JP2996208B2 - 静電容量測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電容量測定方法
に関し、特に、集積回路の内部回路の静電容量測定方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の静電容量測定方法とし
て、例えば特開平２−２７１２６６号公報には、直流電
源から被測定コンデンサに充電する回路に、電流検出回
路および積分回路を付加して被測定コンデンサの充電電
流の積分値と被測定コンデンサの端子電圧とから被測定
コンデンサの静電容量を算出し、被測定コンデンサの端
子電圧の初期値、電源電流の直流的な変動によらず、比
較的簡単な計算で被測定コンデンサの静電容量を測定で
きるようにした方法が提案されている。

【０００３】静電容量の測定は、通常、電荷の流入量を
積分することにより行う。例えば特開昭５６−１０７１
７０号公報の記載方法では、対象となる静電容量に電流
を流し込み、流れ込んだ電流を積分することで、静電容
量を計算している。図４を参照して説明すると、直流電
源に抵抗器２０と対象となる静電容量２１を直接に接続
し、抵抗器２０の両端の電圧値を電圧計２２で測定する
ことで、抵抗器２０を流れる電流値を知り、その結果を
電流積分手段２３で積分することにより、静電容量２１
に流れ込んだ電荷量の総量を求める。

【０００４】電荷量Ｑと静電容量にかかる電圧値Ｖとか
ら、次の関係（１）を用いて、静電容量を計算してい
る。すなわち静電容量に充電可能な電荷をＱとし、電圧
をＶとし、静電容量をＣとしたときに、次式（１）が成
り立つことを用いている。

【０００５】Ｑ＝ＣＶ …(1)

【０００６】次に、この方法をキャラクタライズに用い
る技術を説明する。半導体集積回路の消費電力を、電子
計算機等で擬似的に計算するソフトウェアには、半導体
集積回路で用いられる部分（セル）の種類毎に、消費電
力パラメータを予め計算しておかなければならない。こ
のことを、「キャラクタライズ」と呼ぶ。

【０００７】キャラクタライズでは、通常、ＳＰＩＣＥ
等の回路シミュレータを用いる。

【０００８】まず、図５に示すように、対象セルの端子
に電圧源と電流計を接続した回路図を作成する。図５に
おいて、３１はスイッチ、３２は電流計、３３はセル、
３４はセル３３の入力端子である。

【０００９】この回路を回路シミュレータで解析し、ス
イッチ３１をＯＮにしてから電流が流れなくなるまでの
電流の流入量の総量を測定する。その結果 Ｃ＝Ｑ／Ｖ の計算を行ない、静電容量Ｃを求める。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法では、図５
に示すように、電流の流入量の総和を求めている。図５
において、測定対象は、セル３３の入力端子３４であ
る。すなわち、入力端子３４にスイッチ３１と電流計３
２を接続し、電流積分手段３５と静電容量計算手段３６
を用いて、静電容量を求める。

【００１１】これは半導体集積回路のセルの入力端子を
外側から見た静電容量を測定する場合には、回路として
自然な回路であり、図６に示すように、遅延値の測定の
際に同時に求めることができる。

【００１２】図６において、測定対象はセル４３の入力
端子４４である。入力端子４４にスイッチ４１と電流計
４２を接続し、同時に電圧計４７を接続する。

【００１３】次にセル４３の出力端子５０には、電圧計
４８と負荷容量４９を接続する。

【００１４】スイッチ４１を非導通状態から導通状態に
切り替え、電圧計４７と電圧計４８を用いて遅延値を測
定し、同時に、電流計４２と電流積分手段４５と静電容
量計算手段４６を用いて、入力端子４４の静電容量を求
める。

【００１５】しかし、セルの出力端子を、外側から見た
静電容量を測定する場合には、図７に示すような回路を
組み上げることになる。

【００１６】図７を参照すると、測定対象は、セル６０
の出力端子６１であり、出力端子６１を電流計６２とス
イッチ６３を通して電源に接続する。

【００１７】しかしながら、図７に示す回路は、半導体
集積回路としては、不自然な回路であり、静電容量の測
定のためだけに、図７に示す回路を組む（設計する）こ
とになる。

