一種具有預(yù)修調(diào)功能的數(shù)字修調(diào)系統(tǒng)

姚思雨 王靖 李威

（電子科技大學(xué) 四川省成都市 610054）

1 引言

隨著集成電路技術(shù)的不斷革新，在芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中需要滿足的性能和指標(biāo)也越來(lái)越高。但是，由于半導(dǎo)體制造中存在不可避免的工藝誤差等非理想因素，使得生產(chǎn)出的芯片和指標(biāo)出現(xiàn)一定的偏差，可能會(huì)影響到芯片的性能。因此需要使用修調(diào)技術(shù)來(lái)調(diào)整這些誤差，從而優(yōu)化芯片的參數(shù)，修調(diào)技術(shù)是在高精度高性能芯片設(shè)計(jì)過(guò)程中的必要方法。

2 傳統(tǒng)的誤差修調(diào)技術(shù)

通常的數(shù)字修調(diào)技術(shù)主要通過(guò)查表直接燒斷對(duì)應(yīng)熔絲，從而達(dá)到修調(diào)電壓或者電流的目的。然而，一旦將熔絲燒斷后將不可恢復(fù)，在實(shí)際測(cè)試修調(diào)過(guò)程當(dāng)中，可能由于修調(diào)方案或操作技術(shù)的問(wèn)題，無(wú)法達(dá)到熔斷熔絲后預(yù)期的修調(diào)值，因此直接使用查熔絲真值表來(lái)熔斷熔絲存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

3 具有預(yù)修調(diào)功能的數(shù)字修調(diào)系統(tǒng)原理分析

本技術(shù)是一種具有預(yù)修調(diào)的數(shù)字修調(diào)系統(tǒng)。通過(guò)預(yù)修調(diào)步驟來(lái)調(diào)整熔絲真值表，從而提高熔斷熔絲修調(diào)過(guò)程中的成功率。本技術(shù)提出的一種具有預(yù)修調(diào)的數(shù)字修調(diào)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)模塊，第一部分為信號(hào)產(chǎn)生模塊，第二部分為熔絲陣列電路模塊，最后一部分為開關(guān)電路模塊。

3.1 信號(hào)產(chǎn)生模塊

本設(shè)計(jì)信號(hào)產(chǎn)生模塊主要由5 位計(jì)數(shù)器和29 位移位寄存器電路組成，其輸入信號(hào)CLK 是接時(shí)鐘信號(hào)，輸入信號(hào)IN 是接修調(diào)序列碼信號(hào)，主要功能是輸出經(jīng)處理后的數(shù)字信號(hào)控制熔絲陣列電路中具體的熔絲的熔斷或者預(yù)熔斷操作。輸入端口連續(xù)輸入固定包頭包尾的29 位序列信號(hào)時(shí)，移位寄存器會(huì)同時(shí)將D9 ～D21 輸出到下一模塊熔絲電路中，在輸入第29 位時(shí)，熔絲電路對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)產(chǎn)生對(duì)具體某個(gè)熔絲熔斷還是預(yù)修調(diào)操作的信號(hào)。在輸入序列信號(hào)結(jié)束后，移位寄存器停止工作，計(jì)數(shù)器從0 計(jì)數(shù)，此時(shí)，熔絲陣列模塊的輸出信號(hào)被鎖定。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到11111 時(shí)，計(jì)數(shù)器工作停止，移位寄存器重新開始工作，此時(shí)可以再往輸入端輸入序列信號(hào)。

3.2 熔絲電路模塊

本設(shè)計(jì)的熔絲陣列電路主要有14 個(gè)相同的熔絲基礎(chǔ)單元。熔絲基礎(chǔ)單元的D、E 和C 都是由信號(hào)產(chǎn)生模塊輸出的D9 ～D21 組合邏輯控制，只需通過(guò)修改輸入序列信號(hào)的特定位數(shù)。具體的熔絲基礎(chǔ)單元電路如圖2所示。熔絲基礎(chǔ)單元電路的輸入端D 和E 分別和與非門NAND1 的兩個(gè)輸入端連接，反相器輸出端的熔斷使能信號(hào)Fuse_en 接在晶體管N1 管的柵極。TG1 的輸出端與INV5 輸入端相連，INV5 的輸出端為控制信號(hào)Y，控制開關(guān)電路模塊中的開關(guān)晶體管。

