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基于NBTI效应的数字型高精度老化监测电路设计

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科技通报 2017年第2期33卷 104-108页

作者：姚剑婷刘画池贾徭吴诒轩王超张跃军宁波大学信息科学与工程学院浙江宁波315211

随着晶体管特征尺寸的减小,负偏压温度不稳定性(negative bias temperature instability,NBTI)已经成为影响电路老化的关键因素,准确地衡量老化程度是抗老化设计前提条件。通过对NBTI效应和老化监测原理的研究,提出一种数字型高精度老... 详细信息

随着晶体管特征尺寸的减小,负偏压温度不稳定性(negative bias temperature instability,NBTI)已经成为影响电路老化的关键因素,准确地衡量老化程度是抗老化设计前提条件。通过对NBTI效应和老化监测原理的研究,提出一种数字型高精度老化监测电路方案。首先,利用两个结构相同的压控振荡器(voltage controlled oscillator,VCO)产生基准频率f0和老化频率fx;然后,采用等精度测量将老化频率与基准频率进行对比,结合放大因子等方法降低截断误差,达到高精度监测的目的。实验结果表明,在1.2 V电源电压27℃下监测电路的精度可达到0.02%。

关键词： NBTI效应 VCO电路等精度测量老化监测

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基于阻抗谱的固体推进剂老化监测系统研究

基于阻抗谱的固体推进剂老化监测系统研究

作者：武冠华西安工业大学

学位级别：硕士

固体推进剂是导弹发动机的动力源,其主要由复合材料制成,在长期贮存、运输和导弹待机过程中易发生老化,直接影响武器发射成功与否,因此对固体推进剂开展老化监测研究具有重要的意义。目前,固体推进剂的老化监测方法主要有力学法和化学法... 详细信息

固体推进剂是导弹发动机的动力源,其主要由复合材料制成,在长期贮存、运输和导弹待机过程中易发生老化,直接影响武器发射成功与否,因此对固体推进剂开展老化监测研究具有重要的意义。目前,固体推进剂的老化监测方法主要有力学法和化学法,但是其存在监测设备体积大、成本高、不能在线测试等缺点。基于阻抗谱法具有体积小、成本低、易于现场在线监测等优点,对此本文采用阻抗谱法估计固体推进剂老化程度,从固体推进剂阻抗谱采集系统设计、阻抗谱数据降噪算法和固体推进剂老化监测系统三个方面开展研究,主要的研究内容如下:搭建固体推进剂阻抗谱采集系统。首先,根据系统功能需求,完成基于STM32的硬件系统设计,采用AD5933模块获取了固体推进剂的阻抗和环境数据,实现了阻抗谱数据和环境信息在线采集和无线通信功能。其次,基于固体推进剂阻抗谱采集硬件系统,完成了相应的系统软件设计。最后,设计实现了对固体推进剂的在线便携式采集,得到了固体推进剂在整个老化周期内的阻抗谱,为后续阻抗谱数据降噪和固体推进剂老化估计提供了数据基础。针对固体推进剂阻抗谱数据存在噪声的问题,本文提出了一种改进的小波阈值降噪算法。首先,该算法采用指数平滑逼近法重构小波系数,以解决传统硬阈值函数降噪的不连续性以及软阈值函数降噪的平滑问题。其次,根据小波分解噪声水平自适应调节小波阈值,使改进后的小波降噪算法具有更好的降噪效果。最后,在MATLAB软件中使用该算法对阻抗谱进行降噪处理,并与传统硬阈值和软阈值降噪算法进行对比,实验结果表明本文所提算法的降噪效果较好。为准确预估固体推进剂的老化程度,本文提出了KPCA-LSTM固体推进剂老化估计算法。首先,采用核主成分分析法提取固体推进剂阻抗谱特征,减少了算法复杂度,并构造固体推进剂不同老化程度的阻抗谱特征数据集。其次,采用LSTM神经网络对阻抗谱特征数据集进行分类训练,得到了阻抗谱与时间的对应关系,构建了基于LSTM的固体推进剂老化估计模型。最后,在测试集上对所提算法和BP算法进行验证,实验结果表明,与传统BP神经网络相比,基于LSTM神经网络构建的固体推进剂老化估计模型具有精度高的优点。搭建了基于阻抗谱的固体推进剂老化监测系统的实物平台。以硬件系统为基础,在上位机中完成了固体推进剂老化监测系统的软件设计,在实物平台中对固体推进剂老化监测结果进行了实验分析,实验结果表明,该系统能够实现基于阻抗谱的固体推进剂老化估计和监测。

