[發(fā)明專利]一種跳變檢測器及時鐘頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制電路

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710975393.1
• 申請日: 2017-10-18
• 公開（公告）號: CN107565953A
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡志匡;單偉偉;肖建
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)南通研究院有限公司
• 主分類號: H03K19/003
• 分類號: H03K19/003;H03K19/00
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責(zé)任公司32112
• 代理人: 朱戈勝,查俊奎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路設(shè)計低功耗技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于在線時序監(jiān)測的自適應(yīng)電壓頻率調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

伴隨著集成電路(Integrated Circuit，IC)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已經(jīng)在人們的生活中起到了日益重要的作用，尤其在移動終端領(lǐng)域，由于人們對于電子產(chǎn)品的性能需求不斷提高，因此帶來的功耗問題日益顯著，所以效能也成為了集成電路設(shè)計的一大目標。效能是指每次操作所消耗的能量，如果效能越低，說明能量的利用效率越高，研究表明，當(dāng)電壓降低時，效能也會隨之降低，最佳效能點處于近閾值區(qū)域。因此，為了兼顧性能和效能需求，寬電壓范圍(Wide voltage range)電路受到廣泛關(guān)注，它是指電路的工作范圍涵蓋近閾值區(qū)至常規(guī)電壓區(qū)。對于性能需求較高的工作場景，電路工作在常規(guī)電壓區(qū)；當(dāng)電路對效能需求較高時，電路可以降低電壓到近閾值區(qū)。

另一方面，隨著工藝尺寸的不斷縮小，工藝、電壓、溫度(Process-Voltage-Temperature,PVT)等偏差對電路設(shè)計的影響也不斷增大。考慮到PVT偏差對芯片的影響，IC設(shè)計者通常情況下會通過預(yù)留時序余量的方式保證芯片在最壞情況的PVT環(huán)境下也能夠正常工作。所謂“最壞情況”綜合考慮了所有PVT偏差對電路時序的不利因素，然而在芯片實際工作中，最壞情況極少可能發(fā)生甚至不發(fā)生，這就導(dǎo)致了所選擇的頻率過于保守造成了芯片性能和效能的浪費，因此如何降低設(shè)計中預(yù)留的時序余量成為提高性能和效能的主要思路之一。

為了解決時序余量的問題，國際上主要采用自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)(Adaptive Frequency Scaling，AFS)和自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(Adaptive Voltage Scaling，AVS)。AFS通過監(jiān)控芯片的時序，自適應(yīng)調(diào)節(jié)工作頻率，可以獲得有效的頻率收益，而AVS通過監(jiān)控芯片的時序，自適應(yīng)調(diào)節(jié)工作電壓，可以獲得有效的功耗收益。本發(fā)明應(yīng)用于的系統(tǒng)采用自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法，解決時序余量的問題，獲得頻率收益。而自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)主要有兩種方法，一種是基于間接監(jiān)測的自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)，另一種是基于直接監(jiān)測的自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)。直接型監(jiān)測的自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)由于能真實反映電路的時序情況，因此應(yīng)用更為廣泛。而跳變檢測器是直接監(jiān)測自適應(yīng)頻率調(diào)節(jié)方法的核心組成部分。

一個設(shè)計優(yōu)良的跳變檢測器除了滿足基本的時序監(jiān)測功能之外，還需要滿足以下幾個要求：一、晶體管數(shù)目盡量少，可以盡量減少檢測單元的面積和功耗。二、能夠?qū)崿F(xiàn)寬電壓范圍工作。三、對原關(guān)鍵路徑末端負載盡可能小，因為如果負載過大會導(dǎo)致關(guān)鍵路徑變得更為關(guān)鍵，影響系統(tǒng)性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述近閾值寬電壓的跳變檢測器的設(shè)計需求，本發(fā)明設(shè)計了一種只有16個晶體管的跳變檢測器，面積小、功耗低，在40nm CMOS工藝下工作電壓范圍可達0.5V～1.1V。該跳變檢測器配合觸發(fā)器作為路徑末端的時序監(jiān)測單元時，對原有觸發(fā)器結(jié)構(gòu)沒有改動，能有效的監(jiān)測電路的時序情況。此外，本發(fā)明提供了一種時鐘頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制電路，從而實現(xiàn)在線時序監(jiān)測和系統(tǒng)頻率自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：一種跳變檢測器，包括第一PMOS管、第一NMOS管、一個CMOS傳輸門、一個反相器和一個異或門，所述第一PMOS管和第一NMOS管的柵極相接且作為跳變檢測器的數(shù)據(jù)信號輸入端，所述PMOS管的源極用于與電源相連，所述PMOS管的漏極與異或門的第一個輸入端、CMOS傳輸門的第一個端口相連；所述NMOS管源極接地，所述NMOS管的漏極與異或門的第二個輸入端、CMOS傳輸門的第二個端口相連；所述異或門的輸出端作為跳變檢測器的預(yù)警信號輸出端；所述CMOS傳輸門由第二PMOS管和第二NMOS管組成，所述第二PMOS管的漏極和第二NMOS管的漏極相連且作為CMOS傳輸門的第一個輸入端，所述第二PMOS管的源極和第二NMOS管的源極相連且作為CMOS傳輸門的第二個輸入端，所述第二PMOS管的柵極與反相器的輸出端連接，所述反相器的輸出端與第二NMOS管的柵極連接，所述反相器的輸入端與系統(tǒng)時鐘相連。