自愈數據轉換器相關系統和方法與流程

2023-06-23 17:27:51

本發明涉及自愈(self-healing)數據轉換器。

背景技術：

對可重構系統甚至自愈系統日益增加的需求源於多方面的原因和因素。首先，一旦被部署，該種系統將無法再夠及或召回；例如太空梭、太空中的衛星、火星漫遊車，一旦他們被發射到太空將無法構及。其次，恢復或維修該種系統例如位於北極的設備、遙遠沙漠的蜂窩基站、孤立區域中的裝備和器具過於昂貴。第三，確定根本原因和恢復系統所需的時間過長將導致損害已經發生。除此之外，一些設備例如半導體製造設備或自動測試設備(ate)被全天候充分使用，生產線上的任何宕機都是損失。此外，自動駕駛車輛、智能裝置和智能器具也要求該種系統能夠快速地自我學習適應環境變化。

技術實現要素：

第一方面，一種自愈數據轉換器系統包括：數據轉換器；參數功能模塊，耦合至數據轉換器，用以接收數據轉換器的目標性能要求並產生一組功能值至數據處理器；輔助模塊，用以在一個或多個應力條件下捕獲數據轉換器性能；以及處理模塊，耦合至數據轉換器，用以根據一個或多個預定參數並基於該目標性能要求和該數據轉換器性能，向數據轉換器施加應力，其中處理模塊基於自愈演算法確定新的參數，並應用這些新的參數為數據轉換器產生一組新的功能值，直到自適應地自愈數據轉換器滿足預定的閾值條件。

第二方面，採用參數功能模塊、輔助模塊和處理模塊與數據轉換器一起形成一閉環自愈數據轉換器。該自愈過程執行初始化步驟以載入默認參數，之後在應力測試步驟期間建立相關於過度的(overstretched)電壓和溫度的性能矩陣表。最後，該過程在自適應調整步驟期間計算並應用最優參數。

該轉換器可以具有以下一個或多個優點。自愈數據轉換器根據工藝、供給電壓和溫度變化相應地調整參數。自愈數據轉換器適應環境變化以滿足目標數據轉換器性能。自愈數據轉換器採用降低的性能來維持轉換以避免突發環境變化發生在器件上時的系統失效。因為數據轉換器(adcs和dacs)是電子系統中轉換真實世界或「模擬」信號至數字域或者是自數字域轉換成模擬信號的關鍵構件。自愈系統使得數據轉換器能夠評估自己的性能、自我學習、檢測環境變化、適應這些環境變化並重新配置自己以滿足所需的系統性能。

本發明更完整的理解及其改進可以通過參考附圖獲得，其將簡要概述在本發明示意性實施例的下述詳細說明和所附權利要求中。

附圖說明

圖1為自愈數據轉換器的系統模塊示意圖。

圖2為自愈模擬到數字轉換器(adc)的功能模塊示意圖。

圖3為自愈n位adc的一個示意性實施例的模塊示意圖。

圖4為自愈n位dac的一個示意性實施例的模塊示意圖。

圖5為自愈n位數據轉換器子系統的一個示意性實施例的模塊示意圖。

圖6為溫度模塊的詳細框圖。

圖7為soc中溫度模塊的一個示意性實施例的放置示意圖。

圖8a為自愈數據轉換器工作過程的流程圖。

圖8b為自愈數據轉換器工作過程的初始化步驟的詳細流程圖。

圖8c為自愈數據轉換器工作過程中的初始化步驟期間的pvt校正的詳細流程圖。

圖8d為自愈數據轉換器工作過程的應力測試步驟的詳細流程圖。

圖8e為自愈數據轉換器工作過程的自適應調整步驟的詳細流程圖。

具體實施方式

下面將參考特定實施例和一些附圖來描述本發明，但本發明並不以此為限。所描述的附圖僅僅是示意性的而非用來限制本發明。在這些附圖中，出於說明性的目的，部分元件的尺寸可能被誇大而未依比例繪製。

