授至測試電路；於第一時間點後之第二時間點起，產生具有不同頻率的多個輸入訊號，並選擇性輸出所述輸入訊號其中一者作為老化訊號至測試電路之輸入端；於第二時間點後之第三時間點起，將測試電路產生之第二輸出訊號回授至測試電路；以及比較第一輸出訊號及第二輸出訊號。

在一實施例中，老化偵測方法更包含計數第一輸出訊號於一時間內之第一時脈週期數量；以及計數第二輸出訊號於所述時間內之第二時脈週期數量。

在另一實施例中，比較第一輸出訊號及第二輸出訊號的步驟包含比較第一輸出訊號之第一時脈週期數量及第 二輸出訊號之第二時脈週期數量。

在次一實施例中，產生輸入訊號的步驟包含根據參考時脈訊號產生輸入訊號，其中輸入訊號的頻率為參考時脈訊號的頻率之不同倍數。

100‧‧‧老化偵測系統

121~129‧‧‧老化偵測電路

130‧‧‧內部電路

131、132‧‧‧部份內部電路

140‧‧‧記憶體

160‧‧‧晶片監控電路

200‧‧‧老化偵測電路

220‧‧‧老化訊號產生電路

222‧‧‧訊號產生電路

224‧‧‧選擇電路

240‧‧‧測試電路

I₁~I₄‧‧‧輸入訊號

TS‧‧‧測試訊號

RO‧‧‧輸出訊號

300‧‧‧老化偵測電路

320‧‧‧老化訊號產生電路

322‧‧‧訊號產生電路

324‧‧‧選擇電路

340‧‧‧測試電路

342‧‧‧NAND邏輯閘

344‧‧‧延遲電路

360‧‧‧計數器

MOD‧‧‧選擇訊號

EN‧‧‧致能訊號

REFCLK‧‧‧參考時脈訊號

COUNT‧‧‧時脈週期次數

400‧‧‧老化訊號產生電路

402、404、406、408‧‧‧D型正反器

422‧‧‧除頻器

D、clk‧‧‧輸入端

Q、Q’‧‧‧輸出端

S502、S504、S506、S508‧‧‧步驟

為讓本案能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係繪示本發明一實施例之老化偵測系統的示意圖；第2圖係繪示本發明一實施例之老化偵測電路的功能方塊圖；第3圖係繪示本發明一實施例之老化偵測電路的電路圖；第4圖係繪示本發明一實施例之老化訊號產生電路的電路圖；以及第5圖係繪示本發明一實施例之老化檢測方法之流程圖。

本發明將在本說明書中利用隨附圖示的參考更充分地陳述，其中隨附圖示繪有本發明的實施方式。然而本發明以許多不同形式實現而不應受限於本說明書陳述之實施方式。這些實施方式的提出令本說明書詳盡且完整，而將充分表達本發明範圍予本發明所屬技術領域之通常知識者。本文中相同的參考編號意指相同的元件。

參照第1圖，第1圖係繪示本發明一實施例之老化偵測系統100的示意圖，老化偵測系統100設置於晶片上， 包含九個老化偵測電路121~129、記憶體140以及晶片監控電路160。於第1圖之實施例中，老化偵測電路121~129耦接至記憶體140以及晶片監控電路160，晶片監控電路160耦接至記憶體140。而晶片上設置有許多待測的內部電路130(例如可包含運算單元、暫存器、主動元件、被動元件等)用以執行至少一種功能，如驅動顯示器、通訊基頻訊號處理及其他應用。老化偵測電路121~129可選擇性地偵測內部電路130之效能或是執行不同模式的老化模擬。

在一些實施例中，老化偵測電路121~129在晶片上的數目不限於9個。

在一些實例中，若內部電路130之關鍵路徑(critical path)主要位於部分內部電路131裡，則可利用相對應的老化偵測電路122進行監控，其中，關鍵路徑定義為時序相對較緊或具特殊代表性的電路路徑。另一方面，若內部電路130之關鍵路徑主要經由部份內部電路131及部份內部電路132時，則可利用相對應的老化偵測電路122、123進行監控。

