PROCEDIMIENTO PARA LA ESTIMACIÓN DE CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE UN CIRCUITO ANALÓGICO MEDIANTE LA MEDICIÓN EN CONTINUA DE TEMPERATURA.

Procedimiento para la estimación de características eléctricas de un circuito analógico mediante la medición en continua de temperatura.

La presente invención describe un procedimiento para la estimación de características eléctricas de circuitos analógicos integrados en un cristal semiconductor mediante la medición en continua de la temperatura. La fig. 1 muestra un cristal semiconductor (1) que puede contener diferentes circuitos analógicos (2). Por ejemplo, y sin que la lista limite los ámbitos de aplicación del presente procedimiento, la figura muestra un amplificador. Este amplificador dispone de entradas de señal (4) y entradas de la tensión de alimentación (3). La polarización del circuito en continua aplicando una tensión a las entradas de alimentación (3), sin aplicar señal a las entradas (4), provoca que los dispositivos que forman el amplificador disipen potencia. Mediciones del incremento de temperatura provocada por esta disipación de potencia en puntos seleccionados del semiconductor (5) permiten obtener características del circuito analógico, tales como, y sin que la lista limite los ámbitos de aplicación del presente procedimiento, ganancia de amplificadores. La medida de la temperatura se realiza en continua y puede hacerse bien mediante sensores de temperatura integrados en el mismo cristal semiconductor, bien mediante sensores externos.

Procedimiento para la estimación de características eléctricas de un circuito analógico mediante la medición en continua de temperatura.

Sector de la técnica:

La presente invención se refiere a un procedimiento para la estimación de características eléctricas de circuitos electrónicos analógicos integrados en un cristal semiconductor mediante la medición de temperatura. El sector de la técnica es el de caracterización de circuitos electrónicos analógicos, en concreto, circuitos electrónicos analógicos integrados en un cristal semiconductor.

Estado de la técnica:

El procedimiento de caracterización de circuitos analógicos actual, al que en este documento denominamos procedimiento clásico, se basa en la medida directa de magnitudes eléctricas (tensión y/o corriente) en ciertos nodos del circuito integrado. Es por tanto un requerimiento obligado que estos nodos en los que se haga la medida sean accesibles para poder conectar a ellos los instrumentos de medida.

En cuanto a la utilización de la magnitud temperatura en circuitos analógicos integrados, la patente [1] P200002735 Procedimiento de verificación estructural de circuitos integrados analógicos basado en la observación interna y concurrente de temperatura, propone un procedimiento para la detección de anomalías estructurales en circuitos analógicos integrados, consistente en la medida dinámica (en el tiempo) de la temperatura en diferentes puntos de la superficie del cristal semiconductor, llevada a cabo mediante circuitos sensores de temperatura integrados en el mismo cristal del circuito que se verifica.

En cuanto a la utilización de mediciones de temperatura para obtener las características de circuitos analógicos integrados, la patente [2] P200501512 Procedimiento para determinar las características eléctricas de circuitos analógicos integrados y la referencia [3] “Strategies for built-in characterization testing and performance monitoring of analog RF circuits with temperature measurements”, 2010 Meas. Sci. Technol. 21 075104 proponen un procedimiento para obtener un incremento de temperatura en el cristal semiconductor que es función de las características eléctricas de los circuitos construidos en el mismo cristal, pudiéndose extraer características eléctricas de estos circuitos a partir de mediciones de temperatura. Un requisito que demandan estos procedimientos es: [2] necesita que la señal aplicada al circuito contenga como mínimo dos componentes sinusoidales de diferente frecuencia, ambas dentro de la banda de trabajo del circuito a caracterizar; mientras que el procedimiento descrito en [3] necesita que la señal aplicada a la entrada de señal del circuito a caracterizar contenga como mínimo una componente sinusoidal cuya frecuencia esté dentro de la banda de trabajo del circuito a caracterizar.

