JPH0365817A - ドライバ回路 - Google Patents

ドライバ回路

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JPH0365817A
JPH0365817A JP2195100A JP19510090A JPH0365817A JP H0365817 A JPH0365817 A JP H0365817A JP 2195100 A JP2195100 A JP 2195100A JP 19510090 A JP19510090 A JP 19510090A JP H0365817 A JPH0365817 A JP H0365817A
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    • H03K19/00384Modifications for compensating variations of temperature, supply voltage or other physical parameters in field effect transistor circuits

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 A、産業上の利用分野 本発明は、集積回路デバイス、特に0MO8技術を使用
する回路の製造工程における、工程の変動による、デバ
イスの性能の差を補償する技術およびこれにより得られ
る構造に関するものである。
さらに具体的には、本発明は、0MO8技術を使用する
チップ上の集積回路用のデバイス・ドライバの製造およ
び操作における、プロセス変数、すなわち供給電圧およ
び動作温度の変動を補償する技術、およびごれにより得
られる構造に関するものである。
B、従来の技術 集積回路デバイスの製造において、特に0MO8技術を
使用する回路の製造において、プロセス変数または工程
の変動により、多くのデバイス、特にチップ上に形成し
たデバイス・ドライバの性能が著しく影響を受けること
がある。これらの性能変数には、遅延、立上りおよび立
下り時間、インピーダンス等があり、実際に、非補償型
の0M08回路では、ドライバ・デバイスにおけるこれ
らの独立変数の3σの統計的組合せは、±60%にも達
することがある。性能に影響を与えるプロセス変数には
、チャネル長の変動(通常±35%の範囲で変動する)
、シきい電圧(±20%)、ゲート電極チャネルにおけ
る誘電体の厚さ(±20%)、拡散チャネル幅(±2%
)、供給電圧(±10%)等がある。上述のように、こ
れら各種の独立要因は、すべて累積効果があり、最悪の
場合すなわち最も遅い場合と、最良の場合すなわち最も
速い場合で、デバイス特性に±80%もの差を生じるこ
とがある。(本明細書でいう「最良の場合」と「最悪の
場合」は、質的な値ではなく、量的な値を示し、「最良
の場合」とは応答時間が最も速<、「最悪の場合」とは
応答時間が最も遅いことをいう。)これらの変動は、各
種の回路で、デバイスの性能に著しい影響を与える。ド
ライバ回路では、ある種の負荷を駆動するように設計さ
れている場合、ドライバ回路の動作が速過ぎ、1度に切
り換えられるドライバの数が多過ぎると、インダクタン
スのためにきわめて高いノイズが発生し、このノイズが
正しい信号認識を妨げ、さらには認識できなくすること
さえある。したがって、所与の負荷の下での動作が速過
ぎる回路は設計できず、あるいはその設計は自滅的とな
る。一方、デバイス・ドライバ回路を極端に低速で動作
するように設計すると、時間のロスになる。このように
、ある一定の数のドライバを同時に動作させる必要があ
る場合は、プロセスの変動によるドライバの性能の本質
的変動のため、最適速度に近いものを設計するこ−とが
できない。換言すれば、ドライバ回路の性能特性の変動
が大きく、回路設計者が、過度のノイズが発生しない程
度に遅く、かつ所要の速度が得られる程度の速さの「公
称」速度で駆動する回路を設計しても、あるプロセス条
件では、得られた回路は実際にはプロセス変数のために
ノイズまたはインダクタンスの問題を生じる速度で動作
することがあり、満足な結果が得られない。したがって
