一种芯片参数采集电路的制作方法

1.本技术涉及芯片测试技术领域，尤其是一种芯片参数采集电路。


背景技术：

2.在传统技术的芯片参数采集电路中，芯片参数采集电路包括温度传感器和电压传感器，温度传感器用于测量芯片的结温，电压传感器用于实时监测芯片内电源电压的波动，如果出现超出规格的温度或电压变化，芯片就会启动中断或者报警操作，以免造成芯片的性能退化和功能异常，而温度采集任务通常由被偏置在恒定电流下的双极型晶体管pnp执行：恒定电流由偏置电流电路中的p沟道场效应晶体管pmos阵列产生，并连接在pnp的发射极；pnp的基极-集电极电压vbe与温度成反比，且近似呈线性关系。因此温度采集的电路会输出一个带有温度信息的电压信号，该信号与电压采集电路的输出电压信号经过通道选通电路送至模数转换器的输入端口，模数转换器的输出数字码字用于逻辑电路的后处理。
3.传统采集电路中存在以下影响数字码字精度的非理想因素：1.pmos偏置电流不是恒定值，会随生产工艺角和电源电压发生显著的变化，偏置电流的改变会造成pnp vbe随温度变化的非线性；2.pnp的vbe会随生产工艺角发生显著变化，即使pnp被偏置在恒定的电流下，不同芯片在同一个温度下的vbe也会不同，会引入温度测量的偏移误差；3.模数转换器存在因生产工艺失配引起的转换误差，会引入温度和电压测量的偏移误差；4.模数转换器的输入正参考电压值一般设定为电源电源，而电源电压不可避免地存在直流偏移和瞬态波动。
4.鉴于上述非理想因素，温度和电压传感器必须经过校准才能满足产品的测量精度要求。校准一般是在晶圆生产后段，芯片封装之前的探针测试（cp）阶段完成的。传统校准技术需要分3个步骤完成：1.校准偏置电流的精度，目的是提升pnp 基极以及发射极的电压vbe随温度变化的线性度，使得数字码字随温度的变化接近线性。校准的原理是在芯片打线窗口处施加芯片外精准电阻，改变偏置电流pmos阵列中并联开启的pmos个数调节总的偏置电流大小。当总偏置电流在芯片外精准电阻上形成的压降达到预设值时将pmos开启的个数存入一次性可编程存储单元中。2.校准pnp的vbe随生产工艺角的变化，目的是消除芯片之间的固定温度偏移。校准原理是在预设温度下（一般是室温）记录实测温度和理论计算温度的差值，存入一次性可编程存储单元中。3.校准模数转换器由生产工艺失配和电源波动引起的转换误差。因芯片内无法提供相对精准的电源电压，需要从芯片外部施加两个直流电源，一个是通过芯片打线窗口连接到模数转换器的输入端口的满量程内的任意电压值，另一个是通过芯片打线窗口连接到模数转换器的正参考电压端口的满量程电压。校准原理是将实测数字码字和理想数字码字的差值记录在一次性可编程存储单元中。
5.传统校准技术的缺点有以下3点：1.需要多次校准，增加了晶圆探针测试的时间和成本；2.需要多个efuse单元存放校准值，而soc中的efuse容量通常是有限的，其单位容量成本也远高于其它类型的存储单元（比如静态随机存储sram）；3.需要多个芯片打线窗口，占用了soc有限的pad资源。因此，基于上述传统采集电路在校准技术的缺陷，亟需一种新的
芯片参数采集电路。
6.soc=片上系统；cp校准=探针测试阶段校准；efuse=一次性可编程存储器。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
8.为此，本技术实施例的一个目的在于提供一种芯片参数采集电路，该电路可以简化校准步骤，节约人力资源成本。
9.为了达到上述技术目的，本技术实施例所采取的技术方案包括：温度采样模块、校准模块、选通模块以及模数转换器；其中，所述校准模块包括：带隙基准电路，用于生成与晶体管的工作温度无关的带隙基准电压；电压缓冲器，用于将所述第一参考电压调整为输入所述模数转换器以及输入分压电路的正参考电压；分压电路，用于将所述正参考电压调整为输入所述选通模块的片内校准电压；基准电压校准电路，用于校准所述带隙基准电压，以使所述温度采样模块生成第一采样信号，以及用于生成输入所述分压电路的第一参考电压；所述第一采样信号包括带温度信息的电压信号。