【００１８】このように、従来方式の第１の問題点は、
半導体集積回路のセルの出力端子を外側から見た静電容
量を測定する場合に、図７に示すような不自然な回路を
組み上げることになる、ということである。図７に示し
た回路では、出力端子６１は電流計６２とスイッチ６３
を通して電源に接続されている。

【００１９】このように、回路が不自然であるため、遅
延値の測定と同時に、静電容量を測定することができな
い。

【００２０】その理由は、図５に示すように、静電容量
の測定に際して、電流の流入量の総和を求めているため
である。

【００２１】このように、従来、半導体集積回路のセル
のキャラクタライズにおいては、遅延値キャラクタライ
ズと静電容量計算は別の回路を組んで行っていた。

【００２２】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、遅延値キャラク
タライズと静電容量計算を同時に行うことを可能とした
静電容量測定方法を提供することにある。また本発明の
目的は、半導体集積回路の出力端子の静電容量計算に適
用して好適な静電容量測定方法を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の静電容量測定方法は、測定対象の静電容量
から流れ出る電流量を測定することが特徴である。

【００２４】本発明においては、一度充電された静電容
量を放電させ、そのときに流れ出る電流の総量から静電
容量を求めるようにしたものである。このため、本来、
電流が流れ込まない端子について、外側から見た静電容
量を測定することを、通常の回路接続のままで行うこと
ができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して以下に説明する。

【００２６】［実施の形態１］図１は、本発明の実施の
形態で用いる回路図を示したものである。図１を参照す
ると、測定対象の静電容量は、セル１の出力端子２であ
る。出力端子２は、入力端子３の状態により、論理的に
“１”の状態、論理的に“０”の状態、及び、ハイイン
ピーダンスの状態のいずれかに切り替わる。論理的に
“１”の状態では電源電圧と同じ電位になり、論理的に
“０”の状態では接地された状態となる。セル１には、
電源に接続される端子４と、接地される（グランド端子
に接続される）端子５がある。

【００２７】入力端子３には入力電位を制御する電位制
御手段６を接続する。

【００２８】出力端子２には、スイッチ７と電流計８と
抵抗器９を接続する。抵抗器９の一端はグランドに接続
されている。

【００２９】電流計８で得られた電流値は、積分手段１
０に伝えられる。

【００３０】積分手段１０で積分された値は、静電容量
計算手段１１に伝えられ、静電容量が計算される。

【００３１】図２は、本発明の実施の形態の処理を説明
するためのフローチャートである。

【００３２】まずステップ７０で、図１に示すような回
路を作成する。

【００３３】次にステップ７１で、スイッチ７を非導通
状態に切り替える。

【００３４】ステップ７２で、出力端子２の電位が論理
的に“１”になるように、電位制御手段６を設定する。

【００３５】出力端子２の電位の変化がなくなったな
ら、ステップ７３で、出力端子２の状態がハイインピー
ダンスになるように電位制御手段６を設定する。

【００３６】ステップ７４で、スイッチ７を導通状態に
切り替える。

【００３７】ステップ７５で、電流計８を流れる電流が
零になるまで、電流計８の電流を、積分手段１０で積分
する。

【００３８】電流計８を流れる電流が零になったら、ス
テップ７６で、積分手段１０の積分結果を静電容量計算
手段１１に渡し、次式（２）の計算で静電容量を求め
る。

【００３９】Ｃ＝Ｑ／Ｖ …(2)

【００４０】［実施例１］本発明の実施例について図面
を参照して以下に説明する。

【００４１】図１は、本発明の一実施例で用いる回路図
である。図１において、測定対象の静電容量はセル１の
出力端子２である。出力端子２は入力端子３の状態によ
り論理的に“１”の状態と論理的に“０”の状態とハイ
インピーダンスの状態のいずれかに切り替わる。論理的
に“１”の状態すなわち５Ｖプロセスの集積回路では電
源電圧と同じ５Ｖの電位になり、論理的に“０”の状態
では接地された状態すなわち０Ｖとなる。セル１には電
源に接続される端子４と、接地される端子５がある。入
力端子３には、入力電位を制御する電位制御手段６を接
続する。電位制御手段６は、電圧源を接続する。