、回路補償を行なわない場合、回路設計者は、デバイス
・ドライバの速度を最高にする「最良の」プロセス変数
の条件下でも、過大なノイズが発生するほど遠過ぎない
速度になるよろに設計しなければならない。もちろん、
この設計速度は、プロセス・パラメータが大幅に変動す
る場合、きわめて低速であり、事実、最悪の条件、すな
わちプロセスの変動によるドライバ回路の動作が最低速
の場合は、ドライバ回路は極端に低速になり、この速度
は、過大なノイズを発生することなく最適に動作できる
速度よりずっと遅くなる。もちろん、集積回路の製造に
使用する加工技術によって生じる変動の量を最小レベル
に減少させることが望ましいことは言うまでもない。し
かし、現在最新の加工技術でも、これらの変数を実質的
に減少させる、工業的に使用できる費用効果の高い方法
はなく、これらのプロセス変数を補償することが必要と
なる。実際に、これらのプロセス変数を補償する幾つか
の方法が提案されている。このような方法の1つは、「
サーペンタイン・ゲート」と呼ばれるもので、出力ゲー
トを並列ではなく、直列に接続して、連続する各フィン
ガのターン・オン時間を、ゲートの抵抗とキャパシタン
スに比例する時間だけ遅らせることにより、遅延を補償
しようとするものである。ゲートの抵抗は、チャネル長
が減少するにつれて増大するので、この方法により、最
も変化し易いプロセス・パラメータであるチャネル長の
変動による、遅延の変動が減少する。この方法は、ある
種のプロセスに関連した変動をある程度減少させるが、
供給電圧その他のプロセス・パラメータに対しては補償
を行なわない。また、この方法を用いる場合、ある種の
ケイ化物では、抵抗を高精度にするために余分なマスク
が必要になるという問題がある。
プロセス変数の影響を減少させる他の方法は、米国特許
出願第240853号明細書に記載されている。この方
法は、オンチップ遅延経路上でオフチップ発振器の1サ
イクル内に切り替わるステージの数を数え、このカウン
トを使ってチップ上のすべてのドライバの性能をディジ
タルに調整するものである。この方法は複雑であるため
、魅力がない。また、この方法では、チップ上の局部的
なプロセスの差異にかかわらず、チップ上のすべてのド
ライバに同じ補償が適用される。たとえば、N/FET
とP/FETでそれぞれの特性が異なる場合でも、゛同
一の補償が行なわれる。
他の様々な従来技術の特許に各種の回路および補償が開
示されている。これには、内部論理ゲート漏電流を補償
するが、プロセスの変動は補償しない米国特許第461
3772号明細書、入力バッファ上のトリガ点は補償す
るが、バッファ・デバイスのゲート電圧を制御するのに
プリバッファ中の対抗電流を使用しない米国特許第45
84492号明細書、FROMプログラム式ドライドラ
イブしているが、プロセスの変動は補償しない米国特許
第4834893号明細書、性能向上のためカスコード
電圧スイッチと論理回路による動的論理プリチャージを
開示しているが、プロセスの変動の補償は開示しない米
国特許第4570091号明細書、ある種の補償のため
の一連のデバイスを開示しているが、ゲート電圧を制御
する対抗デバイスは開示していないIBMテクニカル・
ディスクロージャ・プルテン、vol、31、No。
1 (1988年6月)、pp、21〜23、論理回路
の性能を改善するCvS論理回路を開示するが、各種の
プロセス変数を補償する手段は開示していないIBMテ
クニカル・ディスクロージャ・プルテン、Vo 1.5
27.No、IOB (1985年3月)、pp、80
12〜8013がある。
C0発明が解決しようとする課題 本発明の目的はプロセス変数の変動を補償できるFET
集積回路およびその形成方法を提供することである。
00課題を解決するための手段 本発明によれば、少なくとも第1のFETデバイスと第
2のFETデバイスを有し、上記第1および第2のFE
Tデバイスの少なくとも1つの性能特性が、その性能に
関連する少なくとも1つの変数条件の変動と同じように
変動するといろ、改良された集積回路、好ましくは0M
08回路と、そうした回路を形成する改良された方法が
提供される。上記のFETデバイスはそれぞれ、その少
なくとも1つの特性が、上記の性能に関連する変数条件