為說明老化偵測電路121~129之功能，一併參照第2圖，第2圖係繪示本發明一實施例之老化偵測電路200的功能方塊圖。第1圖之老化偵測電路121~129與第2圖所繪示之老化偵測電路200具相同之架構。

如第2圖所示，老化偵測電路200包含老化訊號產生電路220及測試電路240，其中，老化訊號產生電路220耦接至測試電路240，且老化訊號產生電路220產生測試訊 號TS至測試電路240。測試電路240之輸出端產生輸出訊號RO並回授至選擇電路224。

老化訊號產生電路220包含訊號產生電路222及選擇電路224，訊號產生電路222產生具不同頻率的多個輸入訊號I₁~I₄至選擇電路224，選擇電路224將選擇性地輸出輸入訊號I₁~I₄其中一者，或者是將測試電路240輸出的輸出訊號RO回授至測試電路240。

當選擇電路224輸出所述輸入訊號I₁~I₄其中一者時，測試電路240可作為老化模擬電路，由於輸入訊號I₁~I₄分別具不同頻率，選擇電路224可於輸入訊號I₁~I₄中選擇性地輸出具特定頻率的輸入訊號作為測試訊號TS。在本發明一些實施例中，測試訊號TS可稱為老化訊號(aging signal)。

在一些實施例中，具特定頻率的測試訊號TS為輸入訊號I₁~I₄中最接近老化偵測電路200之週遭偵測目標電路的操作頻率，據此，老化偵測電路200可更準確地模擬週遭偵測目標電路之老化程度。舉例來說，如圖1所示，若欲選擇老化偵測電路122之輸入訊號，則根據老化偵測電路122週遭偵測目標之部分具代表性內部電路131的操作頻率，於輸入訊號I₁~I₄中選擇具有最接近所述操作頻率的輸入訊號作為老化訊號。

當選擇電路224將測試電路240的輸出訊號RO回授至測試電路240時，測試電路240可作為振盪電路，產生之輸出訊號RO可作為振盪訊號。其中，振盪訊號之頻率 為效能指標。舉例來說，當測試電路240於一使用時間內持續接收具特定頻率之老化訊號，內部電晶體的電性特性將改變，使得測試電路240之振盪訊號的頻率下滑。進一步來說，測試電路240的老化將造成內部電晶體之閾值電壓飄移，使得測試電路240無法操作於未老化狀態時的振盪頻率。因此，老化偵測電路200同時具有老化模擬及效能偵測之功能。

回到第1圖，晶片監控電路160監控內部電路130之操作環境，舉例來說，晶片監控電路160將監測內部電路130之操作頻率、溫度及電源狀態等。晶片監控電路160另可將操作環境寫入記憶體140中，特別是當內部電路130初次運作時，晶片監控電路160將設定老化偵測電路121~129之選擇電路222以回授測試電路240的輸出訊號RO至測試電路240的輸入端，使得老化偵測電路121~129之測試電路240產生振盪訊號，接著，晶片監控電路160計算振盪訊號的頻率並分別寫入至記憶體140中。

為進一步說明老化偵測電路200之實作方式，一併參照第3圖，第3圖係繪示本發明一實施例之老化偵測電路300的電路圖；老化偵測電路300包含老化訊號產生電路320、測試電路340及計數器360。老化訊號產生電路320包含訊號產生電路322及選擇電路324。測試電路340包含NAND邏輯閘342及延遲電路344。老化訊號產生電路320電性連接至測試電路340，測試電路340電性連接至計數器360。

