量中，选用采样间隔为0.125ns时的缓冲器类型及个数，并 提前输入到控制寄存器中。
[0139]对于本实例的峰值Vp为0.IV，宽度U为Ins的电源噪声，选用上述确定好的0.125ns 作为采样间隔，边缘噪声检测器输出的数字签名为:00000001111111100000，即i= 8，j= 15,此时测得的噪声宽度为1ns，误差为0%。此时边缘噪声检测器的数字签名的波形图如图 6所示。
[0140] 接下来，生成Ξ维速查表，进而生成不同
下Ξ维Vp-tw-Nnnrm图形。通 过服PICE2014仿真所得，在正常工作环境溫度25°C下，Vp-tw-Nnnrm表如下所示：
[0141]
[0143] 根据此表，通过Matlab2014软件拟合成Ξ维曲面，如图7所示。同时生成拟合曲面 方程：
[0144]
(3)
[0145]其中，a= 1.03，b= -0.272，c= -0.0364。通过此方程拟合的函数方程误差平方和W及残差平方和分别为0.0016和0.9802。运意味着使用本系统测出归一化计数值Νη。?和噪 声宽度U后，可通过此图像和方程准确得到电源噪声峰值Vp。
[0146] 对于本实例的峰值Vp为0.IV，宽度tw为Ins的电源噪声，插入本系统后，通过服PICE 2014软件仿真得出NnDrm= 0.992，tw=Ins，将上述值带入到图7平面或方程(3)中，可求得测 量电源噪声峰值为Vp' =0.093V，测量误差为7%。
[0147]目前为止，电源噪声的峰值Vp'和宽度t'w均已通过该系统获得，且误差均在允许的 范围内。将电源噪声波形设想成Ξ角函数形式，则可通过获得的Vp'和t'w重构出电源噪声瞬 态波形，原电源噪声波形和重构波形如图8所示。
[0148]此外，在电源噪声瞬态波形测量过程中，即在测量时间窗Μ内，该测量时间又被分 为4个调节时间窗，差分模块和判断逻辑模块也在运行，在第二个调节时间窗内，即在2.5ns 时，差分模块的输出小于提前设定好的值，判断逻辑模块输出高电平，产生快速调节信号。
【主权项】
1. 一种适用于高速集成电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量系统，其特征在于： 该电源噪声瞬态波形测量系统由控制寄存器、判断逻辑模块和电源噪声瞬态波形测量 模块组成;其中，在上述集成电路芯片上的N个区域放置N个电源噪声瞬态波形测量模块，这 N个电源噪声瞬态波形测量模块共用一个控制寄存器和判断逻辑模块； 所述控制寄存器，在测量开始前，一些基本的配置参数通过串行或并行的方式写入控 制寄存器中；这些配置参数包括测量开始时间、噪声边缘检测器参数、快速环形振荡器中反 相器个数以及调节阈值;在测量开始后，这些配置参数将传递到判断逻辑模块和电源噪声 瞬态波形测量模块中； 所述判断逻辑模块，一方面是用来通过比较差分模块的输出数值与在控制寄存器中写 入的电压调节阈值，判断是否开启调节模式，一旦小于调节阈值，将输出高电平并进行调 节;另一方面，还用来完成电源噪声瞬态波形测量模块中边缘检测器的校准工作； 针对A区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第一个电源噪声瞬态波形测量模块2A; 针对B区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第二个电源噪声瞬态波形测量模块2B; 针对N区域设置的电源噪声峰值测量模块记为第N个电源噪声瞬态波形测量模块2N; 所述的电源噪声瞬态波形测量模块2A、2B、……和2N的结构是相同的；即： 该电源噪声瞬态波形测量模块由快速环形振荡器20D、噪声边缘检测器20E、纹波计数 器20A、差分模块20B和定时模块20C构成； 该噪声边缘检测器20E，通过2~3个缓冲器将整个测量时间窗分成多个采样间隔，并在 每个采样间隔内显示出二进制逻辑〇或1，检测到电源噪声的下降沿和上升沿的出现时间， 从而实时获得电源噪声的宽度;在获得的二进制数字串中，逻辑1意味着此采样间隔内电源 噪声一直存在，逻辑0意味着此采样间隔内没有电源噪声； 该快速环形振荡器20D，其振荡频率对电源电压值十分敏感，因此用来检测一段时间内 电源噪声的平均水平;为了减小频率测量的误差，环形振荡器的振荡频率越高越好;该环形 振荡器的振荡时间由定时器给出的测量时间窗长度决定； 该纹波计数器20A，由N个触发器和N个反相器组成，配合快速振荡器一切使用，用来计 出在一段时间内，快速环形振荡器的振荡个数；同时，整个测量时间窗又被分成几个调节时 间窗，每经过一个调节时间窗，纹波计数器的计数值被传递到差分模块的寄存器中； 该差分模块20B，连接在纹波计数器20A和判断逻辑模块之间，用来比较在一个调节时 间窗内，振荡个数与调节阈值的大小关系；该模块是一个二阶差分模块，由寄存器、减法器 和比较器组成，将前后两个调节时间窗内的纹波计数器数值输入到减法器中做差，差值输 入到判断逻辑模块中，一旦小于设定好的调节阈值，则开启调节模式； 该定时模块20C，通过系统时钟产生各模块所需的时钟信号。