の変化によって変化する出力信号を有する。
第1JBよび第2のFETデバイスは、上記の第2のF
ETデバイスの上記の1つの出力特性が、上記の第1の
FETデバイスの上記の1つの出力と反対に作用して、
上記両FETデバイスの組み合わせた効果を表す合成出
力信号を発生するように接続されている。第2のFET
デバイスは、上記の第1のFETデバイスより、上記の
性能に関連する変数条件の上記の変化に応答し易く、上
記の第1のFETデバイスより弱い出力信号を有するよ
うに構成され、これにより、上記FETデバイスの合成
出力信号が、性能に関連する変数条件の変化に関係なく
、比較的一定に保たれる。
E、実施例 第1図を参照して、本発明による0M08回路について
説明を行なう。この回路は、キャパシタ等の1群のオフ
チップ負荷デバイス(集合的に11で示す)を駆動する
、従来のドライバ回路10を含む。ドライバ回路10は
、レシーバ回路12にも接続されている。ドライバ回路
10は、負荷11を駆動するように結合されたP/FE
T)ランデスタ14およびN/FET)ランラスタ16
を含む。これらのトランジスタ14.16は、それぞれ
プルアップ・トランジスタおよびプルダウン・トランジ
スタであり、負荷11を駆動するため、従来の方式で接
続されている。トランジスタ14は、直列に接続したト
ランジスタ18および20により、オンとなる。トラン
ジスタ22および24も、上記P/FETトランジスタ
14をオフにするため、−トランジスタ14に接続され
ている。トランジスタ18.20122.24は、破線
26で示すように、通常のNANDゲートを構成してい
る。
同様に、トランジスタ16は、直列に接続したP/FE
T)ランジスタ30および32により、オンとなる。ト
ランジスタ16は、上記N/FETトランジスタ16を
オフにするため、N/FETトランジスタ34および3
eにも接続されている。トランジスタ30,32.34
,3Bは、破線38で示すように、通常のNORゲート
を構成している。トランジスタ18.24およびトラン
ジスタ32.34を動作させる信号は、入力源40から
供給される。周知の方法により、信号がトランジスタ1
8および32に与えられてこれらがオンになると、どち
らかのトランジスタが始動して、関連するトランジスタ
14または16をオンにし、負荷11およびレシーバ1
2に電圧が供給される。このレシーバは、双方向入出力
回路のレシーバ部分であり、オンチップ負荷52および
遅延線54を駆動する。当該のトランジスタ14、工6
も、信号をレシーバ12に与える。レシーバ12は、直
列に接続されたインバータ42.44.46、ならびに
直列に接続されインバータ44と46の間にタップされ
たインバータ48.50から構成される。インバータ5
0は、負荷52に信号を供給する。レシーバ12は、ド
ライバ回路10が(一部分「オン」ではなく)完全に「
オン」に切り換わって、ノード53に出力信号を与える
かを検出するバッファとして機能する。
トランジスタ18または32のどちらかがオンになる速
度は、多くのプロセス変数に応じて広範囲に変化する。
これらのプロセス変数には、トランジスタのチャネル長
、しきい電圧、ゲート電極とチャネルの間の誘電体の厚
さ、バックグラウンドのドーピング量によって規定され
るベース移動度、チャネル幅の変動(この影響は小さい
が、完全に無視することはできない)、および供給電圧
がある。温度など他の外部変数も、回路の性能に影響を
与えることがある。したがって、ドライバ回路10を何
ら・かの方法で補償しないと、これらのプロセス変数に
よっては、トランジスタ14または1Bがオンになる速
度が、トランジスタ18.20.30132がどれだけ
敏感か、およびトランジスタ14および16をオンにす
るのがどれだけ難しいかに応じて大幅に変動することに
なる。
前述のように、トランジスタ14および16がオンにな
るのが速過ぎたり、難し過ぎたりすると、ドライバ回路
の出力動作の速度が著しく増大し、これが速過ぎると、
過大なノイズや共鳴を生じて、信号を読み取るのが困難
になり、回路が正しく動作できなくなる。しかし、トラ
ンジスタ18.20.30132が、プロセス変数のた
めに、トランジスタ14および16をオンにするのが遅
