基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器，包括控制模块、参考压控振荡器、两个整形电路、频差电路、分辨率调节电路、16位计数器、并转串电路、自适应模块和数模转换器，自适应模块内预存有查找表，在对集成电路的压控振荡器进行老化监测时，自适应模块采用布谷鸟算法确定当前被测压控振荡器的最优工作电压，控制模块据此改变集成电路的压控振荡器的输入电压；优点是通过监测集成电路中压控振荡器的老化程度来反映集成电路的老化程度，并自适应去调整集成电路中压控振荡器的最优工作电压，对集成电路中压控振荡器的进行自适应老化修复，能够满足不同老化程度下集成电路老化的修复，最终实现集成电路抗老化的目的，应用范围广。应用范围广。应用范围广。

【技术实现步骤摘要】
基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器


[0001]本专利技术涉及一种抗老化传感器，尤其是涉及一种基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器。

技术介绍

[0002]随着半导体技术的发展，集成电路(Integrated Circuit,IC)工艺进入深亚微米阶段，在性能和面积等方面具有显著的优势。然而集成电路器件在尺寸缩小和电路集成度提高的同时，原本可以忽略的寄生效应变得愈发严重，加剧了集成电路老化。老化效应对集成电路可靠性影响日益突出，在其作用下集成电路内晶体管阈值电压升高，逻辑门翻转速度减慢，延迟增加，进而导致时序违规，引发集成电路失效。在工艺进入深纳米阶段，负偏置温度不稳定效应(Negative Bias Temperature Instability，NBTI)NBTI已成为引起老化效应的关键因素。性能稳定是IC设备可靠性的关键指标，因此维持集成电路在正常寿命内的优良性能，延缓集成电路老化是当前纳米工艺下亟需实现的关键技术。
[0003]目前，国内外研究机构对集成电路抗老化技术进行深入研究，并取得一定研究成果。文献1《针对抗老化门替换技术的关建门识别算法》提出关键门识别算法并将其应用于抗老化方案中的门替换技术中，通过对电路网表逻辑仿真得到信号占空比和内部节点信息，并判断门替换带来的抗老化效果来识别关键门，得到满足要求的关键门集合进行替换，以此提高集成电路抗老化能力。但该方法要求在设计初期就需在满足时序余量基础上对关键门进行替换，而不同时序余量对应不同的关键门集合，因此不同老化程度对应的关键门位置、数量和种类也是不同的，不能满足不同老化程度下集成电路老化的修复，应用范围具有局限性。
[0004]众所周知，集成电路中压控振荡器作为频率产生单元，一直处于高频工作状态，相比集成电路中其他电路模块更易发生老化，进而导致整个集成电路性能下降，甚至失效。因此可以通过监测压控振荡器的老化程度来反映集成电路的老化程度，而对压控振荡器的老化状态进行修复能减缓集成电路的老化，最终实现集成电路抗老化的目的。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器，该自适应抗老化传感器通过监测集成电路中压控振荡器的老化程度来反映集成电路的老化程度，并能根据集成电路中压控振荡器的老化状态自适应去调整集成电路中压控振荡器的最优工作电压，对集成电路中压控振荡器的进行自适应老化修复，能够满足不同老化程度下集成电路老化的修复，最终实现集成电路抗老化的目的，应用范围广。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器，包括控制模块、参考压控振荡器、结构相同的两个整形电路、频差电路、分辨率调节电路、16位计数器、并转串电路、自适应模块和数模转换器；所述的控制模块具有反馈端、第一电压输出端、第二电压输出端和控制信号输出端，所述的参考压控振荡器和每个所
述的整形电路分别具有输入端和输出端，所述的频差电路具有置数端、时钟端和输出端，所述的分辨率调节电路具有输入端、输出端和控制端，所述的16位计数器具有置数端、复位端和16位并行输出端，所述的自适应模块具有控制端、16位并行输入端和16位并行输出端，所述的数模转换器具有16位并行输入端和输出端，所述的并转串模块具有时钟端、16位并行输入端和输出端，将两个所述的整形电路分别称为第一整形电路和第二整形电路，将集成电路中的压控振荡器称为被测压控振荡器，所述的参考压控振荡器与被测压控振荡器完全相同，所述的控制模块的第一电压输出端用于连接被测压控振荡器的输入端，所述的控制模块的第二电压输出端和所述的参考压控振荡器的输入端连接，所述的控制模块的控制信号输出端分别与所述的分辨率调节电路的控制端和所述的自适应模块的控制端连接，所述的第一整形电路的输入端用于连接被测压控振荡器的输出端，所述的参考压控振荡器的输出端和所述的第二整形电路的输入端连接，所述的第一整形电路的输出端和所述的频差电路的置数端连接，所述的第二整形电路的输出端分别与所述的频差电路的时钟端、所述的并转串模块的时钟端和所述的16位计数器的置数端连接，所述的频差电路的输出端和所述的分辨率调节电路的输入端连接，所述的分辨率调节电路的输出端和所述的16位计数器的复位端连接，所述的16位计数器的16位并行输出端分别与所述的并转串模块的16位并行输入端和所述的自适应模块的16位并行输入端连接，所述的自适应模块的16位并行输出端和所述的数模转换器的16位并行输入端连接，所述的数模转换器的输出端和所述的控制模块的反馈端连接；