10.另外，根据本发明中上述实施例的一种芯片参数采集电路的方法，还可以有以下附加的技术特征：进一步地，本技术实施例中，所述温度采样模块包括第一场效应管、第一三极管以及电源;所述第一场效应管的栅极与所述带隙基准电路连接，所述第一场效应管的漏极与所述电源连接；所述第一场效应管的源极与所述第一三极管的发射极连接，所述第一三极管的基极以及集电极并联接地。
11.进一步地，本技术实施例中，还包括后处理模块；所述后处理模块与所述模数转换器连接；所述后处理模块包括中断电路、报警电路或者调频调压电路中的一种或者多种电路的组合。
12.进一步地，本技术实施例中，还包括电压采样模块；所述电压采样模块与所述选通模块连接；所述电压采样模块用于采集电压信号并通过所述选通模块输入至所述模数转换器。
13.进一步地，本技术实施例中，所述带隙基准电路包括：电源、运算放大器、第二场效应管、第三场效应管、第四场效应管，第二三极管、第三三极管、第四三极管、第一电阻以及第二电阻；所述第二场效应管、所述第三场效应管以及所述第四场效应管的漏极均与所述电源连接，所述第二场效应管、所述第三场效应管以及所述第四场效应管的栅极均与所述运算放大器的输出端连接；所述第二场效应管的源极以及所述运算放大器的同相输入端与所述第一电阻的一端连接；所述第一电阻的另一端与所述第二三极管的集电极连接；所述第二三极管的基极与发射极并联接地；所述第三场效应管的源极以及所述运算放大器的反相输入端与所述第二三极管的集电极连接；所述第三三极管的基极与发射极并联接地；所述第四场效应管的源极与所述第二电阻的一端连接；所述第二电阻的另一端与所述第四三极管的集电极连接；所述第四三极管的基极与发射极并联接地。
14.进一步地，本技术实施例中，所述第一场效应管与所述第二场效应管的电气参数
以及温度参数相同；所述第一三极管以及第二三极管的电气参数以及温度参数相同。
15.进一步地，本技术实施例中，所述第一三极管、所述第二三极管、所述第三三极管以及所述第四三极管均包括pnp型三极管。
16.进一步地，本技术实施例中，所述第一场效应管、所述第二场效应管、所述第三场效应管以及所述第四场效应管均包括p沟道场效应管。
17.另一方面，本技术实施例还提供一种芯片参数采集装置，包括一个或者多个如上述任一项所述一种芯片参数采集电路。
18.本技术的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到：本技术可以通过基准电压校准电路直接校准带隙基准电压，通过校准带隙基准电路的电压间接使温度采样模块生成校准后的带温度信息的第一采样信号从而完成采集电路cp校准；通过电压缓冲器、选通模块以及分压电路可以实现采集电路的自校准，通过模数转换器可以将校准后的采样信号转换为对应数字信号以完成芯片参数的采集；本技术的采集电路校准时只需要做1次cp校准和1次自校准；由于只有自校准过程需要1个efuse存储单元，1个芯片打线窗口和1个低成本的sram存储单元，相比于传统采集电路的校准，本技术可以提高采集电参数精确度的同时可以节约人力资源成本，而且，本技术还具有校准时间灵活和温度补偿等优势。
附图说明
19.图1为本发明中一种具体实施例中温度和电压采集装置的结构示意图；图2为本发明中一种具体实施例中偏置电流校准时的电路结构示意图；图3为本发明中一种具体实施例中pnp中基极以及集电极的温度与模数转换器转换出来的码字之间的关系示意图；图4为本发明中一种具体实施例中校准模数转换器校准时的结构示意图；图5为本发明中一种具体实施例中芯片参数采集电路的模块结构示意图；图6为本发明中一种具体实施例中芯片参数采集电路的具体结构示意图；图7为本发明中一种具体实施例中芯片参数采集电路的cp校准过程中的结构示意图；图8为本发明中一种具体实施例中芯片参数采集电路的自校准过程中的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图详细描述本发明的实施例对本发明实施例中的芯片参数采集电路的原理和过程作以下说明。
21.首先，结合附图对现有技术中的校准缺陷进行说明：随着cmos集成电路设计和制造技术的发展，低成本、数字化的温度和电压传感器在片上系统（soc）中得到了广泛地应用。温度传感器用于测量芯片的结温，电压传感器用于实时监测芯片内电源电压的波动，如果出现超出规格的温度或电压变化，芯片就会启动中断或者报警操作，以免造成芯片的性能退化和功能异常。