過ぎると、ドライバ回路10の速度が著しく減少して、
性能のロスを生じる。
これらのトランジスタ18.20130132がトラン
ジスタ14および16をオンにする動作の速度の変動を
補償し、すなわち変動を最悪の場合の結果(トランジス
タの最低始動速度)から最良の場合(トランジスタの最
高始動速度)へと小さくするために、補償回路を設ける
。Pチャネルの補償回路を60で示すが、これは、第1
図に示すように、直列に接続したP/FET)ランジス
タロ2および64と、直列に接続したP/FETトラン
ジスタ66.68.70を含み、トランジスタ62のゲ
ートは、トランジスタ68と70の間に接続され、この
接続点が分圧器として機能する。第1図に示すように、
トランジスタ62および84の出力は、N/FET)ラ
ンジスタロ2および20の出力と合成され、出力が互い
に反対になる。すなわち、トランジスタ18および20
からプルアップ・トランジスタであるトランジスタ14
への経路は、トランジスタ18七よび20がオンになっ
た時、トランジスタ14をオンにする傾向があり、一方
トランジスタロ2および64の出力は、トランジスタ8
2および64がオンになった時、トランジスタ14をオ
フにする傾向があり、トランジスタ18および20と反
対に作用する。
また、トランジスタ62および64は、トランジスタ1
8およcP20の作用に打ち克つほど強力ではなく、単
にトランジスタ18および20からの信号と反対に作用
してこれを補償するように設計されている。
したがって、集積回路のトランジスタを形成する工程中
のプロセス変数が、トランジスタ18および20の動作
速度を増大させる傾向があるようなものである場合、同
じプロセス変数がトランジスタ62およびe4の動作速
度も増大させる傾向があることがわ加る。トランジスタ
18および20の動作速度が増大するにつれて、トラン
ジスタ14がオンになり難くなるが、逆の作用をするト
ランジスタ62および64の動作速度が増大すると、ト
ランジスタ18および20の作用とは反対に、トランジ
スタ14の動作は抑止されまたは遅くなる。反対に、プ
ロセス変数が、トランジスタ18および20の動作速度
を減少させる傾向があるようなものである場合は、同じ
プロセス変数がトランジスタ62および64の動作速度
も減少させる傾向がある。トランジスタ18および20
の動作速度が減少するにつれて、トランジスタ14はオ
ンになり易くなるが、逆の作用をするトランジスタ62
および64の動作速度が増大すると、トランジスタ14
の動作速度が増大する傾向がある。したがって、トラン
ジスタ62および64が強力ではないが、プロセス変数
に対して敏感である場合、トランジスタ18および20
がトランジスタ62および64と協働して、打消しまた
は補償を行ない、プロセス変数に関係なく、非補償型の
ドライバ回路で得られるよりもずっと一貫したターン・
オン信号をトランジスタ14に与える。
同様に、Nチャネル補償回路72は、補償回路62のト
ランジスタと同様に接続したFET)ランジスタフ4.
76.78.80.82を有し、同様にトランジスタ3
0.32と協働して、トランジスタ16をオンにする。
トランジスタ34および24のゲートは、入力40に接
続されている。
ノード53におけるレシーバ12からの出力は、遅延回
路84に送られ、負荷11における遷移が完了したとト
ランジスタ14によって決定された後、補償を切づて、
不必要な電力の放散をなくする。遅延回路84は、トラ
ンジスタ64.76のゲートに接続されたノード94に
フィードバック信号を与える一連のインバータ86.8
8.90192からなる。トランジスタ66および82
のゲートの動作は、試験用だけのもので、それぞれトラ
ンジスタ68と70.および78と80内の直流を遮断
する。この回路の動作中は、トランジスタ66および8
2は使用されない。トランジスタ20および22は、エ
ネーブル信号96に接続され、トランジスタ30および
36は周知のように、回路10を高インピーダンス状態
にする反転信号またはディスエーブル信号98に接続さ
れている。
プルアップ・トランジスタ14およびプルダウン・トラ
ンジスタ16に関連するNANDゲート構造およびNO
Rゲート構造の目的は、トランジスタ14および16を