[0007]所述的控制模块产生两路电压信号和一路电平控制信号，其中第一路电压信号为老化电压信号VDC，通过其第一电压输出端输出，第二路电压信号为基准电压信号VDD，通过其第二电压输出端输出，电平控制信号为高电平或者低电平，通过其控制信号输出端输出，电平控制信号的初始状态为低电平，老化电压信号VDC经过所述的被测压控振荡器产生老化频率信号A，基准电压信号VDD经过所述的参考压控振荡器产生基准频率信号B，老化频率信号A经所述的第一整形电路整形后得到第一频率信号f
ctr
，基准频率信号B经所述的第二整形电路整形后得到第二频率信号f
ref
，频差电路通过比较第一频率信号f
ctr
和第二频率信号f
ref
得到拍频信号f
out
，拍频信号f
out
为第二频率信号f
ref
和第一频率信号f
ctr
之间的差值，拍频信号f
out
从所述的频差电路的输出端输出至所述的分辨率调节电路的输入端，所述的分辨率调节电路的输出端输出置位信号rst，当所述的分辨率调节电路的控制端接入的电平控制信号为低电平时，置位信号rst为拍频信号f
out
的2分频信号，当所述的分辨率调节电路的控制端接入的电平控制信号为高电平时，置位信号rst为拍频信号f
out
的4分频信号，所述的16位计数器的复位端接入置位信号rst，所述的16位计数器在置位信号rst周期内计数其置数端接入的第二频率信号f
ref
的个数，然后将计数值以二进制形式的16位并行数据Q0-Q15在其16位并行输出端进行输出，所述的并转串电路在第一频率信号f
ref
作用下，将所述的16位计数器输出的16位并行数据Q0-Q15转换为串行数据Q[0:15]在其输出端输出；
[0008]所述的自适应模块内预存有查找表，所述的查找表通过对所述的自适应抗老化传感器进行仿真来人为模拟被测压控振荡器老化过程得到，具体仿真过程为：将控制模块的第一电压输出端与被测压控振荡器的输入端连接，第一整形电路的输入端与被测压控振荡器的输出端连接，对被测压控振荡器的参数和参考压控振荡器的参数进行初始化设置：PMOS晶体管的阈值电压V
TP
为0.7V、NMOS晶体管的阈值电压V
TN
为0.3V以及PMOS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于布谷鸟算法的自适应抗老化传感器，其特征在于包括控制模块、参考压控振荡器、结构相同的两个整形电路、频差电路、分辨率调节电路、16位计数器、并转串电路、自适应模块和数模转换器；所述的控制模块具有反馈端、第一电压输出端、第二电压输出端和控制信号输出端，所述的参考压控振荡器和每个所述的整形电路分别具有输入端和输出端，所述的频差电路具有置数端、时钟端和输出端，所述的分辨率调节电路具有输入端、输出端和控制端，所述的16位计数器具有置数端、复位端和16位并行输出端，所述的自适应模块具有控制端、16位并行输入端和16位并行输出端，所述的数模转换器具有16位并行输入端和输出端，所述的并转串模块具有时钟端、16位并行输入端和输出端，将两个所述的整形电路分别称为第一整形电路和第二整形电路，将集成电路中的压控振荡器称为被测压控振荡器，所述的参考压控振荡器与被测压控振荡器完全相同，所述的控制模块的第一电压输出端用于连接被测压控振荡器的输入端，所述的控制模块的第二电压输出端和所述的参考压控振荡器的输入端连接，所述的控制模块的控制信号输出端分别与所述的分辨率调节电路的控制端和所述的自适应模块的控制端连接，所述的第一整形电路的输入端用于连接被测压控振荡器的输出端，所述的参考压控振荡器的输出端和所述的第二整形电路的输入端连接，所述的第一整形电路的输出端和所述的频差电路的置数端连接，所述的第二整形电路的输出端分别与所述的频差电路的时钟端、所述的并转串模块的时钟端和所述的16位计数器的置数端连接，所述的频差电路的输出端和所述的分辨率调节电路的输入端连接，所述的分辨率调节电路的输出端和所述的16位计数器的复位端连接，所述的16位计数器的16位并行输出端分别与所述的并转串模块的16位并行输入端和所述的自适应模块的16位并行输入端连接，所述的自适应模块的16位并行输出端和所述的数模转换器的16位并行输入端连接，所述的数模转换器的输出端和所述的控制模块的反馈端连接；所述的控制模块产生两路电压信号和一路电平控制信号，其中第一路电压信号为老化电压信号VDC，通过其第一电压输出端输出，第二路电压信号为基准电压信号VDD，通过其第二电压输出端输出，电平控制信号为高电平或者低电平，通过其控制信号输出端输出，电平控制信号的初始状态为低电平，老化电压信号VDC经过所述的被测压控振荡器产生老化频率信号A，基准电压信号VDD经过所述的参考压控振荡器产生基准频率信号B，老化频率信号A经所述的第一整形电路整形后得到第一频率信号f