Explicación de la invención El procedimiento de caracterización clásico tiene algunos inconvenientes, el primero de ellos la necesidad de accesibilidad de los nodos de interés del circuito a caracterizar. Las altas prestaciones a las que han llegado las tecnologías de fabricación de circuitos integrados, fundamentalmente las basadas en transistores de efecto de campo MOS como las CMOS y sus derivadas las BiCMOS, juntamente con los exigentes requerimientos del mercado en cuanto a bajo coste de fabricación y bajo consumo, están provocando una tendencia en el diseño y fabricación de sistemas electrónicos a integrar el mayor número posible de componentes y circuitos en un número mínimo de chips, minimizando al mismo tiempo el número de entradas y salidas externas. Todo esto está provocando una disminución en la accesibilidad de nodos del sistema integrado, con las consiguientes limitaciones en la fase de caracterización y en la de test de los circuitos internos del chip mediante medición directa de tensiones y corrientes de los mismos.

Una solución que permite caracterizar eléctricamente un circuito analógico consiste en incluir dentro del mismo cristal semiconductor un circuito sensor que realice la medición de la característica deseada (por ejemplo, la ganancia de un amplificador) . Esta estrategia presenta dos mayores inconvenientes: el primer inconveniente, la dificultad de diseñar circuitos sensores para medir las características de circuitos de alta frecuencia (circuitos de radio frecuencia y circuitos milimétricos) con alta fiabilidad, bajo coste de diseño y bajo coste de fabricación (hecho que implica que tienen que ocupar poca área del circuito integrado, es decir, tener pocos dispositivos) . La segunda dificultad es la necesidad de realizar un co-diseño del circuito a caracterizar y del circuito sensor, ya que el hecho de cargar alguno de los nodos que procesa información analógica del circuito a caracterizar con un circuito sensor, va a alterar en mayor o menor medida las prestaciones del circuito a caracterizar. Es bien conocido que cuanto más alta sea la frecuencia de trabajo de un circuito analógico, más sensible es a variaciones de los valores de impedancia de los nodos que constituyen el circuito. Para minimizar estos efectos, se necesita diseñar conjuntamente el circuito a caracterizar y el circuito sensor, incrementando los costes y la complejidad del diseño.

La utilización de mediciones de temperatura para realizar la caracterización de circuitos analógicos se basa en que los parámetros eléctricos usualmente medidos para caracterizar el comportamiento del circuito electrónico bajo medida, que son tensiones v y corrientes i en alterna, provocan de forma inexorable una disipación de potencia p en el circuito —por ejemplo, en un elemento resistivo de dos terminales, la potencia disipada viene dada por el producto de la diferencia de tensión entre ambos terminales y la corriente que circula por el mismo, p=real[v*conjugado (i) ]—, la cual contiene información de los parámetros de interés, v e i. Los procedimientos presentes en el estado de la técnica muestran como el análisis eléctrico de un circuito permite relacionar las tensiones y corrientes en alterna con los estímulos eléctricos aplicados y con sus características eléctricas (ganancia, no linealidades, ruido de fase…) , lo que implica que, si los estímulos son conocidos, la potencia disipada por el circuito depende de sus características eléctricas. La disipación de potencia provoca a su vez en la superficie del cristal semiconductor un incremento de temperatura LT sobre la temperatura ambiente. Midiendo diferentes componentes frecuenciales de dicho incremento de temperatura LT es posible estimar diferentes componentes frecuenciales de la potencia disipada p, a partir de las cuales es posible obtener parámetros que caracterizan a un circuito analógico.

La ventaja de la utilización de mediciones de temperatura respecto al clásico de medir directamente las tensiones y/o corrientes del circuito a caracterizar radica en que la medición no requiere tener observabilidad directa de los nodos de salida del circuito a caracterizar, tal y como es necesario en caso de querer medir directamente tensiones y/o corrientes. Adicionalmente, medir temperatura aporta el no requerir cargar eléctricamente los nodos del circuito a caracterizar.