トライステート状態にして、両者が完全に遮断できるよ
うにし、かつ高状態でも低状態でもないようにすること
である。この回路は、当技術分野で周知である。
トランジスタ62.64がトランジスタ18.20に比
べて敏感になり、トランジスタ74.76がトランジス
タ30132に比べて敏感になることは、幾つかのプロ
セス・パラメータに関して、下記のように説明できる。
たとえば、チャネル長が減少すると、トランジスタの速
度が増大することはよく知られている。したがって、プ
ロセスの変動により、トランジスタ18.201および
14のチャネル長が減少すると、トランジスタ14がオ
ンになる1速度、およびトランジスタ14が負荷11を
駆動する速度が増大する傾向がある。しかし、同じプロ
セスの変動が、トランジスタ62.64のチャネル長を
減少させる。したがって、トランジスタ82.64のチ
ャネルの回路の設計における公称チャネル長を、トラン
ジスタ18.20のチャネルの公称チャネル長より短か
く設計した場合、プロセスの変動によるトランジスタ1
8.20のチャネル長の増大は、対応するトランジスタ
62.64のチャネル長の増大よりも割合が小さく、シ
たがって、プロセス変数の絶対変動は、トランジスタ8
−2、EI4のチャネルにはるかに大きな影響を与え、
チャネル長に関して、トランジスタ62.64はトラン
ジスタ18.20よりもプロセスの変動に敏感になる。
このように、トランジスタ62.64がより敏感で、か
つ力が弱いことにより、トランジスタ18.20.およ
び14のチャネル長に対する敏感さに打ち克つ。
他のプロセス・パラメータも、同様に制御される。たと
えば、供給電圧の変動を補償するには、トランジスタ8
2,84の公称ゲート・ソース電圧をトランジスタ18
.20よりも低く設計することができ、そうすると、供
給電圧が変動したときのトランジスタ82.84の出力
特性の変化の割合がトランジスタ18.20よりも大き
くなる。
同様の公称設計基準を、ベース移動度、チャネル幅、し
きい電圧、温度等の、他のプロセス変数の影響を受ける
トランジスタ62.64およびトランジスタ18.20
にも使用できるが、これはすべて当業者には容易に理解
されることであり、詳細に説明する必要はない。
第2図は、負荷11の電圧を時間に対してプロットした
グラフであり、代表的な非補償型回路と本発明による回
路とを比較したもので、負荷11における回路10の出
力特性が、プロセスの様々な変化に応じてどのように変
化するか、および本発明によって製造したトランジスタ
を用いるとそれがどのような影響を受けるかを示すもの
である。
(たとえば、チャネル長以外のすべてのプロセス・パラ
メータが一定に保たれ、チャネル長が工程の許容誤差の
上限と下限の間で変動する場合、非補償型回路では、負
荷11の立上り時間は35%変動することがあるのに対
し、本発明の補償回路を追加すると、負荷11の立上り
時間の変動は5%に減少する。他の各変数も、上記の影
響をもつ。)グラフは、各プロセス・パラメータの、変
動が累積3σの最悪の場合から累積3σの最良の場合ま
での、回路10の出力の応答速度を示す。上述のように
、3σの統計的組合せで諸プロセス・パラメータの非補
償型ドライバに対する総合的影響は±80%にもなるが
、本発明の補償技術を使うと変動は±20−%に減少す
る。このことは、第2図に示すとおりで、線100およ
び102は、代表的な非補償型回路の最良の場合と最悪
の場合の境界状態を示し、線104および108は、本
発明によって補償された代表的な回路の最良の場合と最
悪の場合の境界状態を示す。線104と106の間の領
域は斜線で示しである。このように、本発明によって設
計したデバイスを用いると、設計者は公称値により近い
設計を行なうことができ、最良の場合でも、デバイスは
、妨害ノイズを発生するほど速く作動せず、最悪の場合
でも、公称レベルより極端に遅くなることはない。
非常に多くの回路パラメータおよびプロセス変数に差異
があるため、トランジスタ18.20.30132と比
較して、トランジスタ62.64.74.7Bを設計す
るのに必要な、偏位または感度増加の正確な量を見出し
、トランジスタ18.20に比べてトランジスタ82.