关键词：固体推进剂阻抗谱老化估计模型老化监测神经网络

基于差模干扰频谱特征的IGBT模块键合线老化监测研究

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基于差模干扰频谱特征的IGBT模块键合线老化监测研究

作者：储诚鹏天津理工大学

学位级别：硕士

电力电子系统具有能量转换效率高和可控性好的优点,已被广泛应用于航空航天、工业自动化、交通运输、可再生能源发电等领域。但是,由于工况复杂且严苛,电力电子系统的可靠性要求较高。然而,功率器件作为电力电子系统的关键单元,其对系... 详细信息

电力电子系统具有能量转换效率高和可控性好的优点,已被广泛应用于航空航天、工业自动化、交通运输、可再生能源发电等领域。但是,由于工况复杂且严苛,电力电子系统的可靠性要求较高。然而,功率器件作为电力电子系统的关键单元,其对系统的安全性和可靠性起着决定性的作用。IGBT模块是一种应用最为广泛的功率器件,故本文以IGBT模块为研究对象,主要从IGBT模块组成的Buck变换器的电磁干扰信号与芯片结温和模块内部键合线老化程度的关系入手开展相关研究工作,具体研究内容如下:(1)分析了Buck变换器中共模电流和差模电流路径,指出了差模电流由集电极电流变化率产生的机理,详细分析了芯片结温和模块键合线老化对差模干扰的影响,说明其更适合监测模块状态。首先分析了IGBT芯片的工作原理及其特性,研究了IGBT芯片关断过程中温度对集电极电流变化速率的影响。在此基础上,对IGBT模块封装结构进行分析,阐述了键合线脱落对Buck变换器中差模干扰路径的影响,指出了结温与键合线脱落是引发差模干扰变化的两个主要因素。(2)提出了一种基于差模干扰信号幅频特征的IGBT模块键合线老化监测方法。考虑结温变化和键合线老化对差模电磁干扰信号的影响,搭建了实验测试平台,并分别在标准工况和实际工况下测量功率回路中差模干扰信号全频段峰值,并得到了基于低频段的差模干扰信号峰值监测IGBT模块内部键合线老化程度的方法。(3)提出了一种基于差模干扰信号相频特性的IGBT模块键合线老化在线监测方法。分析了IGBT芯片开关过程中的电流变化规律,研究了键合线老化程度与差模干扰信号相频特性的关系,搭建了一个差模干扰信号相角特性测量系统并实现了基于差模干扰信号相角特征的IGBT模块内部键合线老化程度的在线监测。

关键词： IGBT模块键合线老化监测差模干扰频谱特征

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系统老化监测单元设计与电压调节方案

系统老化监测单元设计与电压调节方案

作者：闫水菱哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着集成电路工艺的不断进步,超大规模集成芯片上的晶体管数量不断增加,即将达到单个芯片上集成10千兆晶体管的水平。先进的制造工艺大大提高了芯片的性能,降低了芯片的成本。然而工艺节点的进步增加了由负偏置温度不稳定性(NBTI)引起... 详细信息