圖1：具有預(yù)修調(diào)的數(shù)字修調(diào)系統(tǒng)整體框圖

在熔斷熔絲的模式下，在熔絲基礎(chǔ)單元電路圖中，令輸入端A=1 和輸入端B=0 并且保持恒定，令D=1，E=1，C=0。本設(shè)計(jì)采用的熔絲在持續(xù)施加5V 電壓5ms 以上即熔斷，即當(dāng)Fuse_en 信號(hào)為高時(shí)，MN1 導(dǎo)通，可以令熔絲Fuse 熔斷。通過(guò)令D=E=1 時(shí)，可以使Fuse_en 為高，熔斷熔絲后傳輸門TG1 不導(dǎo)通，傳輸門TG2導(dǎo)通。通過(guò)令E=1，C=0，使INV2 的輸出端為0 連到TG_2 的輸入，從而輸出開關(guān)控制信號(hào)Y=1，為高有效。

在預(yù)熔斷的模式下，即可以保持熔絲未被熔斷的狀態(tài)，但是可以在輸出端獲得熔絲熔斷后的值，從而達(dá)到熔絲熔斷的效果。令輸入端A=1 和輸入端B=0 并且保持恒定，D=0，E=1，C=1?？梢允笷use_en 為低，熔絲無(wú)法熔斷，此時(shí)傳輸門TG_1 導(dǎo)通，傳輸門TG_2 不導(dǎo)通。通過(guò)令E=1，C=1，使INV3 的輸出端為0 連到TG_1 的輸入，從而輸出開關(guān)控制信號(hào)Y=1，為高有效。預(yù)修調(diào)和熔斷的操作是由序列信號(hào)中的第16、17 位來(lái)決定，預(yù)修調(diào)時(shí)這兩位的值為“1、0”，熔斷熔絲時(shí)值為“0、1”，只需要修改這兩位的值就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)修調(diào)和真實(shí)熔斷操作的切換。通過(guò)仿真修調(diào)操作，可以得到具有規(guī)律步長(zhǎng)的熔絲真值表以及對(duì)應(yīng)的29 位的預(yù)修調(diào)和熔斷的輸入序列信號(hào)。

3.3 開關(guān)電路模塊

開關(guān)電路模塊，由電流源晶體管陣列和開關(guān)晶體管陣列組成，通過(guò)不同開關(guān)管的開啟與否來(lái)確定修調(diào)電流的大小。開關(guān)晶體管的柵極由熔絲模塊輸出的數(shù)字信號(hào)控制，起到開關(guān)的作用。電流開關(guān)的輸出由電流開關(guān)晶體管求和，它們分別由開關(guān)控制信號(hào)控制，并產(chǎn)生調(diào)整電路的PTRIM 和NTRIM 輸出。MPA 的柵極為熔絲模塊中某一個(gè)熔絲單元的輸出，MPB 的柵極為該熔絲單元的輸出的相反，MPA 和MPB 的開關(guān)狀態(tài)總是相反，MNA 和MNB 的柵極同理兩者的開關(guān)狀態(tài)也總是相反。POSTRIM 是提供正值的修調(diào)，NEGTRIM 是提供負(fù)值的修調(diào)，在熔斷特定的TRIM 后，再熔斷其他TRIM 可以提供正值的修調(diào)，反之僅熔斷其他的TRIM 都為負(fù)修調(diào)。這樣正負(fù)修調(diào)的控制可以在不增加芯片電路的情況下擴(kuò)大修調(diào)范圍。

圖3：熔斷狀態(tài)下Fuse_en 的仿真結(jié)果波形圖

圖4：預(yù)修調(diào)下輸出端Y 的仿真結(jié)果波形圖

4 仿真與分析

本次仿真通過(guò)模擬預(yù)修調(diào)和真實(shí)熔斷的情況來(lái)證明本設(shè)計(jì)的實(shí)用性。在輸入端口連續(xù)輸入29 位序列信號(hào)時(shí)，預(yù)修調(diào)和熔斷的操作是由序列信號(hào)中的第16、17 位來(lái)決定，預(yù)修調(diào)時(shí)這兩位的值為“1、0”，熔斷熔絲時(shí)值為“0、1”，只需要修改這兩位的值就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)修調(diào)和真實(shí)熔斷操作的切換。通過(guò)仿真修調(diào)操作，可以得到具有規(guī)律步長(zhǎng)的熔絲真值表以及對(duì)應(yīng)的29 位的預(yù)修調(diào)和熔斷的輸入序列信號(hào)。