訊號產生電路322接收參考時脈訊號REFCLK，並根據參考時脈訊號REFCLK的頻率產生具不同頻率之輸入訊號I₁~I₄至選擇電路324。

在一些實施例中，訊號產生電路322為如第4圖所示的除頻器422，第4圖係繪示本發明一實施例之老化訊號產生電路400的電路圖。其中，除頻器422包含D型正反器(d-type flip flop)402、404、406、408。D型正反器402具輸入端clk、D及輸出端Q、Q’，其中輸出端Q’為Q之反向，舉例來說，當Q具高電位時，Q’為一低電位。D型正反器402之輸出端Q’連接至輸入端D，輸出端Q連接至選擇電路324並產生輸入訊號I₄。D型正反器404、406、408與D型正反器402具相同之輸入/輸出端以及上述之連接關係。再者，D型正反器402之輸入端CLK接收參考時脈訊號REFCLK，輸出端Q則電性連接至下一D型正反器404之輸入端clk。而D型正反器404與406間、406與408間的連接關係同於D型正反器402與404之連接關係。因此，D型正反器(flip flop)404、406、408將分別產生具遞減頻率之輸入訊號I₃、I_2、I₁，即輸入訊號I₃之頻率為輸入訊號I₄之一半，以此類推。

在一些實施例中，訊號產生電路322可為變頻器或降頻器。

選擇電路324更接收測試電路340之輸出電壓RO，且選擇電路324根據選擇訊號MOD輸出輸入訊號I₁~I₄其中一者或測試電路340回授的輸出訊號RO作為測試 訊號TS。

回到第3圖，NAND邏輯閘342之兩端分別接收選擇電路324輸出之測試訊號TS及致能訊號EN。其中在一電源正常供應的情況下，致能訊號EN為低電位時。NAND邏輯閘342之輸出將永遠保持高電位，使得測試電路340不會振盪，亦不會接收輸入訊號I₁~I₄任何一者；致能訊號EN為高電位時，測試電路340之功能則正常運作。

當選擇電路324將測試電路340的輸出訊號RO輸出至測試電路340時，延遲電路344連同NAND邏輯閘342將成為一環型振盪器，延遲電路之輸出訊號RO可視為振盪訊號，而記數器360將於一時間週期內記數輸出訊號RO的時脈週期次數(number of clock cycles)COUNT並傳送至第1圖所示之晶片監控電路160，藉以由晶片監控電路160計算出輸出訊號RO之振盪頻率。

在一些實施例中，延遲電路344包含n個串聯的反相器，其中n為偶數。

在一些實施例中，NAND邏輯閘342可由反相器所取代，其中反相器僅接收選擇電路324的測試訊號TS。

再者，為說明老化偵測方法的完整流程，一併參照第3圖及第5圖，第5圖係繪示本發明一實施例之老化檢測方法之流程圖，用於老化偵測電路200偵測周圍電路的老化程度。

首先，於老化偵測電路之測試電路340初次作動時，將測試電路340產生之輸出訊號RO回授至測試電路 340之輸入端，並計數輸出訊號RO之初始時脈週期數量(步驟S502)；接著由訊號產生電路322產生具有不同頻率的輸入訊號I₁~I₄，並由選擇電路324選擇性輸出輸入訊號I₁~I₄其中一者作為測試訊號TS至測試電路340(步驟S504)；並於一段時間後，藉由選擇電路324將測試電路340產生之輸出訊號RO再次回授至測試電路340之輸入端，並計數輸出訊號RO之老化時脈週期數量(步驟S506)；最後，比較初始時脈週期數量與老化時脈週期數量以得到周圍電路之老化程度(步驟S508)，據以調整周圍電路的操作電壓。

在一些實施例中，第1圖所示的晶片監控電路160可將初始時脈週期數量或根據初始時脈週期數量計算之結果寫入至第1圖所示的記憶體140中。

在前述相關之實施例中，記憶體140可為一次性可編程記憶體、唯讀記憶體、快閃記憶體等具儲存功能之非揮發性記憶體。

在前述相關之實施例中，選擇電路224、324可為多工器。

功效依據前述實施例可知，應用本案之老化偵測電路，不僅不需外接其他硬體資源來偵測晶片的老化程度，且測試電路接收之老化訊號更具不同頻率成分，藉此，測試電路的老化狀態將更貼近實際狀態，使得老化程度能更有效地被偵測。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

