專利名稱：抑制電源/地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)的電源門控電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
“抑制電源/地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)的電源門控電路”的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榈凸拇笠?guī)模集成電路設(shè)計(jì)。所提出的電路適合于集成電路快速進(jìn)行模式(休眠、工作、等待)切換，在提高切換速度的同時(shí)能夠大大降低切換時(shí)的瞬間沖擊電流對(duì)相鄰電路的干擾，同時(shí)也有效地抑制了在非工作模式下的泄漏電流。
背景技術(shù)：
隨著CMOS工藝特征尺寸的逐漸縮小，集成電路中的漏電問題越來越嚴(yán)重。每一代新工藝和前一代舊工藝相比，漏電功耗大約增大30倍。對(duì)于一個(gè)CMOS晶體管，晶體管漏源極間的亞閾區(qū)漏電電流占主要地位，其表達(dá)式如下Isubthreshold=I0e(Vgs-Vt+ηVDS)nVth(1-e-VDSVth)---(1)]]>在表達(dá)式(1)中，n，η是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，隨著工藝的不同而變化；Vt是工藝參數(shù)；Vth是晶體管的閾值電壓；Vgs為柵源間電壓；VDS為漏源間電壓。隨著工藝尺寸的降低，會(huì)導(dǎo)致Vth的降低，從而導(dǎo)致漏電流以指數(shù)關(guān)系增大；Vgs、VDS分別是晶體管的柵源極間電壓和漏源極間電壓，它們對(duì)漏電流的影響也很大，電源門控結(jié)構(gòu)正是利用了這一點(diǎn)，對(duì)漏電流進(jìn)行抑制。
電源門控電路的原理在實(shí)際電路的工作中，某些電路模塊在某些時(shí)候可能出于不活動(dòng)的狀態(tài)，為了降低在不活動(dòng)狀態(tài)下的功耗，可以部分或者完全切斷這些電路模塊從電源到地的電流通路，這就是所謂的電源門控技術(shù)(Power Gating)，如圖2(a)所示。在電源門控技術(shù)中，使用了一個(gè)睡眠晶體管(Sleep Transistor)來控制電流通路，在正常工作狀態(tài)時(shí)，睡眠晶體管(一般為NMOS管)的控制信號(hào)為高，睡眠晶體管處于線形工作區(qū)，其VDS≈0(小于電源電壓的1％)，即電路的虛地(Virtual ground)接近為0，這樣可以保證電路的正常工作；在睡眠狀態(tài)時(shí)，控制信號(hào)變成低，睡眠晶體管處于截止區(qū)，此時(shí)電源會(huì)將虛地點(diǎn)充電，使得睡眠晶體管的VDS≈VDD(電源電壓)。該技術(shù)能夠極大地降低漏電功耗，但是也存在一些缺點(diǎn)，在S.Kim等人的文章“Understanding and minimizing ground bounce during mode transition ofpower gating structures”中，提到電源門控技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)使用電源門控技術(shù)的電路，在從睡眠模式切換到正常工作模式時(shí)，會(huì)引起電源和地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)的問題，原因是在睡眠狀態(tài)時(shí)，電路中電容存儲(chǔ)了大量電荷，在切換到正常工作模式時(shí)，這些電荷一下子從睡眠晶體管灌到地線網(wǎng)絡(luò)中，形成了很大的沖擊電流，由于電源和底線網(wǎng)絡(luò)中存在著寄生分布電阻，沖擊電流會(huì)進(jìn)一步引起電壓的抖動(dòng)。這樣的抖動(dòng)一方面會(huì)引起模式切換時(shí)間的延長(zhǎng)，另一方面，也會(huì)對(duì)鄰近電路的穩(wěn)定工作產(chǎn)生影響。為了消除這種影響，S.Kim等人提出了幾種改進(jìn)的電路結(jié)構(gòu)其基本思想是逐步增大睡眠晶體管的等效寬長(zhǎng)比；或者以階梯方式改變睡眠晶體管柵極的電壓，以減緩瞬間的沖擊電流。在另外的一些應(yīng)用中，電路需要在正常工作模式和睡眠模式下頻繁的切換，為了進(jìn)一步減少模式切換的過渡時(shí)間，不少研究人員提出了將電路設(shè)置在工作和睡眠之間一個(gè)模式等待模式。在該模式下，睡眠晶體管并不是完全切斷，這樣在切換到正常工作模式時(shí)，瞬間的沖擊電流可以小很多，因此切換時(shí)間也可以大大縮短。Deogun等人在Fine grained multi-threshold CMOS for enhanced leakage reduction一文中給出了這樣一種電路結(jié)構(gòu)，其中，睡眠晶體管的柵極電壓可以連續(xù)調(diào)節(jié)。這樣可以在漏電功耗和模式切換時(shí)間上獲得一個(gè)比較好的折中。