在下述描述和權利要求中使用的第一、第二、第三及類似術語是用來區分相似元件而非用來描述其先後順序。可以理解的是，這些術語在適當情況下可以互換以及本發明描述於此的實施例能夠以其他不同於此處描述或示意的順序進行操作。

此外，需要指出的是，使用在權利要求中的術語「包括」不應解釋為被限制在其後所列的手段，其不排除其他元件或步驟。所以，「裝置包括手段a和b」之表述的範圍不應限制為該裝置僅僅由元件a和b構成，其意思是就本發明而言，該裝置僅僅相關的元件是a和b。

同樣地，需要指出的是，術語「耦合」表示直接和間接耦合而不應解釋為僅僅限制在直接耦合。因此，「裝置a耦合至裝置b」之表述的範圍為不應限制設備或系統中的裝置a的輸出直接連接至裝置b的輸入，其意思是在a的輸出和b的輸入之間存在一路徑，且該路徑可能存在其他裝置或手段。

被披露的具有不同功能模塊的數據轉換器能夠偵測包含工藝角、供給電壓和溫度信息的環境變化。基於自愈方法，這些數據轉換器能夠評估數據轉換器性能和適應該環境變化。這些數據轉換器還可以調節性能以實現系統的健壯性和避免系統故障。

圖1為自愈數據轉換器100的系統模塊示意圖。該系統由數據轉換器110、參數功能模塊120、輔助模塊130和處理模塊140構成。參數功能模塊120提供功能參數至數據轉換器110。輔助模塊130與數據轉換器110交互信息以獲取數據轉換器性能指標(performancemetrics)。處理模塊140使用該性能指標計算最優功能參數。參數功能模塊120之後傳送更新後的參數至數據轉換器110以改善數據轉換器性能。處理模塊140通過特定接口150與外部系統160進行通信以改變目標數據轉換器性能。

如圖1所示，每一個模塊被繪製成不同的形狀以代表它們各自的功能。數據轉換器110為虛線矩形，參數功能模塊120為實線矩形，輔助模塊130為弧形矩形，以及處理模塊150為六邊形。每一個模塊的功能將描述如下。

處理模塊140通過接口150與外部系統160連接並從外部系統160接收目標性能要求。處理模塊140發送默認(default)參數至參數功能模塊120，參數功能模塊120產生一組功能值至數據轉換器110。數據轉換器110的性能由輔助模塊130進行捕獲和分析。數據轉換器的性能的分析結果送至處理模塊140。基於來自外部系統160的所需性能和來自輔助模塊130的分析結果，處理模塊140基於自愈演算法(self-healingalgorithm)計算新的參數。參數功能模塊120使用這些新的參數並為數據轉換器產生一組新的功能值，其將導致數據轉換器的性能改變。該性能改變再次被輔助模塊130收集並傳遞至處理模塊140。數據轉換器的性能跟隨這些更新的參數進行相應調整。處理模塊140繼續在外部系統160、參數功能模塊120和輔助模塊130之間進行信息交換以形成一自我學習自適應的自愈數據轉換器系統。

圖1所示為一個概念性系統模塊示意圖，圖2為自愈adc200的更詳細的功能模塊示意圖。類似於圖1，不同的模塊被繪製成不同的形狀以表示它們各自的功能。此處具有三個參數功能模塊：參考模塊220.1，電源模塊220.2和溫度模塊220.3。此外，具有兩個輔助模塊：輸入源模塊230.1和輸出分析模塊230.2。adc210的參考和電源供給分別由參考模塊220.1和電源模塊220.2提供。輸入源模塊230.1提供輸入信號至adc210，以及輸出分析模塊230.2捕獲adc的輸出。處理模塊240通過接口250與外部系統260進行通信。包括溫度模塊220.3在內的所有模塊均連接至處理模塊240。基於自愈演算法，來自不同模塊的信息在處理模塊240中進行分析和處理。