22.图1所示为soc中使用传统技术的温度和电压采集装置。温度采集任务由被偏置在恒定电流下的双极型晶体管pnp执行：恒定电流由偏置电流电路中的p沟道场效应晶体管pmos阵列产生，并连接在pnp的发射极；pnp的基极-集电极电压vbe与温度成反比，且近似呈线性关系。因此温度采集电路会输出一个带有温度信息的电压信号，该信号与电压采集电路的输出电压信号经过通道选通电路送至模数转换器的输入端口，模数转换器的输出数字码字用于逻辑电路的后处理。后处理电路一般包括中断、报警以及调频调压功能。
23.传统采集装置存在以下影响数字码字精度的非理想因素：1.pmos偏置电流不是恒定值，会随生产工艺角和电源电压发生显著的变化，偏置电流的改变会造成pnp vbe随温度变化的非线性；2.pnp的vbe会随生产工艺角发生显著变化，即使pnp被偏置在恒定的电流下，不同芯片在同一个温度下的vbe也会不同，会引入温度测量的偏移误差；3.模数转换器存在因生产工艺失配引起的转换误差，会引入温度和电压测量的偏移误差；4.模数转换器的输入正参考电压值一般设定为电源，而电源电压不可避免地存在直流偏移和瞬态波动。
24.鉴于上述非理想因素，温度和电压传感器必须经过校准才能满足产品的测量精度要求。校准一般是在晶圆生产后段，芯片封装之前的探针测试（cp）阶段完成的。传统校准技术如图2至图4所示，分3个步骤完成：1.校准偏置电流的精度，目的是提升pnp 的vbe随温度变化的线性度，使得数字码字随温度的变化接近线性。校准的原理是在芯片打线窗口1处施加芯片外精准电阻rext，改变偏置电流pmos阵列中并联开启的pmos个数调节总的偏置电流大小。当总偏置电流在rext上形成的压降达到预设值时将pmos开启的个数存入一次性可编程存储单元efuse1中。2.校准pnp的vbe随生产工艺角的变化，目的是消除芯片之间的固定温度偏移。校准原理是在预设温度下（一般是室温）记录实测温度和理论计算温度的差值，存入一次性可编程存储单元efuse2中。3.校准模数转换器由生产工艺失配和电源波动引起的转换误差。因芯片内无法提供相对精准的电源电压，需要从芯片外部施加两个直流电源，vext1通过芯片打线窗口2连接到模数转换器的输入端口，vext2通过芯片打线窗口3连接到模数转换器的正参考电压端口，vext2是模数转换器的满量程电压，vext1可以是满量程内的任意电压值。校准原理是将实测数字码字和理想数字码字的差值记录在一次性可编程存储单元efuse3中。
25.传统校准技术的缺点有以下3点：1.需要三次校准，增加了晶圆探针测试的时间和成本；2.需要三个efuse单元存放校准值，而soc中的efuse容量通常是有限的，其单位容量成本也远高于其它类型的存储单元（比如静态随机存储sram）；3.需要三个芯片打线窗口，占用了soc有限的pad资源。
26.基于上述传统采集电路在校准过程中存在的缺陷，本技术实施例可以提供一种芯片参数采集电路，可以简化校准步骤，节约人力资源成本。其电路结构可以参照图5，在图5中，本技术的芯片参数采集电路可以包括：温度采样模块1、校准模块2、选通模块3以及模数转换器4；校准模块2可以与模数转换器4、选通模块3以及温度采样模块1连接；选通模块3可以选择不同的接入电路的输出参数通过，通常接入选通模块3的电路有两个或者以上，选通模块3可以选择不同的接入电路的输出参数通过，模数转换器4可以将模拟信号转换为对应的数字信号，可以通过解析数字信号完成芯片参数的采样；其中，校准模块2可以包括：带隙基准电路21、基准电压校准电路22、电压缓冲器23以及分压电路24；带隙基准电路21可以生成与基准电路内部的晶体管的工作温度无关的带隙基准电压，基准电压校准电路22可以校
准带隙基准电路21输出的带隙基准电压，以使温度采样模块1可以生成第一采样信号，其中，第一采样信号可以是包括带温度信息的电压信号，而且基准电压校准电路22还可以生成输入分压电路24的第一参考电压；第一参考电压可以作为电压缓冲器23的输入电压；电压缓冲器23可以将第一参考电压调整为同时输入模数转换器4以及输入分压电路的正参考电压；分压电路可以将输入的正参考电压调整为用于输入选通模块3的片内校准电压；片内校准电压可以用于后续的模数转换器4的校准。