随着集成电路工艺的不断进步,超大规模集成芯片上的晶体管数量不断增加,即将达到单个芯片上集成10千兆晶体管的水平。先进的制造工艺大大提高了芯片的性能,降低了芯片的成本。然而工艺节点的进步增加了由负偏置温度不稳定性(NBTI)引起的电路老化问题,因此对电路老化监测与调节技术的研究是非常有意义的。NBTI效应存在应力期和恢复期,正是因为NBTI效应存在恢复期,才有了缓解老化的可能性。NBTI效应将直接导致PMOS器件的阈值电压产生负向漂移,使得电路性能退化,在电路的时序上表现为延迟的增加。本文根据简化的基于反应-扩散机理的NBTI退化预测模型分析了NBTI效应对器件工作的影响,预测在65nm工艺下PMOS晶体管阈值电压的退化情况,并研究了NBTI效应对电路的影响,仿真NBTI效应对基本逻辑门电路及D触发器延迟退化的影响。NBTI效应在电路的时序上表现为延迟增加,因此可以通过监测时序间接反映老化情况。根据监测器放置的位置不同可将时序监测方法分为关键路径复制法(CPR)和原位监测法(ISM)。ISM的监测电路放置在实际电路中,能真实反映电路的时序,因此基于ISM设计了本文的老化监测单元。传统设计中,常常会在最小标称电压上增加一定的电压余量来保证电路在最坏情况下也能满足需求,但会导致能耗较大,本文根据自适应电压调节技术(AVS)设计了AVS控制电路,既能保证芯片在老化后不出错,又能尽可能的消除电路中保守的时序余量,降低功耗。老化监测单元、取或电路和AVS控制电路共同构成了本文的老化监测与调节系统。在本方案中,监测单元放置在被监测路径的末端,考虑到面积开销和功耗代价,不能对所有路径进行监测,因此监测点的选择至关重要。本文在时钟树综合后提取监测点,以具体的基准电路S953为例说明了老化监测点的提取流程以及如何完成监测器及预警信号产生电路的放置。经系统混合仿真,随着电路老化程度加深,实时调节的电源电压逐渐增大,老化后的电路依然可以正常工作,即本文设计的老化监测与调节系统可以实现预期功能。为降低系统监测的出错率,进一步设计可调延迟模块,经评估可用较小的面积开销实现监测窗口的扩大。

关键词：负偏置温度不稳定性老化监测自适应电压调节

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集成电路老化监测及其自适应抗老化设计

集成电路老化监测及其自适应抗老化设计

作者：张海明宁波大学

学位级别：硕士

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,电路在性能、面积等方面具有显著的优势。然而器件尺寸缩小、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,加剧了电路老化。老化效应对电... 详细信息

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,电路在性能、面积等方面具有显著的优势。然而器件尺寸缩小、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,加剧了电路老化。老化效应对电路可靠性影响日益突出,在其作用下晶体管阈值电压升高,逻辑门翻转速度减慢,电路延迟增加,进而导致时序违规,引发电路失效。性能稳定是IC设备可靠性的关键指标,因此维持电路在正常寿命内的优良性能,延缓电路老化是当前纳米工艺下亟需实现的关键技术。本文通过对集成电路老化机理的深入研究,揭示负偏置温度不稳定性（Negative Bias Temperature Instability,NBTI）效应对电路性能影响,在此基础上提出新颖的老化监测技术和方案,同时在老化程度量化、自适应修复等方面提出相应解决方案。研究内容主要包括以下几个部分:1.基于电压比较的老化监测电路设计。为对电路老化及时预警,满足不同的设计容忍度,通过对老化监测原理研究,结合电压比较器的工作特点,提出新颖的电路老化监测方案。该方案将老化偏差转化为电压信号,并与基准电压比较,通过比较器输出老化报警信号。结果表明该电路具有正确逻辑功能,检测区间裕度可调,具有一定的灵活性。2.基于查找表的高精度老化监测电路设计。为准确衡量电路老化程度,需要对老化信息量化处理。首先建立压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）频率降级和电压压降老化模型,利用老化感知电路产生基准频率和老化频率,经相位放大电路得到频差信号,并采用计数基准VCO周期的方式将其量化,最后按查找表（Look-Up Table,LUT）规则将老化信息输出。结果表明该电路分辨率0.0018%,老化模型与仿真数据误差在9%以内,能够实现电路老化监测的功能。3.基于布谷鸟算法的自适应抗老化电路设计。为维持电路性能稳定,要求设计不仅具有监测电路老化的能力,还应具有自适应调节能力。通过大量统计数据预先建立查找表,由量化模块对老化数据采集和量化,并作为查找表的索引地址;接着调用对应存储数据作入自适应模块初始输入。利用布谷鸟算法的全局寻优能力,在满足预设范围内输出最优值,最后通过反馈调节待测电路（Circuit Under Test,CUT）参数实现电路抗老化目的。结果表明设计分辨率0.004%,自适应调节时间1.8us左右,对缓解电路老化具有一定的自适应性。本文所提电路方案均采用TSMC 65nm CMOS工艺,利用Cadence和Synopsys公司的电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）工具实现。结果表明所提设计不仅具有正确的逻辑功能,而且在设计结构、精度等方面也具有良好的性能指标。