但是，這樣的電路的缺點(diǎn)在于控制電路的復(fù)雜度比較高?？刂撇襟E比較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種全新的電源門控電路，其基本思想是利用二極管能夠有效地控制正向?qū)娏鞯奶匦?，使用兩個(gè)晶體管組成的睡眠晶體管來模擬一個(gè)可控的二極管，如圖1。再通過改變睡眠晶體管的連接方式，達(dá)到控制模式切換的目的。該門控電路在模式切換過程中，采用全數(shù)字信號(hào)控制，不需要以往的學(xué)者提出的使用連續(xù)變化的電壓來控制睡眠晶體管。并且該電路利用了反饋的思想，有效地平滑了沖擊電流。能夠在降低電源、地線網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的同時(shí)，縮短模式切換時(shí)間。同時(shí)，只要通過改變控制信號(hào)的時(shí)序，就可以有效地將電路設(shè)置成中間狀態(tài)，進(jìn)一步縮短模式切換時(shí)間。
本發(fā)明的特征在于該電源門控電路含有功能電路CT1、晶體管MC，睡眠晶體管STNMOS和傳輸門TG。
其中功能電路CT1)，由電源(VDD)供電；晶體管(MC)的漏極接到所述功能電路(CT1)的虛地，柵極為控制信號(hào)的輸入端cntl；睡眠晶體管(STNMOS)，漏極同時(shí)與晶體管(MC)的漏極、功能電路(CT1)的虛地相連。而源極接地；傳輸門(TG)輸出端(G)同時(shí)與晶體管(MC)的源極、睡眠晶體管(STNMOS)的柵極相連，而該傳輸門(TG)設(shè)有三個(gè)信號(hào)輸入端，分別輸入信號(hào)Sleep、En和En’；所述電源門控電路有以下三種動(dòng)作模式在工作模式下，cntl、En’信號(hào)為低，Sleep、En信號(hào)為高；
在睡眠模式下，cntl、En’、Sleep信號(hào)為低，En信號(hào)為高；在松弛即等待模式下，En信號(hào)為低，En’、cntl信號(hào)為高，Sleep信號(hào)任意為高或低。
本發(fā)明的有益效果是1、整個(gè)控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只利用了很少的晶體管。并且，所有的控制電路都不在主要的電流通路上，因此這些晶體管可以使用最小尺寸，這樣不會(huì)引起太大的電路面積增加。
2、只需改變控制信號(hào)的時(shí)序，就可以將電路設(shè)置在正常工作模式、睡眠模式或者等待模式，這樣可以提高控制的魯棒形。
3、控制電路通過改變睡眠晶體管的連接方式達(dá)到模式切換的目的，這樣的方式利用了反饋的思想，可以有效地平滑模式切換時(shí)的沖擊電流；本電路利用了較少的晶體管，能夠在低功耗集成電路設(shè)計(jì)中作為電源門控電路，該電路消除了大大降低了功能模塊電路在模式切換時(shí)的沖擊電流，縮短了模式切換時(shí)間，同時(shí)也提供了一種更好的在漏電功耗和切換時(shí)間之間的折中。所提出的電路技術(shù)非常適合作為數(shù)字電路標(biāo)準(zhǔn)單元并應(yīng)用在多電源電壓低功耗集成電路設(shè)計(jì)中。
為了驗(yàn)證所發(fā)明的電路的效果，將該電路應(yīng)用到ISCAS85測(cè)試電路組中進(jìn)行仿真，取得了良好的效果。圖5和圖6(使用ISCAS85中的C432電路進(jìn)行仿真)分別比較了傳統(tǒng)的電源門控電路和我們所發(fā)明的改進(jìn)門控電路在模式切換時(shí)的引起的電壓和電流波動(dòng)。從圖中可以看出，我們發(fā)明的電路能夠大大地抑制電壓和電流波動(dòng)。


圖1.使用晶體管構(gòu)成可控二極管，(a)是普通的二極管，(b)是用CMOS晶體管代替二極管的電路，(c)是可控的替代二極管電路，在圖(c)中，使用了一個(gè)小晶體管MC提供門控睡眠晶體管的漏極和柵極之間的控制通路。
圖2.兩種門控電路(a)是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，(b)是改進(jìn)結(jié)構(gòu)，其中CT1為任意功能電路，門控電路一般使用NMOS，位于電路的虛地和真正的地線之間。在具體的芯片中，內(nèi)部電路通過Pin和外部電路連接，這些Pin會(huì)引入一些寄生的電容、電感和電阻。它們是引起電源/地線網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的重要原因。
圖3.從睡眠模式切換到工作模式的控制信號(hào)時(shí)序，該時(shí)序圖分為兩個(gè)階段，分別是松弛階段(階段1)和完全開啟階段(階段2)。
圖4.圖(a)是松弛狀態(tài)下的等效電路，圖(b)是正常工作、睡眠模式下的等效電路，其中的電阻表示傳輸門導(dǎo)通時(shí)的等效電阻，傳輸門關(guān)斷時(shí)的等效電阻被認(rèn)為是無窮大。