64の力を、トランジスタ30132に比べてトランジ
スタ74.76の力をどの程度弱くしなければならない
か正確な値を決定するには、多少の実験が必要である。
とはいえ、僅かな量のきまりきった実験でこの値を容易
に最適化することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による0M08回路の1実施例を示す
回路図である。 第2図は、非補償型の回路と、本発明により補償を行な
った回路の動作の変動範囲を示すグラフである。 10・・・・ドライバ回路、11・・・・オフチップ負
荷、12・・・・レシーバ回路、2B・・・・NAND
ゲート、38・・・・NORゲート、40・・・・入力
源、54・・・・遅延線、60・・・・Pチャネル補償
回路、72・・・・Nチャネル補償回路。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)少なくとも第1のFETデバイスと第2のFET
    デバイスを有する集積回路であって、 上記第1および第2のFETデバイスの所与の性能特性
    が、少なくとも1つの性能に関連する変数条件の変動と
    同様に変動し、 上記のFETデバイスはそれぞれ、その少なくとも1つ
    の特性が、上記の性能に関連する変数条件の変化によっ
    て変化する出力信号を有し、上記第1および第2のFE
    Tデバイスの出力信号が組み合わされ、上記第2のFE
    Tデバイスの上記の1つの出力特性が、上記第1のFE
    Tデバイスの上記の1つの出力と反対に作用し、 上記第2のFETデバイスは、上記第1のFETデバイ
    スより、上記の性能に関連する変数条件の上記の変化に
    応答し易く、かつ上記第1のFETデバイスより弱い出
    力信号を有するように構成され、これにより、上記FE
    Tデバイスにおける合成された出力信号が、性能に関連
    する変数条件の変化に関係なく、一定に保たれることを
    特徴とする集積回路。
  2. (2)上記回路がドライブ回路であり、かつ上記第1お
    よび第2のFETデバイスの合成出力信号に接続され、
    これによって動作するゲートを有する、第3のFETデ
    バイスを有することを特徴とする、請求項1に記載の集
    積回路。
  3. (3)上記回路が集積回路チップ上に形成され、第3の
    FETデバイスが容量性負荷の動作を制御することを特
    徴とする、請求項2に記載の集積回路。
  4. (4)上記の性能に関連するプロセス変数がチャネル長
    であることを特徴とする、請求項1に記載の集積回路。
  5. (5)上記のプロセスに関連する変数がチャネル幅であ
    ることを特徴とする、請求項1に記載の集積回路。
  6. (6)上記のプロセスに関連する変数がしきい電圧であ
    ることを特徴とする、請求項1に記載の集積回路。
  7. (7)上記のプロセスに関連する変数がベース移動度で
    あることを特徴とする、請求項1に記載の集積回路。
  8. (8)プロセス変数が電力供給の誤差を補償することを
    特徴とする、請求項1に記載の集積回路。
  9. (9)プロセス変数が温度によるデバイスの動作を補償
    することを特徴とする、請求項1に記載の集積回路。
  10. (10)少なくとも第1のFETデバイスと第2のFE
    Tデバイスを有し、上記第1および第2のFETデバイ
    スの所与の性能特性が、少なくとも1つの性能に関連す
    る変数条件の変動と同様に変動し、上記のFETデバイ
    スはそれぞれ、その少なくとも1つの特性が、上記の性
    能に関連する変数条件の変化によって変化する出力信号
    を有するという集積回路を形成する方法において、 上記第1および第2のFETデバイスの出力信号が組み
    合わされ、上記第2のFETデバイスの上記の1つの出
    力特性が、上記第1のFETデバイスの上記の1つの出
    力と反対に作用し、上記第2のFETデバイスは、上記
    第1のFETデバイスより、上記の性能に関連する変数
    条件の上記の変化に応答し易く、かつ上記第1のFET
    デバイスより弱い出力信号を有するように構成され、こ
    れにより、上記FETデバイスにおける合成された出力
    信号が、性能に関連する変数条件の変化に関係なく、一
    定に保たれることを特徴とする改良された方法。
  11. (11)上記第1および第2のFETデバイスの合成さ
    れた出力信号に接続され、これによって動作するゲート
    を有する、第3のFETデバイスを設けることを特徴と
    する、請求項10に記載の方法。
  12. (12)上記回路が集積回路チップ上に形成され、第3
    のFETデバイスが容量性負荷の動作を制御することを
    特徴とする、請求項11に記載の方法。
  13. (13)上記の性能に関連するプロセス変数がチャネル
    長であることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  14. (14)上記のプロセスに関連する変数がチャネル幅で
    あることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  15. (15)上記のプロセスに関連する変数がしきい電圧で
    あることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  16. (16)上記のプロセスに関連する変数がベース移動 
    度であることを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  17. (17)プロセス変数が電力供給の誤差を補償すること
    を特徴とする、請求項10に記載の方法。
  18. (18)プロセス変数が温度によるデバイスの動作を補
    償することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
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