关键词： NBTI效应老化监测自适应抗老化可靠性

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SRAM阵列NBTI效应老化监测电路设计

SRAM阵列NBTI效应老化监测电路设计

作者：路亚宁哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着集成电路的快速发展,为了适应高度集成化电路的设计需求,制造工艺的尺寸越来越小,这使得器件的阈值电压进一步降低,集成电路的可靠性备受挑战。而电路老化作为芯片生命周期的最后一阶段,会造成电路功能的失效和电路时延的增加,进而... 详细信息

随着集成电路的快速发展,为了适应高度集成化电路的设计需求,制造工艺的尺寸越来越小,这使得器件的阈值电压进一步降低,集成电路的可靠性备受挑战。而电路老化作为芯片生命周期的最后一阶段,会造成电路功能的失效和电路时延的增加,进而对处理器、存储器等高速电路造成致命的影响。因此,存储器的老化监测和预警对当下的电路设计十分有意义。对于电路影响最大的老化效应是NBTI效应。本文通过研究NBTI效应的机制,分析NBTI效应在应力作用下对器件阈值电压的影响。根据六管SRAM存储单元的活跃状态,将SRAM单元的NBTI效应老化模式分为对称老化和不对称老化。由于不对称老化的模式下SRAM单元长期受到同种应力作用,SRAM单元的读写稳定性和读写速度受到严重的影响,尤其在存储节点上两个状态的写速度有明显的不同。因此论文基于写时间的不对称设计了一个带使能的差分环形振荡电路作为SRAM单元的老化监测电路,通过将SRAM单元作为环形振荡结构的负载,把写时间的不对称特点反映在振荡信号的占空比上,进而判断SRAM单元的老化程度。为了进一步实现SRAM阵列的NBTI老化监测,论文将设计的老化监测电路接入存储阵列的每对位线上,通过SRAM阵列字线、测试信号和列选信号的控制,完成整个SRAM阵列的存储单元的老化程度判断。老化监测电路在不同工艺角、温度和电源电压下能够完成SRAM阵列的老化监测。为了高效地获取SRAM阵列中的老化情况,需要直观地观察监测信号的占空比,因此论文设计了一个占空比数字转换电路,通过电平计数以及移位控制的原理,将监测信号的占空比转换为能够系统输出的占空比值。这不仅直观的观察到监测信号占空比的情况,还能够有效地定位到存储阵列中发生老化的SRAM单元。