No obstante, todos los procedimientos propuestos hasta la fecha necesitan de estimular el circuito con, como mínimo, una señal eléctrica sinusoidal de frecuencia f, cuyo valor tiene que estar dentro de la banda de trabajo del circuito a caracterizar. La generación de esta señal puede ser difícil si se quieren realizar mediciones en la aplicación de campo del circuito integrado (por ejemplo, para realizar una auto-calibración del circuito analógico) , aumentando la dificultad a medida que se necesita una frecuencia de trabajo de mayor valor (radio frecuencia o circuitos milimétricos) . La dificultad de generación del estímulo también aumenta si se necesita que éste esté formado por dos o más señales sinusoidales cuya frecuencia tenga una diferencia determinada, tal y como demanda la técnica expuesta en [2].

El procedimiento expuesto en la presente propone estimar características de circuitos analógicos mediante la medición del aumento de temperatura provocado por la polarización en continua del circuito a caracterizar, sin necesidad de aplicar señal alterna a la entrada del circuito. Los parámetros que serán susceptibles de ser medidos son aquellos que tienen una dependencia directa con los valores de tensiones y corrientes de polarización en continua del circuito. Por ejemplo, y sin que la lista limite el ámbito de aplicación del presente procedimiento, en el amplificador de la Fig. 2, la potencia disipada por el transistor tipo NMOS que trabaja como transductor, PDC_MOS, es igual a:

PDC _ MOS =...

1. Un procedimiento para estimar características eléctricas de circuitos analógicos integrados, que se caracteriza por los siguientes pasos:

1A Obtención de una Función Térmica de Caracterización Eléctrica que, a partir del análisis o caracterización de N muestras patrón, nos relaciona mediciones de temperatura con el parámetro que se quiere caracterizar.

1B Utilización de la Función Térmica de Caracterización Eléctrica para, a partir de mediciones de temperatura en la muestra de interés, nos estime las características de interés de la muestra a caracterizar.

2. Un procedimiento para estimar características eléctricas de circuitos analógicos integrados basada en la reivindicación 1 que comprende los siguientes pasos para la extracción de la Función Térmica de Caracterización Eléctrica:

2A Mediante la resolución de la ecuación de transferencia de calor en el circuito integrado o mediante la caracterización experimental, se determinan los puntos del circuito integrado en los que se va a realizar la medición de temperatura. Estos puntos se caracterizan por tener una elevada resistencia térmica de acoplo con la potencia disipada por los dispositivos que forman el circuito.

2B. Medir o analizar la temperatura en los puntos seleccionados. Se denomina a esta temperatura T0.

2C. Polarizar el circuito en continua aplicando las tensiones de alimentación y de polarización de componentes necesarias para el circuito tenga el comportamiento habitual pero con ausencia de cualquier

procesado de señales eléctricas en alterna.

2D. Medir o analizar la temperatura en los puntos seleccionados. Se denomina a esta temperatura T1. 2E. Se computa la diferencia de temperatura ľŕIJ-T0. 2F. Si las mediciones de temperatura se realizan utilizando un sensor de temperatura diferencial, el

paso indicado en 2B se puede omitir y al realizar la medición indicada en 2D se obtiene directamente el valor de ŕġŪůťŪŤŢťŰġŦůġijŇį

2G. Mediante la caracterización experimental de N muestras patrón o mediante el análisis estadístico de N simulaciones (por ejemplo mediante técnicas tipo Monte Carlo) , se obtiene N muestras que relacionan la característica de interés del circuito analógico con el incremento de temperatura.

2H. Mediante cualquier método de aproximación de funciones, se obtiene una función que relacione la característica de interés del circuito analógico con el incremento de temperatura, minimizando si es posible el error de aproximación. Esta función es la que se denomina en el presente procedimiento Función Térmica de Caracterización Eléctrica.

3. Un procedimiento para estimar características eléctricas de circuitos analógicos integrados basada en la reivindicación 1, en que las mediciones de temperatura se realizan mediante mediciones de cualquier magnitud física (por ejemplo, dilatación, variación de índices de reflexión, variación de índices de refracción, velocidad de propagación del sonido) cuya causa de variación sea un incremento de la temperatura.

Figura 1

Figura 2 Figura 4 Figura 5

(14

(16 (18

(18 (11 (15

(13

(17 (10

(18)

(12 (16) (12

Figura 3

30 (21) (22

25

(20) 20

15

10

0 .1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

(19