一种具有预修调功能的数字修调系统

姚思雨 王靖 李威

（电子科技大学 四川省成都市 610054）

1 引言

随着集成电路技术的不断革新，在芯片设计过程中需要满足的性能和指标也越来越高。但是，由于半导体制造中存在不可避免的工艺误差等非理想因素，使得生产出的芯片和指标出现一定的偏差，可能会影响到芯片的性能。因此需要使用修调技术来调整这些误差，从而优化芯片的参数，修调技术是在高精度高性能芯片设计过程中的必要方法。

2 传统的误差修调技术

通常的数字修调技术主要通过查表直接烧断对应熔丝，从而达到修调电压或者电流的目的。然而，一旦将熔丝烧断后将不可恢复，在实际测试修调过程当中，可能由于修调方案或操作技术的问题，无法达到熔断熔丝后预期的修调值，因此直接使用查熔丝真值表来熔断熔丝存在一定的风险。

3 具有预修调功能的数字修调系统原理分析

本技术是一种具有预修调的数字修调系统。通过预修调步骤来调整熔丝真值表，从而提高熔断熔丝修调过程中的成功率。本技术提出的一种具有预修调的数字修调系统的整体结构示意图如图1所示，整个系统分为三个模块，第一部分为信号产生模块，第二部分为熔丝阵列电路模块，最后一部分为开关电路模块。

3.1 信号产生模块

本设计信号产生模块主要由5 位计数器和29 位移位寄存器电路组成，其输入信号CLK 是接时钟信号，输入信号IN 是接修调序列码信号，主要功能是输出经处理后的数字信号控制熔丝阵列电路中具体的熔丝的熔断或者预熔断操作。输入端口连续输入固定包头包尾的29 位序列信号时，移位寄存器会同时将D9 ～D21 输出到下一模块熔丝电路中，在输入第29 位时，熔丝电路对该数据进行处理来产生对具体某个熔丝熔断还是预修调操作的信号。在输入序列信号结束后，移位寄存器停止工作，计数器从0 计数，此时，熔丝阵列模块的输出信号被锁定。当计数器计数到11111 时，计数器工作停止，移位寄存器重新开始工作，此时可以再往输入端输入序列信号。

3.2 熔丝电路模块

本设计的熔丝阵列电路主要有14 个相同的熔丝基础单元。熔丝基础单元的D、E 和C 都是由信号产生模块输出的D9 ～D21 组合逻辑控制，只需通过修改输入序列信号的特定位数。具体的熔丝基础单元电路如图2所示。熔丝基础单元电路的输入端D 和E 分别和与非门NAND1 的两个输入端连接，反相器输出端的熔断使能信号Fuse_en 接在晶体管N1 管的栅极。TG1 的输出端与INV5 输入端相连，INV5 的输出端为控制信号Y，控制开关电路模块中的开关晶体管。

图1：具有预修调的数字修调系统整体框图

在熔断熔丝的模式下，在熔丝基础单元电路图中，令输入端A=1 和输入端B=0 并且保持恒定，令D=1，E=1，C=0。本设计采用的熔丝在持续施加5V 电压5ms 以上即熔断，即当Fuse_en 信号为高时，MN1 导通，可以令熔丝Fuse 熔断。通过令D=E=1 时，可以使Fuse_en 为高，熔断熔丝后传输门TG1 不导通，传输门TG2导通。通过令E=1，C=0，使INV2 的输出端为0 连到TG_2 的输入，从而输出开关控制信号Y=1，为高有效。

在预熔断的模式下，即可以保持熔丝未被熔断的状态，但是可以在输出端获得熔丝熔断后的值，从而达到熔丝熔断的效果。令输入端A=1 和输入端B=0 并且保持恒定，D=0，E=1，C=1。可以使Fuse_en 为低，熔丝无法熔断，此时传输门TG_1 导通，传输门TG_2 不导通。通过令E=1，C=1，使INV3 的输出端为0 连到TG_1 的输入，从而输出开关控制信号Y=1，为高有效。预修调和熔断的操作是由序列信号中的第16、17 位来决定，预修调时这两位的值为“1、0”，熔断熔丝时值为“0、1”，只需要修改这两位的值就可以实现预修调和真实熔断操作的切换。通过仿真修调操作，可以得到具有规律步长的熔丝真值表以及对应的29 位的预修调和熔断的输入序列信号。