仿真真實(shí)熔斷的狀態(tài)，在輸入端口IN 輸入10000001 1000000 01 001 01111110（脈沖寬度為1us），在時(shí)鐘輸入端口輸入f=1MHz的時(shí)鐘信號(hào)，T=1us，此時(shí)測(cè)得此脈沖序列代碼對(duì)應(yīng)的熔絲單元TRIM 的Fuse_en 的仿真結(jié)果波形圖如圖3所示。仿真結(jié)果中，N0D2 線（即Fuse_en）由仿真波形讀得29us-30us 時(shí)電平為高，此時(shí)即可將熔絲Fuse 熔斷，每一個(gè)熔絲對(duì)應(yīng)的熔斷序列代碼都得到驗(yàn)證。

仿真預(yù)修調(diào)的狀態(tài)，即保持熔絲未被熔斷的狀態(tài)，但是可以在輸出端獲得熔絲熔斷后的值，從而達(dá)到熔絲熔斷的效果。在輸入端口IN 輸入10000001 1000000 10 001 01111110（脈沖寬度為1us），在時(shí)鐘輸入端口輸入f=1MHz 的時(shí)鐘信號(hào)，T=1us，此時(shí)測(cè)得此脈沖序列代碼對(duì)應(yīng)的熔絲單元TRIM 的輸出值Y 的仿真結(jié)果波形圖如圖4所示。仿真結(jié)果中，此時(shí)的輸出Y 在29us-30us 時(shí)電平開始為高，說(shuō)明達(dá)到了預(yù)熔斷的效果，即可以保持熔絲未被熔斷的狀態(tài)，但是可以在輸出端獲得熔絲熔斷后的值，從而達(dá)到了熔絲熔斷的效果，預(yù)修調(diào)的狀態(tài)得到了驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)可以廣泛用于芯片測(cè)試修調(diào)，熔絲修調(diào)過(guò)程如下：首先根據(jù)芯片的測(cè)試結(jié)果，對(duì)照真值表選擇對(duì)應(yīng)需要熔斷的熔絲的輸入序列；然后進(jìn)行預(yù)修調(diào)操作，在輸入時(shí)鐘端口CLK 接時(shí)鐘信號(hào)，在端口IN 接對(duì)應(yīng)的預(yù)熔斷修調(diào)序列，輸入29 位序列結(jié)束后，測(cè)得預(yù)熔斷后的結(jié)果，上電復(fù)位后，重新進(jìn)行預(yù)修調(diào)操作，直到輸出結(jié)果在要求的范圍內(nèi)。預(yù)熔斷后，可以根據(jù)預(yù)修調(diào)的操作方案，輸出對(duì)應(yīng)真實(shí)熔斷后的結(jié)果。最后通過(guò)多次進(jìn)行預(yù)修調(diào)的操作，確定最終的熔斷方案，并進(jìn)行熔斷熔絲的修調(diào)操作。這種具有預(yù)修調(diào)功能的數(shù)字修調(diào)系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)電路的修調(diào)功能，而且能夠避免直接使用熔絲真值表來(lái)熔斷熔絲帶來(lái)的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際操作的過(guò)程中，熔絲的實(shí)際修調(diào)值與仿真得到的理論值往往存在不少差異。本設(shè)計(jì)是在預(yù)熔斷的模式下，可以保持熔絲未被熔斷的狀態(tài)，但是可以在輸出端獲得熔絲熔斷后的值，從而達(dá)到真實(shí)熔絲熔斷的效果，預(yù)估和完善熔斷熔絲后能達(dá)到的修調(diào)值，確定最優(yōu)的修調(diào)方案，再進(jìn)行熔斷操作，可以在一定程度上避免熔絲實(shí)際修調(diào)值和理論推出的熔絲步長(zhǎng)真值表的偏差，能夠極大地提高修調(diào)成功率。