关键词：存储阵列负偏置温度不确定效应老化监测差分环形振荡电路占空比数字转换电路

基于Buck变换器占空比的功率器件键合线老化监测方法

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天津理工大学学报 2024年第6期40卷 64-69页

作者：陈俊杜明星天津理工大学电气工程与自动化学院天津300384

在DC/DC变换器中,通过监测功率器件老化,及时发现并更换有缺陷的功率器件,可以提高其系统的可靠性,减少功率器件故障造成的损失。以Buck变换器为例,文中提出一种通过识别其闭环控制模式下输出占空比的变化来监测功率器件键合线老化状态... 详细信息

在DC/DC变换器中,通过监测功率器件老化,及时发现并更换有缺陷的功率器件,可以提高其系统的可靠性,减少功率器件故障造成的损失。以Buck变换器为例,文中提出一种通过识别其闭环控制模式下输出占空比的变化来监测功率器件键合线老化状态的方法。首先,分析了功率器件老化对其内部寄生参数的影响机理,当键合线老化后其等效阻抗增大,会影响回路中的电感电流。其次,在开环控制模式下,通过Buck变换器中电感电流的变化,可以监测到功率器件的老化状态。但是,Buck变换器在闭环模式下,不能直接用电流变化来监测功率器件的老化状态,而通过监测占空比的变化,利用占空比求得系统中的功率器件老化后电流的变化量,进而辨识功率器件的老化程度。最后,实验验证:功率器件老化后开环状态下的电流变化量与闭环状态下通过占空比求得的电流变化量是一致的,误差仅有5%,表明了文中提出方法的可行性。

关键词： Buck变换器功率器件老化监测电感电流占空比

纳米级数字集成电路老化效应分析与老化监测技术综述

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电子与封装 2020年第10期20卷 1-8页

作者：赵天津黄乐天谢暄魏敬和电子科技大学成都610054 中科芯集成电路有限公司江苏无锡214072

数字集成电路随着工艺制程的提高,可靠性问题逐步凸显,而老化则是可靠性问题的一个重要方面。同时由于数字集成电路被广泛地应用于工业、汽车、航天等领域,对可靠性提出更高的要求,因此针对数字集成电路老化监测的技术成为了研究热点。... 详细信息

数字集成电路随着工艺制程的提高,可靠性问题逐步凸显,而老化则是可靠性问题的一个重要方面。同时由于数字集成电路被广泛地应用于工业、汽车、航天等领域,对可靠性提出更高的要求,因此针对数字集成电路老化监测的技术成为了研究热点。对数字集成电路的老化效应进行了总结,并分析得出先进工艺下需要重点监测的老化效应,对数字集成电路现有老化监测手段进行总结分析,同时对老化监测技术的进一步发展提出了展望。

关键词：数字集成电路可靠性老化监测

基于交流阻抗法的复合多层石墨烯丁羟推进剂老化监测研究

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火箭军工程大学学报

火箭军工程大学学报 2024年第3期38卷 66-73页

作者：段磊光霍怡伟郭剑锋王鑫峰火箭军工程大学

为探索一种固体推进剂老化无损监测方法，以复合多层石墨烯丁羟推进剂为实验对象，在60℃的高温环境下进行热加速老化实验。使用了一种新型无源无线式便携固体发动机推进剂老化数据采集系统，利用其阻抗参数采集模块测量丁羟推进剂不同... 详细信息

为探索一种固体推进剂老化无损监测方法，以复合多层石墨烯丁羟推进剂为实验对象，在60℃的高温环境下进行热加速老化实验。使用了一种新型无源无线式便携固体发动机推进剂老化数据采集系统，利用其阻抗参数采集模块测量丁羟推进剂不同老化时间的交流阻抗实部和阻抗虚部参数，制成交流阻抗谱；通过交流阻抗谱分析丁羟推进剂的交流阻抗参数与老化时间的关系；最后基于该关系，利用BP神经网络算法对热加速老化条件下推进剂的寿命进行了预测。结果表明：最小性能梯度为10-6、最高失败次数为6时，预测结果最佳。

关键词：固体火箭发动机老化监测交流阻抗法丁羟推进剂 BP神经网络