首先，處理模塊240通過接口250從外部系統260載入目標adc性能和adc默認參數。參考模塊220.1、電源模塊220.2和溫度模塊220.3從處理模塊240接收初始參數並產生所需的參考、供給電壓和溫度至adc210。處理模塊240還命令輸入源模塊230.1發送已知的輸入信號至adc。輸出分析模塊230.2捕獲adc的輸出並回傳分析結果至處理模塊240。處理模塊240比較輸入信號和分析結果的差異，然後基於嵌入的自愈演算法開始計算這些新的參數。這些新的參數被傳遞至參數功能模塊也即參考模塊220.1、電源模塊220.2和溫度模塊220.3。這三個模塊產生更新的參考、供給電壓和溫度以調整adc的性能。

圖3為自愈n位(n-bit)adc300的一個示意性實施例的模塊示意圖。類似於前面的附圖，參數功能模塊被繪製成實線矩形，輔助模塊被繪製成弧形矩形、以及處理模塊為六邊形。

adc310由一些功能模塊構成。adcanalog310.1和adcdigital310.2分別代表adc的模擬部分和adc的數字部分。adc310的內部具有五個參數功能模塊：reg_a310.3、reg_d310.4、clock310.5、bias_ref310.6和temp310.7。reg_a310.3和reg_d310.4代表adcanalog310.1和adcdigital310.2的電壓供給調節器。clock310.5代表adc的時鐘產生。bias_ref310.6代表偏置電流/電壓產生和參考電壓/電流產生電路。temp310.7代表能夠調節矽溫度的溫度模塊。

此處具有五個輔助模塊：輸入源330.1、fft330.2、auxdac330.3、auxadc330.4和工藝監控器(processmonitor)330.5。輸入源330.1代表輸入信號產生。fft330.2代表快速傅立葉變換算法。auxdac330.3代表一個(n+1)位低速輔助dac。auxadc330.4代表一個(n+1)位低速輔助adc。工藝監控器330.5代表追蹤工藝角(processcorner)信息的監控電路。

所有的模塊均連接至管理系統運作並通過接口350與soc(片上系統)360通信的處理模塊340。處理模塊340通過從soc載入adc默認參數開始該運作。這些默認參數首先被傳送至所有的參數功能模塊，每一個模塊產生相關功能值至adcanalog和adcdigital。這些功能值可以是adc所需用以執行模擬到數字轉換的電壓、電流、時序信息或溫度係數。接下來，處理模塊通知輸入源330.1產生輸入信號，adc310輸出碼d[n-1:0]被送至fft330.2進行輸出信號分析。同時，auxdac、auxadc和工藝監控器從adc收集相關的信息包括：放大器電流、偏置電壓、參考、供給電壓、時鐘延遲、溫度和工藝角等。根據來自adc輸入、adc分析結果輸出和soc的收集信息，處理模塊中的算法分析、計算並產生一組新的參數。根據這些新的參數，這五個參數功能模塊產生更新的功能值以導致adc性能的改變。adc性能的改變再次由輔助模塊進行採樣並發送至處理模塊。依賴於該算法，處理模塊可以繼續更新這些參數以調節adc性能直到目標數已經達到或者在一定標準已經實現時凍結這些參數。

圖4為自愈n位dac400的一個示意性實施例的模塊示意圖。dac410由一些功能模塊構成。dacdigital410.1和dacanalog410.2分別代表dac的數字部分和dac的模擬部分。dac410內部有五個參數功能模塊：reg_d410.3代表dacdigital410.1的數字供給調節器，reg_a410.4代表dacanalog410.2的模擬供給調節器，clock410.5代表dac的時鐘產生，bias_ref410.7代表偏置電流/電壓產生和參考電壓/電流產生電路，以及temp410.6代表能夠調節矽溫度的溫度模塊。

fig.4中有五個輔助模塊：輸入源430.1代表輸入信號產生，頻譜分析器430.2代表用於諧波失真特徵分析的片上頻譜分析器，auxdac430.3代表一個(n+1)位低速輔助dac，auxadc430.4代表一個(n+1)位低速輔助adc，以及工藝監控器430.5代表追蹤晶圓(wafer)工藝信息的監控電路。

