基于JTAG接口的內建修調電路的設計

摘要：為減小基準電壓源的誤差，提高集成電路精度，設計了一種基于JTAG接口的熔絲燒斷修調電路，著(zhù)重分析JTAG接口及修調技術(shù)的具體實(shí)現。通過(guò)調整電路內部結構，使基準電壓在-40到85度的范圍內誤差不超過(guò)100ppm，并通過(guò)流片驗證了該設計的可行性。

集成電路的工藝偏差問(wèn)題是設計高精度電路的主要障礙之一，為提高芯片的合格率，引進(jìn)修調技術(shù)已成為實(shí)現高精度集成電路的必要手段。目前，常用修調技術(shù)包括電阻薄膜激光修調、熔絲燒斷修調、二極管短路修調和內嵌非揮發(fā)性存儲單元的修調技術(shù)等。熔絲燒斷修調通常采用大電流將熔絲電阻燒斷，當修調開(kāi)關(guān)少時(shí)，可引入額外的修調PAD并直接在PAD處燒寫(xiě)，再使用譯碼器。但當修調開(kāi)關(guān)多時(shí)，附加的PAD會(huì )占用較大的芯片面積，為減少附加引腳或修調PAD，可使用移位寄存器通過(guò)串行接口輸入數據并在芯片內部設計修調電路。為找到一組合適的開(kāi)關(guān)碼并將其固定，電路需有移位搜索、燒寫(xiě)及燒寫(xiě)后讀值等工作模式。多重模式選擇勢必增加外部控制引腳，為減小芯片面積，決定采用JTAG接口來(lái)實(shí)現對串行輸入式熔絲燒斷修調電路的控制，通過(guò)TAP控制器及指令寄存器來(lái)控制修調模式選擇。本文給出了一種基于JTAG接口的內建修調電路的設計方法，此次設計采用華虹0.35umBCD工藝實(shí)現并進(jìn)行了流片驗證，結果表明該電路完全實(shí)現了設計功能。

1 JTAG接口電路的設計

JTAG(Joint Test Action Group)聯(lián)合測試行動(dòng)小組)是一種國際標準測試協(xié)議(IEEE 1149.1兼容)，主要用于芯片內部測試。標準的JTAG接口是4線(xiàn)：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時(shí)鐘、數據輸入和數據輸出線(xiàn)。本設計所需的JTAG接口由以下幾部分組成：TAP控制器、指令寄存器及數據寄存器(這里指修調開(kāi)關(guān)寄存器)，可以從圖1中更直觀(guān)的看出。

1.1 TAP控制器的設計

TAP控制器是一個(gè)同步狀態(tài)機，把接收到的TMS和TCK信號譯碼，產(chǎn)生所需要的操作控制序列，控制電路進(jìn)入相應的測試方式。設輸入為tms，輸出為state(即當前狀態(tài))，定義next_state為下一狀態(tài)。

編寫(xiě)程序及測試代碼，涵蓋所有TAP控制器的狀態(tài)，從圖2的仿真結果中可以看出，隨著(zhù)時(shí)鐘變化，state的狀態(tài)在變化，TAP控制器的狀態(tài)按照如下順序變化：TEST_RESET，TEST_IDLE，SELECT_IR，CAPTURE_IR，SHIFT_IR，EXIT1_IR，UPDATA_IR，SELECT_DR，CAPTURE_DR，SHIFT_DR，EXIT1_DR，UPDATA_DR，SELECT_DR，SELECT_IR，TEST_IDLE，回到TEST_RESET狀態(tài)，與測試代碼一致。

1.2 指令寄存器

指令寄存器是JTAG模型結構的重要組成部分，其操作必須符合相關(guān)要求。本次通過(guò)取用指令寄存器的非公共指令部分定義新的指令用以控制修調電路的模式選擇，設計中指令寄存器實(shí)際上是兩個(gè)等長(cháng)的寄存器，即移位寄存器和輸出寄存器。在SHIFT_IR狀態(tài)下，數據由TDI移入移位寄存器，在更新IR狀態(tài)下，數據由移位寄存器加載到輸出寄存器。目的是避免在移位過(guò)程中出現過(guò)渡數據影響系統功能。

1.3 數據寄存器

在本設計中需要用到一個(gè)修調開(kāi)關(guān)寄存器，利用Spice軟件進(jìn)行設計，具體設計見(jiàn)第3節。但在驗證JTAG接口功能時(shí)，需要模擬一個(gè)修調開(kāi)關(guān)寄存器，給予這個(gè)假設的寄存器