3.3 开关电路模块

开关电路模块，由电流源晶体管阵列和开关晶体管阵列组成，通过不同开关管的开启与否来确定修调电流的大小。开关晶体管的栅极由熔丝模块输出的数字信号控制，起到开关的作用。电流开关的输出由电流开关晶体管求和，它们分别由开关控制信号控制，并产生调整电路的PTRIM 和NTRIM 输出。MPA 的栅极为熔丝模块中某一个熔丝单元的输出，MPB 的栅极为该熔丝单元的输出的相反，MPA 和MPB 的开关状态总是相反，MNA 和MNB 的栅极同理两者的开关状态也总是相反。POSTRIM 是提供正值的修调，NEGTRIM 是提供负值的修调，在熔断特定的TRIM 后，再熔断其他TRIM 可以提供正值的修调，反之仅熔断其他的TRIM 都为负修调。这样正负修调的控制可以在不增加芯片电路的情况下扩大修调范围。

图3：熔断状态下Fuse_en 的仿真结果波形图

图4：预修调下输出端Y 的仿真结果波形图

4 仿真与分析

本次仿真通过模拟预修调和真实熔断的情况来证明本设计的实用性。在输入端口连续输入29 位序列信号时，预修调和熔断的操作是由序列信号中的第16、17 位来决定，预修调时这两位的值为“1、0”，熔断熔丝时值为“0、1”，只需要修改这两位的值就可以实现预修调和真实熔断操作的切换。通过仿真修调操作，可以得到具有规律步长的熔丝真值表以及对应的29 位的预修调和熔断的输入序列信号。

仿真真实熔断的状态，在输入端口IN 输入10000001 1000000 01 001 01111110（脉冲宽度为1us），在时钟输入端口输入f=1MHz的时钟信号，T=1us，此时测得此脉冲序列代码对应的熔丝单元TRIM 的Fuse_en 的仿真结果波形图如图3所示。仿真结果中，N0D2 线（即Fuse_en）由仿真波形读得29us-30us 时电平为高，此时即可将熔丝Fuse 熔断，每一个熔丝对应的熔断序列代码都得到验证。

仿真预修调的状态，即保持熔丝未被熔断的状态，但是可以在输出端获得熔丝熔断后的值，从而达到熔丝熔断的效果。在输入端口IN 输入10000001 1000000 10 001 01111110（脉冲宽度为1us），在时钟输入端口输入f=1MHz 的时钟信号，T=1us，此时测得此脉冲序列代码对应的熔丝单元TRIM 的输出值Y 的仿真结果波形图如图4所示。仿真结果中，此时的输出Y 在29us-30us 时电平开始为高，说明达到了预熔断的效果，即可以保持熔丝未被熔断的状态，但是可以在输出端获得熔丝熔断后的值，从而达到了熔丝熔断的效果，预修调的状态得到了验证。

5 结论

本设计可以广泛用于芯片测试修调，熔丝修调过程如下：首先根据芯片的测试结果，对照真值表选择对应需要熔断的熔丝的输入序列；然后进行预修调操作，在输入时钟端口CLK 接时钟信号，在端口IN 接对应的预熔断修调序列，输入29 位序列结束后，测得预熔断后的结果，上电复位后，重新进行预修调操作，直到输出结果在要求的范围内。预熔断后，可以根据预修调的操作方案，输出对应真实熔断后的结果。最后通过多次进行预修调的操作，确定最终的熔断方案，并进行熔断熔丝的修调操作。这种具有预修调功能的数字修调系统，不仅可以实现电路的修调功能，而且能够避免直接使用熔丝真值表来熔断熔丝带来的问题和风险，在实际操作的过程中，熔丝的实际修调值与仿真得到的理论值往往存在不少差异。本设计是在预熔断的模式下，可以保持熔丝未被熔断的状态，但是可以在输出端获得熔丝熔断后的值，从而达到真实熔丝熔断的效果，预估和完善熔断熔丝后能达到的修调值，确定最优的修调方案，再进行熔断操作，可以在一定程度上避免熔丝实际修调值和理论推出的熔丝步长真值表的偏差，能够极大地提高修调成功率。