27.进一步地，在本技术的一些实施例中，参照图6，芯片参数采集电路还包括电压采样模块；电压采样模块与选通模块连接；电压采样模块可以采集芯片中特定的电压信号并通过选通模块输入至模数转换器；模数转换器可以将采样到电压转换为数字信号。
28.进一步地，在本技术的一些实施例中，参照图6，芯片参数采集电路还包括后处理模块，后处理模块可以将进行处理，形成报警信号或者是通过后处理模块对采集到的电压进行调压调频；也可以进行其他的数字信号的处理等，因此，后处理模块可以包括中断电路、报警电路或者调频调压电路中的一种或者多种电路的组合。
29.进一步地，在本技术的一些实施例中，参照图6，温度采样模块可以包括第一场效应管pmos4、第一三极管pnp以及电源;第一场效应管pmos4的栅极与带隙基准电路连接，第一场效应管pmos4的漏极与电源连接；第一场效应管pmos4的源极与第一三极管pnp的发射极极连接，第一三极管pnp的基极以及集电极并联接地。
30.进一步地，在本技术的一些实施例中，参照图6，带隙基准电路可以包括：电源、运算放大器opamp、第二场效应管pmos1、第三场效应管pmos3、第四场效应管pmos2，第二三极管pnp1、第三三极管pnp3、第四三极管pnp2、第一电阻r1以及第二电阻r2；第二场效应管pmos1、第三场效应管pmos3以及第四场效应管pmos2的漏极均与电源连接，第二场效应管pmos1、第三场效应管pmos3以及第四场效应管pmos2的栅极均与运算放大器opamp的输出端连接；第二场效应管pmos1的源极以及运算放大器opamp的同相输入端与第一电阻r1的一端连接；第一电阻r1的另一端与第二三极管pnp1的集电极连接；第二三极管pnp1的基极与发射极并联接地；第三场效应管pmos3的源极以及运算放大器opamp的反相输入端与第二三极管pnp1的集电极连接；第三三极管pnp3的基极与发射极并联接地；第四场效应管pmos2的源极与第电阻的一端连接；第二电阻r2的另一端与第四三极管pnp2的集电极连接；第四三极管pnp2的基极与发射极并联接地。
31.进一步地，在本技术的一些实施例中，温度采样模块中的第一场效应管与带隙基准电路中的第二场效应管的电气参数以及温度参数可以相同；温度采样模块第一三极管以及带隙基准电路中的第二三极管的电气参数以及温度参数可以相同；温度采集模块中包括三极管和场效应管在内的晶体管的电气参数以及温度参数相同，可以使第一场效应管复制第二场效应管的电流，可以使第一场效应管得到与温度成正比的电流i，并将其用于温度采集电路，这样不仅可以消除温度采样三极管的偏置电流i随生产工艺及电源电压的变化，还利用电流i的正温度系数提高了温度采样三极管的积极与发射极之间电压vbe的线性度。
32.进一步地，在本技术的一些实施例中，芯片采集电路的第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管以及第四场效应管均可以选用p沟道场效应管，需要说明的是，在本技术的另一些实施例中，第一场效应管、第二场效应管、第三场效应管以及第四场效应管也可以选用n沟道场效应管，此时，电路需根据p沟道场效应管以及n沟道场效应管的差异进行适应
性的调整。
33.进一步地，在本技术的一些实施例中，芯片采集电路的第一三极管、第二三极管、第三三极管以及第四三极管均可以选用pnp型三极管，需要说明的是，在本技术的另一些实施例中，第一三极管、第二三极管、第三三极管以及第四三极管也可以均选用npn型三极管，也可以个别的三极管选用npn型三极管，如与运算放大器连接的第二三极管以及第三三极管可以选用npn型三极管，此时，具体的电路需根据pnp与npn之间的差异进行适应性的调整。
