Lebenszeitprognose analoger Schaltungskomponenten anhand digitaler Degradationsmonitore
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die charakteristischen Eigenschaften integrierter Schaltungen werden von diversen Faktoren beeinflusst. Dazu zählen neben Schwankungen durch Prozessvariation und veränderliche Temperatur und Spannungen während des Betriebs auch alterungsbedingte Degradierungseffekte, welche zu einer zeitlichen Veränderung der Schaltungseigenschaften führen. Um die Funktionalität von Schaltungen insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungen sicherzustellen, kann eine Überwachung der aktuellen Schaltungsperformance und der Degradierung erforderlich sein. Ziel des Projekts LEMON war die Entwicklung eines Monitoring-Verfahrens zur Überwachung der Degradation integrierter Schaltungen durch Nutzung der Filterkoeffizienten adaptiver Filter. Grundlage des hier entwickelten Monitorings ist ein Verfahren zur on-line Detektion und Korrektur von Fehlern innerhalb eines analogen Sensorsystems durch digitale Kalibration mit adaptiven Filtern. Dieses Verfahren wird um die Verwendung eines Verhaltensmodells der zu überwachenden Schaltung auf Basis von Response Surface Modellen (RSM) erweitert. Dieses Modell dient zur Ermittlung des idealen zu erwartenden Schaltungsverhaltens bei verschiedenen Betriebsbedingungen, um mithilfe der Filterkoeffizienten Rückschlüsse auf die aktuellen Perfomancewerte ziehen zu können. Das Filter des Monitoring-Systems besteht aus zwei adaptiven Filtern zur Erkennung und Korrektur von Offset- sowie Verstärkungsfehlern im Ausgangssignal der zu überwachenden Schaltung. Zur Ermittlung der Filterkoeffizienten wird der LMS-Algorithmus genutzt, welcher sich durch eine einfache Implementierbarkeit auszeichnet und in der vorangegangenen Arbeit als geeignet zur Verwendung in online-korrekturverfahren identifiziert wurde. Die adaptiven Filter benötigen zur Korrektur das ideal zu erwartende Ausgangssignal der Schaltung als Referenzsignal. Dieses wird durch das RSM-basierte Verhaltensmodell bereitgestellt. Das Modell modelliert die vom Filter zu überwachenden Performances als RSMs in Abhängigkeit von den Umgebungsparametern Temperatur T und Versorgungsspannung V auf Basis von Simulationsergebnissen und stellt somit das ideale Verhalten dar. Die aktuellen Betriebsbedingungen bzgl. Temperatur und Versorgungsspannung werden von Sensoren gemessen. Die Ermittlung der aktuellen Performancewerte der Schaltung erfolgt durch eine Gewichtung der idealen durch die RSMs berechneten Referenzperforamnces mit den resultierenden Filterkoeffizienten. Durch eine initiale Kalibrierung wird auch der individuelle Prozesscorner der Schaltung bestimmt. Das Monitoring wird in regelmäßigen Testzyklen durchgeführt, sodass die Beobachtung und der Vergleich zu vorangegangenen Filterkoeffizienten und Performancewerten eine Überwachung von Degradierung ermöglichen. Die Anwendung des entwickelten Monitoring-Prinzips wurde an verschiedenen Beispielschaltungen simulationsbasiert evaluiert. Dabei zeigt sich, dass der gewählt Ansatz unter Einfluss verschiedener Betriebsbedingungen und Prozessvariation zur Bestimmung der aktuellen Performance geeignet ist. Darüber hinaus ist nach einer anfänglichen Kalibrierung zur Erfassung der initialen Eigenschaften eine Überwachung und Erkennung von alterungsbedingter Degradation möglich. Die generelle Möglichkeit, mithilfe des entwickelten Monitoring-Verfahrens die aktuelle Schaltungsperformance zu ermitteln, wurde anhand eines Messaufbaus mit handelsüblichen Operationsverstärkerschaltungen demonstriert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Monitoring Analog Circuit Performance using Adaptive Filters and RSM-based Behavioral Models." SMACD/PRIME 2021; International Conference on SMACD and 16th Conference on PRIME. VDE, 2021.
Taddiken, Maike, Steffen Paul & Dagmar Peters-Drolshagen