2. -种适用于高速集成电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量系统的测量方法，它 包括有下列步骤： 步骤一，寻找电源噪声较大区域;在设计集成电路芯片过程中，通过IC Compiler软件 对集成电路芯片进行区域划分，并标记出每个潜在地具有较大电源噪声的区域； 步骤二，系统集成;在集成电路芯片上空余面积较多的地方插入控制寄存器和判断逻 辑模块，以及在每个区域中插入一个电源噪声瞬态波形测量模块2A、2B、……、2N并连接该 区域对应的电源网络，同时将系统时钟通过布线连接到定时器的输入端； 步骤三，选取合适的测量时间窗长度Μ和采样间隔;测量时间窗长度由系统时钟和集成 电路触发条件决定;在测量时间窗内，应包含一个电源噪声峰值，同时，测量时间窗长度还 会由允许的测量误差限定； 步骤四，生成速查表；由于从电源噪声瞬态波形测量模块直接获得的是，测量时间窗下 纹波计数器的计数值Ν以及噪声边缘检测器的数字签名，即振荡个数和电源噪声宽度；因 此，为获得电源噪声瞬态波形还需要获得电源噪声的峰值，因此，需建立三维速查表，来获 得电源噪声峰值与宽度和归一化振荡个数的关系;此外，由于温度的工艺不确定性也会影 响电源噪声瞬态波形测量模块的性能，速查表上还应给出不同温度下，上述三者的关系； 首先，通过自测试设备获得在各个温度下即-40°C~120°C没有较大电源噪声的情况 下，快速环形振荡器在一定时间内的振荡个数，并绘出图像； 然后，通过自测试设备获得在各个温度下即-40°C~120°C，快速环形振荡器的振荡周 期与电源电压的敏感度，即，并绘出图像； 最后，通过SPICE仿真软件，在不同的条件下，选取不同的电源电压噪声的 宽度和峰值，获得快速环形振荡器的振荡个数，从而求出归一化振荡个数，并绘出图像； 步骤五，测量电源噪声瞬态波形测量模块工作环境温度;在上一个步骤中，绘出的是在 不同温度条件下，电源噪声峰值、宽度和归一化振荡个数的三维速查表；因此，在测试开始 前，先获得片上运行温度来选取对应的速查表，当芯片上一小部分电路运行时，使快速环形 振荡器振荡一段时间，获得振荡个数，通过查找上一步骤获取的个数-温度图像，获取片上 运行温度； 步骤六，校准噪声边缘检测器;通过调整每个"冠状分支"下的两个子分支的缓冲器个 数及电容容值，使检测器在无较大电源电压噪声的情况下，输出的数字签名均为逻辑〇;持 续增加一个子分支的缓冲器个数，一旦该位出现逻辑1，即停止校准； 步骤七，选取合适的调节阈值，使调节反应时间最小；该阈值信息通过自测试设备获 得;通过在自测试设备上添加结构和功能测试向量，当电路失效时将振荡器振荡个数设为 调节阈值； 步骤八，配置控制寄存器参数信息;在测试开始前，将配置参数信息写入到控制寄存器 中，这些配置参数包括测量开始时间、测量时间窗长度、快速环形振荡器中非门个数、噪声 边缘检测器参数以及调节阈值;在测量开始后，这些配置参数将传递到判断逻辑模块和电 源噪声瞬态波形测量模块中； 步骤九，生成电源噪声；通过添加结构、功能或内建自测试测试向量，在集成电路内部 生成电源噪声，同时使电源噪声瞬态波形测量系统开始工作； 步骤十，片上实时测量；电源噪声瞬态波形测量模块在之前设定好的时刻开始工作，同 时每次运行时间为一个测量时间窗长度M;在片上实时测量过程中，获得的测量时间窗内和 调节时间窗内的振荡个数，以及噪声边缘检测器的数字签名分别存入数据寄存器或随机静 态存储器中； 步骤十一，片上自调节;每经过一个调节时钟信号，判断逻辑模块会比较差分模块输出 的振荡个数，一旦小于预定的调节阈值，则输出高电平，即逻辑1，来触发与之相连的动态电 压频率调节系统，进而补偿电源电压。
【专利摘要】本发明公开了一种适用于高速集成电路的片上纳秒级电源噪声瞬态波形测量系统，该系统是基于千兆赫兹下的环形振荡器并且全部由纯数字电路元件构成，通过环形振荡器振荡、边缘检测器采样、纹波计数器计数等过程，来实时测量集成电路芯片上具有较大电源噪声的区域的电源噪声峰值及宽度，并在一个时钟周期内恢复出电源噪声瞬态波形。其测量方法有十一个步骤。本发明设计的电源噪声瞬态波形测量系统测量精度较高、易集成、生产测试成本低、对芯片影响较小，因而可以单独用作芯片监测或者测试使用，降低电源噪声对芯片的干扰。
【IPC分类】G01R29/26
【公开号】CN105445569
【申请号】CN201510776327
【发明人】王晓晓, 焦鹏远, 苏东林, 陈爱新
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月11日