300‧‧‧老化偵測電路

320‧‧‧老化訊號產生電路

322‧‧‧訊號產生電路

324‧‧‧選擇電路

340‧‧‧測試電路

342‧‧‧NAND邏輯閘

344‧‧‧延遲電路

360‧‧‧計數器

MOD‧‧‧選擇訊號

EN‧‧‧致能訊號

REFCLK‧‧‧參考時脈訊號

COUNT‧‧‧時脈週期次數

TS‧‧‧測試訊號

RO‧‧‧輸出訊號

I₁~I₄‧‧‧輸入訊號

Claims (10)

1. 一種老化偵測電路，設置於一晶片上，該老化偵測電路包含：一測試電路，用以產生一第一輸出訊號；一老化訊號產生電路，耦接至該測試電路，該老化訊號產生電路包含：一訊號產生電路，用以產生具有不同頻率的複數個輸入訊號；以及一選擇電路，用以自一第一時間點起將該第一輸出訊號回授至該測試電路，且用以自一第二時間點起依據一周圍電路的操作頻率選擇性輸出該些輸入訊號其中一者作為一老化訊號至該測試電路之一輸入端，且用以自一第三時間點起將該測試電路依據該老化訊號所產生之一第二輸出訊號回授至該測試電路之該輸入端，以使一晶片監控電路依據該第一輸出訊號以及該第二輸出訊號得到該周圍電路中至少一電晶體之老化程度，其中該些時間點的順序依序為該第一時間點、該第二時間點以及該第三時間點。
2. 如請求項第1項所述之老化偵測電路，其中，該選擇電路包含：複數個輸入端，用以接收該些輸入訊號以及該測試電路產生之該輸出訊號； 一選擇端，用以接收一選擇訊號；以及一輸出端，用以根據該選擇訊號輸出該些輸入訊號其中一者作為該老化訊號，或是輸出測試電路產生之該輸出訊號至測試電路之該輸入端。
3. 如請求項第1項所述之老化偵測電路，其中，當該測試電路產生之該輸出訊號回授至該測試電路之該輸入端時，該測試電路具振盪器之功能，使得該輸出訊號為一振盪訊號。
4. 如請求項第3項所述之老化偵測電路，其中，該老化電路更包含一計數器，用以接收該振盪訊號，並於一時間內計數該振盪訊號之一時脈週期數量。
5. 如請求項第1項所述之老化偵測電路，其中，該訊號產生電路更用以接收一參考時脈訊號，並根據該參考時脈訊號產生該些輸入訊號。
6. 如請求項第5項所述之老化偵測電路，其中，該訊號產生電路為一除頻器、一降頻器或一變頻器。
7. 一種老化偵測方法，用於一測試電路偵測周圍電路的老化程度，該方法包含：自一第一時間點起，將該測試電路產生之一第一輸出 訊號回授至該測試電路；於該第一時間點後之一第二時間點起，產生具有不同頻率的複數個輸入訊號，並依據一周圍電路的操作頻率選擇性輸出該些輸入訊號其中一者作為一老化訊號至該測試電路之一輸入端；於該第二時間點後之一第三時間點起，將該測試電路依據該老化訊號所產生之一第二輸出訊號回授至該測試電路；以及比較該第一輸出訊號及該第二輸出訊號，以得到該周圍電路中至少一電晶體之老化程度。
8. 如請求項第7項所述之老化偵測方法，其中，該老化偵測方法更包含：計數該第一輸出訊號於一時間內之一第一時脈週期數量；以及計數該第二輸出訊號於該時間內之一第二時脈週期數量。
9. 如請求項第8項所述之老化偵測方法，其中，比較該第一輸出訊號及該第二輸出訊號的步驟包含比較該第一輸出訊號之該第一時脈週期數量及該第二輸出訊號之該第二時脈週期數量。
10. 如請求項第7項所述之老化偵測方法，其中，產 生該些輸入訊號的步驟包含：根據一參考時脈訊號產生該些輸入訊號，其中該些輸入訊號的頻率為參考時脈訊號的頻率之不同倍數。