系統通常將adc和dac放置在一起以形成一個數據轉換器子系統。圖5為自愈n位數據轉換器子系統500的一個示意性實施例的模塊示意圖，其由n位數據轉換器510、處理模塊540和一些輔助模塊構成。數據轉換器510由兩個主要元件構成：n位adc和n位dac。adcanalog510.1代表adc模擬部分，adcdigital510.2代表adc數字部分。reg1_a510.3和reg1_d510.4為adcanalog和adcdigital的供給調節器。clock1510.5、temp1510.6和bias1_ref代表n位adc的時鐘產生、溫度模塊和參考。在dac部分，dacdigital510.11和dacanalog510.12代表dac數字部分和dac模擬部分。reg2_d510.13和reg2_a510.14為dacdigital和dacanalog的供給調節器。clock2510.15、temp2510.16和bias2_ref510.17代表n位dac的時鐘產生、溫度模塊和參考(references)。除了n位數據轉換器510之外，還有輸入源530.1、fft530.2和頻譜分析器530.3分別提供輸入信號和捕獲數字輸出及模擬輸出。auxdac530.4、auxadc530.5和工藝監控器530.6分別為輔助adc、輔助dac和工藝追蹤功能電路。數據轉換器子系統500的一個獨特的特徵是adc和dac形成一個迴環配置(loopbackconfiguration)以實現在其正常的工作轉換率下進行直接性能評估。通過配置dmux510.9，adc輸出do[n-1:0]可以成為dac的輸入di[n-1:0]。類似地，通過配置amux510.8，dac輸出ao可以成為adc的輸入ain。雖然auxdac和auxadc也可以用於監控adc和dac的輸出，但是auxdac和auxadc的採樣率低於adc和dac的轉換率。因此，僅僅數據轉換器的靜態性能可以獲得。通常，要求2個額外位的[n+2]位輔助數據轉換器被用來採樣[n]位數據轉換器的信號以提供精確的採樣。該迴環特徵能夠實現在它們的工作模式的相同轉換率下adc或dac性能的即時(on-the-fly)測量。使用迴環配置，數據轉換器的動態性能可以被直接測量而無需犧牲轉換速度。

像圖5中的temp1或temp2的溫度模塊負責傳送矽內部的指定溫度。圖6為溫度模塊600的一個詳細框圖，其由兩個元件構成：上半部分是熱產生器610，以及下半部分為傳感器620。熱產生器610由reg610.1、vco610.2和反相器鏈610.3構成。reg610.1為電壓調節器，其獲取vsupply輸入並產生調節後的vreg輸出。vco610.2為壓控振蕩器，其輸出時鐘頻率fclk隨輸入控制電壓vctrl改變。反相器鏈610.3為多個反相器鏈，其獲取fclk作為輸入並工作於vreg供給電壓。傳感器620為溫度傳感器，其能夠將溫度轉換成數字碼。該數字碼代表溫度信息並被傳送至自愈演算法做進一步處理。

溫度模塊用於改變矽溫度。熱源來自於反相器鏈的功耗。運行在一定時鐘頻率的一個反相器的功耗可以表示為公式：p＝0.5*f*c*v2，其中p為功耗、f為時鐘頻率、c為電容以及v為供給電壓。

首先，溫度模塊載入默認參數vsupply、vctrl和vreg，之後vco610.2產生時鐘fclk。多個反相器鏈工作在fclk頻率以對電容例如c1610.4進行充放電。多個反相器鏈的功耗被轉變成矽內的熱量。該多個反相器鏈的功耗越大，矽溫度就越高。自愈演算法可以通過增加vctrl電壓或vreg電壓來增加功耗和增加矽溫度。反之，減小vctrl電壓或vreg電壓將減少多個反相器鏈的功耗並導致溫度的降低。