【００４２】出力端子７には、スイッチ７と電流計８と
抵抗器９を接続する。電流計８で得られた電流値は、積
分手段１０に伝えられる。積分手段は電子計算機のプロ
グラムで実現する。積分手段１０で積分された値は、静
電容量計算手段１１に伝えられ、静電容量が計算され
る。

【００４３】図２は、本実施例の測定方法の処理フロー
を示すフローチャートである。まずステップ７０で、図
１に示す回路を作成する。次にステップ７１で、スイッ
チ７を非導通状態に切り替える。ステップ７２で、出力
端子２の電位が論理的に“１”になるように、電位制御
手段６を設定する。出力端子２の電位の変化がなくなっ
たなら、ステップ７３で、出力端子２の状態がハイイン
ピーダンスになるように電位制御手段６を設定する。ス
テップ７４で、スイッチ７を導通状態に切り替える。ス
テップ７５で、電流計８を流れる電流が０になるまで、
電流計８の電流を、積分手段１０で積分する。電流計８
を流れる電流がになったなら、ステップ７６で、積分手
段１０の積分結果を静電容量計算手段１１に渡し、次式
（２）の計算で静電容量を求める。

【００４４】Ｃ＝Ｑ／Ｖ …(2)

【００４５】［実施の形態２］本発明の第２の実施の形
態について説明する。図３は、本発明の第２の実施の形
態の回路図を示す図である。図３を参照すると、この回
路は、抵抗器８９の先に容量９０が付加されている。

【００４６】遅延値のキャラクタライズを同時に行う場
合には、出力端子に容量が付加されている場合が多く、
図３に示しような回路構成となる。この場合は、電流計
８８の他に、出力端子８２に電圧計９３を取り付け、対
象となる静電容量の電圧を測定する。

【００４７】まずスイッチ８７を非導通状態に切替え、
静電容量を十分充電する。

【００４８】十分充電されたところで、静電容量の電圧
Ｖ１を電圧計９３で測定しておく。

【００４９】次にスイッチ８７を導通状態に切り替え
る。そして電流計８８を流れる電流が零になるまで積分
手段９１で電流を積分する。

【００５０】積分した結果から移動した電荷Ｑを計算す
る。

【００５１】再び電圧計９３で静電容量の電圧Ｖ２を求
める。

【００５２】最後に次式（３）で出力端子８２の静電容
量の値を求める。

【００５３】Ｃ＝Ｑ／（Ｖ１−Ｖ２） …(3)

【００５４】［実施例２］図３を参照して、本発明の第
２の実施例について説明する。この回路は抵抗器８９の
先に容量９０が付加されている場合である。遅延値のキ
ャラクタライズを同時に行う場合には、出力端子に容量
が付加されている場合が多く、図３に示したような回路
構成となる。この容量として、通常は０．１ｐＦ、０．
５ｐＦ、１ｐＦ、５ｐＦなど数種類を用い遅延値測定を
行うが、この中から最も小さな容量を接続する。

【００５５】次に、電流計８８の他に電圧計９３を取り
付け、対象となる静電容量の電圧を測定する。まずスイ
ッチ８７を非導通状態に切替え、静電容量を十分充電す
る。十分充電されたところで静電容量の電圧Ｖ１を測定
しておく。次にスイッチ８７を導通状態に切り替える。
そして電流計８８を流れる電流が零になるまで電流を積
分する。積分した結果から移動した電荷Ｑを計算する。
再び電圧計で静電容量の電圧Ｖ２を求める。最後に次式
（３）で静電容量の値を求める。

【００５６】Ｃ＝Ｑ／（Ｖ１−Ｖ２） …(3)

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
遅延値測定のための回路など、静電容量測定のためだけ
ではない回路を用いて、静電容量を測定することができ
る、という効果を奏する。すなわち、本発明によれば、
遅延値キャラクタライズと静電容量計算を同時に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構成原理を説明するため
の回路図である。