相應的輸入信號。根據IEEE1149.4邊界掃描標準，測試邏輯結構中至少要有一個(gè)旁路寄存器(Bypass Register)。通常當芯片不在測試模式的狀態(tài)時(shí)則將JTAG配置為旁路模式。將這些數據寄存器置于公用的串行輸入(TDI)和串行輸出(TDO)之間，由指令寄存器控制掃描路徑。

2 修調電路的設計

本次設計的核心是16位熔絲燒斷修調控制電路，修調的對象是電壓值為2.5000V的帶隙基準，可應用于帶隙基準電壓源芯片或包含帶隙基準的系統級芯片內部。通過(guò)修調使得在-40到85度的溫度范圍內，在各工藝角下電壓與溫度關(guān)系的仿真結果為呈現出近似拋物線(xiàn)的形狀。

修調電路的總體結構如圖3所示;端口包括TCK_DR、RST_N、TDI、SHIFT/LOAD、VCC_TRIM以及PRG_EN。其中TCK_DR采用獨立時(shí)鐘以避免和TCK保持一致時(shí)，修調開(kāi)關(guān)寄存器在不需要的情況下工作時(shí)移位和燒寫(xiě)引起的偏差。端口SHIFT/LOAD是數據選擇器的選擇端，控制信號由LOAD指令譯碼產(chǎn)生，只有在TAP為CAPTURE_DR狀態(tài)且指令為READ_FUSE時(shí)為0，當指令為READ_FUSE且TAP狀態(tài)為SHIFT_DR時(shí)移位，此時(shí)TCK_DR是有效的。VCC_TRIM為燒寫(xiě)電源，PRG_EN為燒寫(xiě)使能。電路首先進(jìn)入的是移位搜索模式，將數據送入修調寄存器內，搜索16個(gè)數字開(kāi)關(guān)對應的值，只有在指令為L(cháng)OAD_DS，且TAP狀態(tài)為SHIFT_DR時(shí)移位。之后進(jìn)入燒寫(xiě)模式，在燒寫(xiě)控制端有效時(shí)(PRG_EN只有在指令為T(mén)RIM且TAP狀態(tài)為UPDATE_ IR時(shí)才為1)，逐位依序進(jìn)行燒寫(xiě)(燒斷熔絲)。最后讓其進(jìn)入燒寫(xiě)結果讀出模式，從TRIM_SD0端讀出燒寫(xiě)的結果，如果正確，電路則進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

如圖4為熔絲燒斷控制電路。

本次采用的HHNEC工藝中的熔絲器件叫Fuse，是多晶材料做成的，初始電阻為40 Ω。當Fuse連入電路中時(shí)，通過(guò)計算熔絲燒斷過(guò)程中流過(guò)Fuse上的電流應為125 mA，并且燒寫(xiě)使能需要持續5 ms的高電平才能燒斷。當燒寫(xiě)控制端PRG_EN有效，且Qi為1時(shí)，M1管導通，此時(shí)電路中要流過(guò)相當大的電流。熔絲燒斷位所對應的二進(jìn)制值為1，未燒斷則為0。

3 仿真驗證

整體功能的驗證是通過(guò)在虛擬機環(huán)境下運行AdvanceMS軟件進(jìn)行混合仿真完成的?；旆碌臄底植糠种饕荍TAG模塊，模擬部分則通過(guò)Spice文件生成網(wǎng)表。在溫度為22.5度時(shí)，經(jīng)過(guò)測試找到了一組滿(mǎn)足基準電壓要求的開(kāi)關(guān)組合為0X7FC0。在-40和85度溫度下經(jīng)驗證仿真結果與22.5度時(shí)的相同。

4 結論

本文基于華虹0.35 μm BCD工藝成功實(shí)現了一種基于JTAG接口的內建熔絲燒斷修調電路的設計。實(shí)現了外部控制器對電壓源內部電阻串結構的控制，通過(guò)改變電開(kāi)關(guān)組合從而調整電壓值。利用ADMS軟件進(jìn)行混合仿真調試，最后得到一組滿(mǎn)足要求的開(kāi)關(guān)組合0X7FC0，在-40、22.5和85度下，誤差不超過(guò)0.000 2 V。此設計已應用在一種回路供電儀表專(zhuān)用芯片中，且芯片已流片成功，因此設計具有實(shí)際意義。

采用JTAG接口設計有效地減小了芯片面積，與激光修調相比，降低了設備費用成本，并且實(shí)現多個(gè)芯片同時(shí)測試及放入溫箱中同時(shí)進(jìn)行修調，降低了芯片的修調時(shí)間，提高了工作效率。