34.具体地，下面结合,图7和图8说明本技术的实施例的芯片参数采集电路的校准过程：首先，进行一次cp校准。参照图7，用带隙基准电压校准电路直接校准vbg，通过一次校准实现两个功能：一是记录温度采样pnp的基极-集电极电压的偏移值，间接完成对温度偏移的校准；二是得到一个精准的芯片内电压值vp，为模数转换器提供正参考电压vbuff和片内校准电压vc，用于后续校准模数转换器的转换误差。间接校准原理如下：带隙基准电压校准电路由可抽头电阻rv和固定阻值电阻rf串联于芯片打线窗口4和所有模块公共地之间，带隙基准电压vbg连接在rv的输出抽头处，rv由一次性可编程存储单元 efuse4经二进制码转独热码的译码器控制输出抽头的位置。rv等效电路中rv1-rvn是n个单位电阻串联阵列，rv1的正端连接vp，rvn的负端连接rf的正端；每个单位电阻的正端通过一个传输门swx(x取1到n之间的n个整数)连接到输出抽头端口，每个传输门受一对互补的数字信号hx和hxb控制(x取1到n之间的n个整数)，独热码保证了n个开关中只有1个导通。校准的过程是不断调节efuse4的值，改变vbg和vp之间的分压电阻比例，直到vp的电压等于预设值（可以是介于vbg至电源电压之间的任意电压值，比如1.3v）。参考下述公式（1）的计算公式，在特定的校准温度下，k*t*ln(n)*r2/(q*r1)为恒定值，不同芯片之间vbg的偏差完全来自于vbe2，结合本技术所述的严格对称的电路设计可知，vbets的偏差严格等于vbe2的偏差，因而对vbg的直接校准实际上间接校准了温度采样pnp的vbets，校准前、后存储在efuse4中的码字差值代表了温度偏移；（1）（1）式中k为波尔兹曼常数，q为电量的常数，t为温度，n为带隙基准电路中接入运算放大器的第二三极管与第三三极管的发射极面积的比值常数，r1和r2分别为带隙基准电路中第一电阻和第二电阻的阻值，r2和r1的比值是常数，vbe2为第四三极管的基极-集电极电压。
35.完成cp校准后，需要进行一次实时的自校准。参照图8，使用实时自校准的方法记录模数转换器的转换误差。实时校准是指校准过程不需要在cp阶段进行，可以在芯片量产测试或者使用过程中随时进行，实时校准不仅带来了时间的灵活度，还可以设定成周期性的实时校准，进一步补偿芯片温度变化对模数转换器转换误差的影响；自校准是指模数转换器的参考电压不再依赖于芯片外部的电压源。实时自校准方法如下：用电压缓冲器的输出电压vbuff作为模数转换器的正参考电压,用分压电路的输出电压vc作为模数转换器的
校准输入电压,实时校准的机制由vc转换控制模块确定，用模数转换器对vc电压进行转换,实际输出的数字码字和理想码字之间的偏差就是模数转换器的转换误差,误差值保存在芯片内sram存储单元中，sram具有可多次读写和单位容量成本低的优势。
36.此外、本技术还提供一种芯片参数采集装置，该装置可以包括一个或者多个上述任一个实施例所述的芯片参数采集电路，在实际应用中，当使用多个芯片参数采集电路时，可以同时采集到多个芯片的电参数；便于芯片的测试以及量产，可以有效提高芯片的测试效率。
37.此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本技术，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本技术是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本技术。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本技术的范围，本技术的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
38.在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
39.尽管已经示出和描述了本技术的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本技术的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本技术的范围由权利要求及其等同物限定。
40.以上是对本技术的较佳实施进行了具体说明，但本技术并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本技术精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。