圖5.實(shí)線表示使用傳統(tǒng)的門控電路引起的地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)，虛線表示使用改進(jìn)的門控電路引起的地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，我們所發(fā)明的改進(jìn)電路電壓波動(dòng)明顯小很多。
圖6.實(shí)線表示使用傳統(tǒng)門控電路引起的瞬間沖擊電流，虛線表示使用改進(jìn)的門控電路引起的瞬間沖擊電流，通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，我們所發(fā)明的改進(jìn)電路電流峰值比較小，比較平滑。
圖7.各個(gè)控制信號(hào)的產(chǎn)生方法。其中使用反相器，利用En信號(hào)產(chǎn)生En’，cntl信號(hào)。
具體實(shí)施例方式
該電路應(yīng)用在具體的電源門控電路中時(shí)如圖2所示在正常工作和在睡眠狀態(tài)時(shí)，控制晶體管MC輸入信號(hào)cntl為0，MC關(guān)斷；傳輸門TG的控制信號(hào)使之打開，Sleep信號(hào)可以直接控制睡眠晶體管NMOS ST。在從睡眠模式切換到工作模式時(shí)，控制信號(hào)的時(shí)序如圖2所示，可以看出，它分為兩個(gè)階段松弛階段和完全打開階段。在松弛階段時(shí)，TG關(guān)斷，睡眠晶體管NMOS ST柵極懸空，與此同時(shí)，cntl控制MC使之打開，這樣NMOS ST和MC形成二極管接法，如圖4(a)，把存儲(chǔ)在電路CT1電容中的電荷平穩(wěn)地釋放掉；在完全打開階段，cntl控制使MC關(guān)斷，同時(shí)TG打開，Sleep信號(hào)直接通過TG，使得NMOS ST完全開啟，如圖4(b)。
整個(gè)控制過程的信號(hào)時(shí)序如圖3所示。
為了將電路設(shè)置為中間狀態(tài)，可以設(shè)置控制信號(hào)使得整個(gè)電路工作在松弛階段，等效電路如圖4(a)，此時(shí)，睡眠晶體管NMOS ST的漏源極間電壓比正常工作時(shí)要高一些，約為電源電壓的10％，這時(shí)電路的輸出狀態(tài)可以保持，同時(shí)，整個(gè)電源通路上由于串入了一個(gè)二極管(由NMOS ST構(gòu)成)，漏電電流得到了抑制，從而降低了功耗。
在應(yīng)用我們所發(fā)明的該進(jìn)電路時(shí)，控制信號(hào)由原來的Sleep一個(gè)信號(hào)變成Sleep、cntl、En、En’四個(gè)信號(hào)。這些信號(hào)由整個(gè)電路中的功耗管理單元電路提供。
由圖3可以看出，雖然我們發(fā)明的電路的控制信號(hào)增加了3個(gè)，但是實(shí)際上，只需要功耗管理單元電路提供兩個(gè)信號(hào)Sleep和En即可，其余的cntl和En’可以通過使用一個(gè)反相器，對(duì)En取反即可，如圖7所示。
各個(gè)模式下，各個(gè)控制信號(hào)的電平如下表表1.模式控制信號(hào)表

權(quán)利要求
1.一種能夠抑制電源/地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)的電源門控電路，其特征在于該電源門控電路含有功能電路(CT1)、晶體管(Mc)，睡眠晶體管(STNMOS)和傳輸門(TG)。其中功能電路(CT1)，由電源(VDD)供電；晶體管(Mc)的漏極接到所述功能電路(CT1)的虛地，柵極為控制信號(hào)的輸入端cntl；睡眠晶體管(STNMOS)，漏極同時(shí)與晶體管(Mc)的漏極、功能電路(CT1)的虛地相連。而源極接地；傳輸門(TG)輸出端(G)同時(shí)與晶體管(Mc)的源極、睡眠晶體管(STNMOS)的柵極相連，而該傳輸門(TG)設(shè)有三個(gè)信號(hào)輸入端，分別輸入信號(hào)Sleep、En和En’；所述電源門控電路有以下三種動(dòng)作模式在工作模式下，cntl、En’信號(hào)為低，Sleep、En信號(hào)為高；在睡眠模式下，cntl、En’、Sleep信號(hào)為低，En信號(hào)為高；在松弛即等待模式下，En信號(hào)為低，En’、cntl信號(hào)為高，Sleep信號(hào)任意為高或低。
全文摘要
抑制電源/地線網(wǎng)絡(luò)電壓抖動(dòng)的電源門控電路屬于低功耗、高可靠性電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其特征在于使用可控的二極管來實(shí)現(xiàn)電路從睡眠模式切換到正常的工作模式。由于可控的二極管可以對(duì)通過它的電流進(jìn)行很好地控制和平滑，因此可以大大降低模式切換時(shí)的瞬間峰值電流，從而降低了電源/地線網(wǎng)絡(luò)上的電壓波動(dòng)。
文檔編號(hào)H03K17/04GK101018053SQ20071006414
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者羅嶸, 何苦, 汪玉, 楊華中 申請(qǐng)人:清華大學(xué)