在物理結構實現時，溫度模塊必須放置在深n阱內且鄰近於欲調整溫度的數據轉換器。圖7為soc700內溫度模塊的一個示意性實施例的放置示意圖。soc晶片可以由包括數據轉換器710、存儲器720、cpu730、電源管理器740和接口750的不同功能模塊構成。值得一提的是，模塊示意圖不是按比例繪製的。在數據轉換器710內具有adc710.1和dac710.2。此處具有四個隔離深n阱710.4、710.6、710.8及710.10且被繪製成圓角矩形。此外，此處具有四個溫度模塊710.3、710.5、710.7及710.9且被繪製成實線矩形。如圖7所示，溫度模塊710.3、710.5、710.7及710.9被放置在相對應的深n阱710.4、710.6、710.8及710.10內。深n阱為完全隔離的阱，其能夠吸收反相器鏈產生的噪聲。若沒有這種深n阱，反相器鏈產生的噪聲將可能耦合至數據轉換器而降低其snr(信噪比)性能。溫度模塊應當放置鄰近其對應的數據轉換器，以至於其產生的熱量能夠影響該數據轉換器電路且其感測的溫度也能夠反映該數據轉換器附近的溫度。

自愈數據轉換器的系統模塊示意圖和功能模塊示意圖已示出在圖1和圖2。自愈n位adc、n位dac和n位數據轉換器子系統的示意性實施例的模塊示意圖已分別示出在圖3、圖4和圖5。圖1至圖5為這些自愈數據轉換器的硬體功能示意圖。這些硬體功能模塊由以下描述的自愈演算法進行控制和配置。

圖8a為自愈數據轉換器算法800的流程圖。具有三個執行步驟：初始化步驟810、應力測試步驟820和自適應調整步驟830。該算法開始於初始化步驟810以載入初始參數值；之後，其進入應力測試步驟，工作環境被施加應力(stressed)以獲取相關於環境變化的轉換器性能；以及在應力測試步驟後，其跳至自適應調整步驟830，使得數據轉換器性能適應該環境變化。決策步驟840用於決定當「soc改寫」為真(true)時返回初始化步驟810、或者停留在自適應調整步驟830。決策步驟840「soc改寫」代表這些參數可以通過外部系統例如主機控制器被修改或改寫(overwritten)。

對於數據轉換器性能，具有各種不同的性能指標，例如積分非線性(inl)、差分非線性(dnl)、無雜散動態範圍(sfdr)、信噪比(snr)、總諧波失真(thd)和有效位數(enob)。用戶基於系統和應用的需求選擇特定的性能指標。為了簡化說明，僅僅有效位數(effectivenumberofbits,enob)被用於評估後續討論的自愈演算法中的數據轉換器性能。

圖8b為初始化步驟810的詳細流程圖。具體為：使用默認enob(步驟810.3)或者從外部系統soc載入新的enob要求(步驟810.2)；之後，進入pvt校正步驟810.4並在校正後再次檢查(check)。如果enob在校正後仍不滿足，目標enob將被減小以加快循環收斂並結束初始化步驟。

圖8c為pvt校正步驟810.4的詳細流程圖。具體為：從工藝監控器、auxadc和溫度傳感器分別讀取工藝角信息(步驟810.41)、調節器供給電壓(步驟810.42)和溫度(步驟810.43)。收集的工藝角、供給電壓和溫度條件與pvt查詢表進行比較以便於為特定的工藝、電壓和溫度(process,voltage,temperature，縮寫為pvt)條件產生最優參數值。pvt查詢表作為一個參考，其定義了enob性能與相關於工藝、電壓和溫度條件的數據轉換器電路參數之間的關係。該種pvt查詢表通過器件特徵分析獲得。

圖8d為應力測試步驟820的詳細流程圖。應力測試為施加過度的(overstretched)電壓和溫度條件，記錄性能指標以及確定供給電壓和溫度組合中的最弱設定(weakestsetting)。首先，其設定供給電壓至最小電壓vmin(步驟820.1)，之後逐步增大供給電壓直至達到最大電壓vmax。同時，溫度控制循環820.3掃描(sweep)該溫度從最低溫度tmin到最高溫度tmax。每一次測試的性能指標enob被記錄以及性能矩陣表被建立。除此之外，在步驟820.5中，產生最差enob的條件被確定以及該最差enob的參數設定被記錄。

