身体偏见:它是什么，为什么你应该关心

也许你还没有注意到，集成电路(ic)的使用在过去十年中呈爆炸式增长。从最便宜的新奇玩具到汽车，再到植入的医疗设备，似乎我们接触的每样东西都有一个电子元件。毫不奇怪，这种增长带来了设计公司必须满足的IC设计需求的数量和种类的极大扩展。从确保我们的手机全天都有足够的电池电量，到确保我们汽车中的辅助制动设备每次都能正常工作，每一个层面的性能都取决于这些集成电路以它们预期的方式工作。减少能源消耗以延长电池寿命意味着ic可能需要能够在超低功耗模式下运行。与此同时，许多产品需要高性能电路来提供响应灵敏和一致的性能。每个设计师都应该知道的一项技术是如何使用设备的体偏置效应来调整电路的行为，以满足功率和性能规范。

什么是身体偏见?
体偏置用于动态调整阈值电压(V_t) CMOS晶体管。虽然CMOS晶体管通常被认为有三个端子器件，分别为源端、栅极和漏极，但越来越常见的是有第四个端子连接到主体(基板)。由于源电压(V_年代)和体电压(V_b)影响V_t在美国，人体可以被认为是第二个门，帮助决定晶体管如何打开和关闭。

在正常工作下，一个无偏置设备有一个匹配的V_年代和V_b．改变设备的体积连接的电压使设备进入正向或反向的体偏压状态，改变有效V_t需要打开设备。而V_年代保持在标称电压V_b会比V高或低_年代．这个转换成V的差值_t．根据身体偏压的极性，这改变了V_t给设备或更快或更慢的时间(t_在)比正常情况下(图1)_t需要打开设备(V_{t (fb)})，使设备能够快速打开以获得高性能(t_ONFB)，但此时器件的漏电流较大。相反，如果将该装置置于反向体偏置中，则会提高所需的V_t打开设备(V_{t (rb)})．这增加了V_t增加设备开机所需的时间(t_ONRB)，但也降低了泄漏电流，这从电源效率的角度是有用的。

图1:体偏效应如何改变t的简化显示_在用于PMOS晶体管。V_年代保持在标称电压，而V_b增加(反向偏差)或减少(正向偏差)。这在t上产生了类似的增加或减少_在,分别。

你需要知道什么时候使用身体偏见
虽然通过使用正向和反向体偏置来修改设备行为是有用的，但设计师必须确保他们完全理解给定设计的需求。如果将任何设备置于正常的体偏置操作下，连接到错误的域，可能会降低IC的性能。根据错误连接设备的程度，错误最终可能导致可靠性问题，或者部分可能不再满足所需的规格。设计人员必须使用彻底和准确的验证，以验证设计中所有设备的偏置条件是正确设置的。

尽管简单的设计可能无法传达对这种全面验证的需求，但当设计变得更加复杂时，这一点就变得显而易见了。当设计中引入多个电源域时，设备连接到错误域的可能性就会增加。这种潜力只会随着每个设计的大小和域的数量的增加而增加，并引入特定的正向或反向偏置域。任何不受欢迎的连接都可能对相关电路造成有害影响。如果没有适当的验证方法，产品的整体质量很快就会变得可疑——这对任何人的底线都不利。

反向体偏压会增加设备上的压力，这可能会导致设备随着时间的推移而退化，降低其预期的生命周期和/或性能。这种退化的一种可见形式是击穿电压值的降低。研究还表明，扩展的反向偏置应力会导致器件中电阻值的升高，从而影响电路性能。为了保持设计的最佳性能和使用寿命，只有专门设计用于处理这种额外压力的设备才应该置于反向体偏置条件下。

谨慎的设计方法还必须与前向体偏置条件结合使用，以抵消由于使用前向体偏置来减少电路中的延迟而导致的泄漏电流增加。由于这些减少泄漏的技术仅用于预计处于前倾体偏压的设备，任何错误地置于前倾体偏压的设备都不会有这种额外的电路，从而为设计的功率使用带来额外的压力。如果这种情况发生在一整组设备上，那么集体影响可能会超过电源规格。

此外，如果任何设备都要置于前向体偏置中以在电路中执行其功能，则不正确的体连接可能会导致整个电路部分失去功能。这种故障可能是由于无偏置设备的阈值电压高于电路的工作点，或者是由于一个或一系列设备的延迟增加超过了电路的定时公差。类似地，如果一个器件被放置在反向的偏置条件下以减少泄漏电流，如果这些器件没有适当的偏置，泄漏值可能会超过规格。

体偏校验
考虑到不恰当的偏置条件的潜在影响，设计师显然需要一个良好的偏置验证过程。最基本的验证过程是对设计的视觉检查，它依赖于检查人员不仅对设计的各个方面都有深入的了解，以识别任何有本体连接到错误域的设备或电路，而且不能忽略任何不正确的连接。除了潜在的人为错误外，通过视觉检查全面验证设计的每个部分的过程是一个耗时的过程，并且由于设计复杂性的增加而越来越难以管理。随着设计复杂性的不断增加，要完全相信手动验证过程能够提供准确、全面的覆盖将变得越来越困难。

从逻辑上讲，下一个阶段是使用电子设计自动化(EDA)工具来自动识别设计中可能存在的任何偏差问题位置。然而，根据工具用于偏差验证的方法，其解决方案可能存在缺陷。有些工具在整个设计过程中使用动态模拟来计算值。这些流程可能难以提供周转时间，以促进有效的设计周期。其他方法依赖于标记层或手动放置到布局中的文本注释，以驱动相关数据的识别。这个过程不仅重新引入了人为错误组件，而且还限制了在布局设计后期阶段使用，在这个阶段，实现更改可能很困难或成本很高。

同样重要的是错误是如何呈现的。仅仅识别和报告身体偏差错误不足以提供有效的解决方案。设计人员必须能够看到错误发生在哪里，错误的失败机制是什么，并有足够的信息来确定必要和适当的修复。

有效的自动车身偏压验证解决方案首先必须能够在整个设计过程中确定电势水平，而不依赖SPICE模拟或绘制标记层作为标识符。一旦该信息被有效识别，就可以使用它来理解和验证特定设备的偏置条件，并将其与预期的体偏置状态(无偏置、正向偏置或反向偏置)进行比较。

有了关于错误偏置设备的详细信息，设计人员可以很容易地确定任何报告的主体偏置错误条件背后的根本原因(图2)。例如，根本原因可能只是与错误域的直接连接，也可能是一个更难识别的问题，例如设计中先前未识别的短路或通过一组设备的意外路径。深度报告提供必要的信息，使设计人员能够快速识别问题并改善整体周转时间。

图2:设备本体偏差检查的结果，提供了对错误的详细解释。

总结
在日益复杂的设计中，准确、快速地验证所有车身偏压条件，对当今高性能、低功耗要求的设计人员提出了挑战。放置在不正确的体偏置条件下的设备，或不满足其指定的体偏置条件所要求的额定值的设备所引入的危险，会对设计的功耗和性能产生破坏性影响。精确、快速、自动化的车身偏压验证是满足苛刻的性能和可靠性规范的关键因素。