【図２】本発明の実施の形態の処理を説明するためのフ
ローチャートである。

【図３】本発明の第２の実施の形態の構成原理を説明す
るための回路図である。

【図４】従来技術の原理を説明する図である。

【図５】従来技術をキャラクタライズに応用した例を示
す図である。

【図６】従来技術で遅延時間を同時に測定する例を示す
図である。

【図７】従来技術の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１、８１ セル ２、８２ 出力端子 ３、８３ 入力端子 ４、８４ 電源接続用端子 ５、８５ 接地接続用端子 ６、８６ 電位制御手段 ７、８７ スイッチ ８、８８ 電流計 ９、８９ 抵抗器 １０、９１ 積分手段 １１、９２ 静電容量計算手段 ２０ 抵抗 ２１ 容量 ２２ 電圧計 ２３ 電流積分手段 ３１、４１ スイッチ ３２、４２ 電流計 ３３、４３ セル ３４、４４ 入力端子 ３５、４５ 電流積分手段 ３６、４６ 静電容量計算手段 ４７、４８ 電圧計 ４９ 容量 ５０ 出力端子 ６０ セル ６１ 出力端子 ６２ 電流計 ６３ スイッチ ６４ 電流積分手段 ６５ 静電容量計算手段 ８９ 抵抗 ９０ 容量 ９３ 電圧計

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01R 27/26 G01R 31/26 G01R 31/317

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象となる静電容量を持つ部分回路を含む
   電子回路と、 前記電子回路に電荷を供給する電源装置と、 前記部分回路の電位を切り替えるためのスイッチと、 前記部分回路に蓄積された電荷を放電するための抵抗器
   と、 前記抵抗器を流れる電流を検出する回路と、 前記部分回路と前記抵抗器の接続点の電位を測定するた
   めの電圧計と、 を備え、 前記部分回路と前記抵抗器とは絶縁され、前記電圧計が
   前記部分回路の端子に接続されている状態にする第１の
   ステップと、 前記部分回路の電位が高い状態になるように前記スイッ
   チを切り替える第２のステップと、 前記部分回路の電圧が安定した時点の電圧値を保存する
   第３のステップと、 前記部分回路がハイインピーダンス状態になるように前
   記スイッチを切り替える第４のステップと、 前記部分回路に前記抵抗器の一端を接続し他端はグラン
   ドに接続する第５のステップと、 前記部分回路の電圧がグランド電位と同じになるまで前
   記抵抗器を流れる電流を測定する第６のステップと、 測定と同時に電流値の積分する第７のステップと、 を順に実行することにより静電容量を測定する方法。
2. 【請求項２】半導体集積回路で用いられる部分回路の出
   力端子の静電容量を測定する方法において、前記半導体
   集積回路の入力端子の電位を設定する電位制御手段を備
   えると共に、前記出力端子は、スイッチを介して電流
   計、及び、一端がグランドに接続された抵抗器に接続さ
   れ、 （ａ）前記スイッチを非導通状態に切り替え、 （ｂ）前記出力端子の電位が論理的に“１”になるよう
   に前記電位制御手段により設定し、 （ｃ）前記出力端子の電位の変化がなくなったなら前記
   出力端子の状態がハイインピーダンスになるように前記
   電位制御手段により設定し、 （ｄ）前記スイッチを導通状態に切り替え、 （ｅ）前記電流計を流れる電流が零になるまで前記電流
   計の電流を積分し、 （ｆ）前記電流計を流れる電流が零になったら、積分結
   果から静電容量を求める、ことを特徴とする静電容量を
   測定する方法。
3. 【請求項３】半導体集積回路で用いられる部分回路の出
   力端子の静電容量を測定する方法において、 前記出力端子に電圧計を接続すると共に、スイッチを介
   して電流計、直列接続された抵抗と容量を接続し、前記
   容量の一端はグランドに接続され、 （ａ）まず前記スイッチを非導通状態に切替え、静電容
   量を十分充電し、 （ｂ）十分充電されたところで前記出力端子の静電容量
   の第１の電圧を前記電圧計で測定し、 （ｃ）前記スイッチを導通状態に切り替え、前記電流計
   を流れる電流が零になるまで電流を積分し、 （ｄ）積分した結果から移動した電荷を計算し、 （ｅ）再び前記電圧計で前記出力端子静電容量の第２の
   電圧を求め、 （ｆ）前記第１、第２の電圧及び電荷から前記出力端子
   の静電容量の値を求める、ことを特徴とする静電容量を
   測定する方法。