ctr
，基准频率信号B经所述的第二整形电路整形后得到第二频率信号f
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，频差电路通过比较第一频率信号f
ctr
和第二频率信号f
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得到拍频信号f
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，拍频信号f
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为第二频率信号f
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和第一频率信号f
ctr
之间的差值，拍频信号f
out
从所述的频差电路的输出端输出至所述的分辨率调节电路的输入端，所述的分辨率调节电路的输出端输出置位信号rst，当所述的分辨率调节电路的控制端接入的电平控制信号为低电平时，置位信号rst为拍频信号f
out
的2分频信号，当所述的分辨率调节电路的控制端接入的电平控制信号为高电平时，置位信号rst为拍频信号f
out
的4分频信号，所述的16位计数器的复位端接入置位信号rst，所述的16位计数器在置位信号rst周期内计数其置数端接入的第二频率信号f
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的个数，然后将计数值以二进制形式的16位并行数据Q0-Q15在其16位并行输出端进行输出，所述的并转串电路在第一频率信号f
ref
作用下，将所述的16位计数器输出的16位并行数据Q0-Q15转换为串行数据Q[0:15]在其输出端输出；所述的自适应模块内预存有查找表，所述的查找表通过对所述的自适应抗老化传感器进行仿真来人为模拟被测压控振荡器老化过程得到，具体仿真过程为：将控制模块的第一
电压输出端与被测压控振荡器的输入端连接，第一整形电路的输入端与被测压控振荡器的输出端连接，对被测压控振荡器的参数和参考压控振荡器的参数进行初始化设置：PMOS晶体管的阈值电压V
TP
为0.7V、NMOS晶体管的阈值电压V
TN
为0.3V以及PMOS和NMOS晶体管的工艺参数α为0.9，后续通过Cadence软件测定被测压控振荡器在不同参数下的延迟时间Time，在测定过程中，参考压控振荡器的参数始终保持初始值不变，被测压控振荡器的PMOS晶体管的阈值电压V
TP
的调节范围为0.6V-0.8V，单次调节量为1mV，NMOS晶体管的阈值电压V
TN
的调节范围为0.2V-0.4V，单次调节量为1mV、PMOS和NMOS晶体管的工艺参数α的调节范围0.8-1，单次调节量为0.001，每次测定时，老化电压信号VDC和基准电压信号VDD均设定为1.2V，先使控制模块输出的电平控制信号S为低电平，判定此时16位计数器输出的16位并行输出信号Q0-Q15对应的十进制值是否小于40，如果小于40，则保持其他条件不变，将电平控制信号S调整为高电平后记录此时16位计数器输出的16位并行输出信号Q0-Q15，如果大于等于40,则直接记录此时16位计数器输出的16位并行输出信号Q0-Q15，将当前记录的16位计数器输出的16位并行输出信号Q0-Q15作为查找表的一个索引地址，并将此时对应的阈值电压V
TP
，阈值电压V
TN
以及PMOS和NMOS晶体管的工艺参数α作为该索引地址的存储数据存入查找表中，重复上述测定过程，后续测定过程中若存在相同的16位并行输出信号Q0-Q15，则只记录一组对应的参数，直到16位计数器输出的16位并行输出信号Q0-Q15对应的十进制数从0至300都出现，完成查找表的建立并将查找表存放于自适应模块中，此时所述的查找表中的索引地址有301个，分别为0至300对应的16位二进制数据；当所述的16位计数器输出的16位并行数据Q0-Q15输入所述的自适应模块中时，所述的自适应模块首先在查找表中获取索引地址为当前输入其内的16位并行数据Q0-Q15的存储数据V
TP
、V

【专利技术属性】
技术研发人员：汪鹏君，张海明，张跃军，李刚，陈博，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：