在初始化步驟810和應力測試步驟820之後，自愈演算法進入自適應調整步驟830。圖8e為自適應調整步驟830的詳細流程圖。首先，自此前的初始化步驟獲得工藝角信息；之後，測量器件上的當前供給電壓和溫度(步驟830.2)。如果收集的工藝、電壓和溫度(pvt)條件匹配該最差enob條件(步驟830.3)，應用該最差enob設定(步驟830.4)、測量enob並報告至主機(步驟830.5)、之後結束自適應調整步驟。

如果測量到的pvt不是記錄的最差enob條件，該算法基於來自先前應力測試步驟的性能矩陣表計算一組最優參數。這些參數為影響數據轉換器性能的設計參數例如供給電圧、溫度、參考電流、參考電壓、定時延遲(timingdelay)、adc滿量程、運放(opamp)電流、濾波器轉角頻率等。一旦這些參數被應用至數據轉換器(步驟830.6)，數據轉換器的enob將通過輔助模塊進行評估並與目標enob進行比較。如果enob要求(requirement)被滿足(步驟830.7)，算法將跳至設定持續監控的步驟830.12且在之後結束自適應調整。此處的監控步驟分配一個預定時間來周期性檢查性能。如果因為任何原因而導致環境改變，例如溫度漂移或供給偏移，測量得到的enob不滿足目標性能，該算法跳至步驟830.8。一個索引(index)n被初始化為0且迭代次數nmax被設定為指定數。在此步驟中，檢查計數器索引n的值以查看其是否達到指定的nmax；如果否，進入調節電壓&溫度步驟830.9和調節採樣率步驟830.10。這兩個步驟830.9和830.10對供給電壓、溫度和採樣率進行若干次迭代以改善enob。當採樣率減小，信號有更多的時間穩定以及數據轉換器的動態性能得以改善。如果評估的enob在nmax次迭代後仍然不能滿足目標enob，該目標enob將被逐漸減小(步驟830.11)，且該目標enob保持減小直至滿足測量到的enob。

檢查最差enob條件的步驟830.3快速地確定最差條件並應用已經記錄的設定。因為其已經獲知性能在此特定條件下無法滿足，因而能夠快速收斂並避免長時間的迭代和收斂問題發生。

系統可能會遇到暫時的異常幹擾例如太空中的地磁風暴或者系統受到黑客攻擊。這種突然變化或突發應力會衝擊設備並造成系統偏離其正常運行狀態。如果該算法不能收斂，與設備之間的連接會丟失並導致破壞性系統故障。降低採樣率和減小enob的步驟有助於該演算法的快速收斂，以至於系統能夠保持活性且與主機的連接能夠得以維持。當系統從異常幹擾恢復後，其重新獲取目標enob並返回正常運行狀態。

該自愈數據轉換器由硬體實現(圖1至圖7)和自愈演算法(圖8a至圖8e)構成。硬體功能模塊是基於自愈演算法進行配置的。這些硬體功能模塊被分成三種類型的模塊：參數功能模塊120、輔助模塊130和處理模塊140。參數功能模塊提供設計參數至數據轉換器。輔助模塊提供輸入信號至數據轉換器並捕獲數據轉換器輸出以評估性能。處理模塊收集該輸入和輸出分析信息並基於自愈演算法計算最優參數。該算法中有三個主要步驟：初始化810、應力測試820和自適應調整830。初始化步驟首先載入默認目標性能例如enob，之後進行工藝、電壓和溫度(pvt)校正。應力測試建立數據轉換器性能和過度的供給電圧及溫度之間的關係矩陣表以及確定最差性能條件。根據pvt校正和矩陣表信息，數據轉換器能夠適應環境變化例如電壓偏移和溫度漂移。此外，當存在影響設備的突然變化時，該自愈數據轉換器降低轉換率或目標性能以避免系統失效從而保持系統的健壯性。

以上所述僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內,當可利用上述揭示的技術內容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。