专利名称：抑制电源/地线网络电压抖动的电源门控电路的制作方法
技术领域：
“抑制电源/地线网络电压抖动的电源门控电路”的应用领域为低功耗大规模集成电路设计。所提出的电路适合于集成电路快速进行模式(休眠、工作、等待)切换，在提高切换速度的同时能够大大降低切换时的瞬间冲击电流对相邻电路的干扰，同时也有效地抑制了在非工作模式下的泄漏电流。
背景技术：
随着CMOS工艺特征尺寸的逐渐缩小，集成电路中的漏电问题越来越严重。每一代新工艺和前一代旧工艺相比，漏电功耗大约增大30倍。对于一个CMOS晶体管，晶体管漏源极间的亚阈区漏电电流占主要地位，其表达式如下Isubthreshold=I0e(Vgs-Vt+ηVDS)nVth(1-e-VDSVth)---(1)]]>在表达式(1)中，n，η是经验参数，随着工艺的不同而变化；Vt是工艺参数；Vth是晶体管的阈值电压；Vgs为栅源间电压；VDS为漏源间电压。随着工艺尺寸的降低，会导致Vth的降低，从而导致漏电流以指数关系增大；Vgs、VDS分别是晶体管的栅源极间电压和漏源极间电压，它们对漏电流的影响也很大，电源门控结构正是利用了这一点，对漏电流进行抑制。
电源门控电路的原理在实际电路的工作中，某些电路模块在某些时候可能出于不活动的状态，为了降低在不活动状态下的功耗，可以部分或者完全切断这些电路模块从电源到地的电流通路，这就是所谓的电源门控技术(Power Gating)，如图2(a)所示。在电源门控技术中，使用了一个睡眠晶体管(Sleep Transistor)来控制电流通路，在正常工作状态时，睡眠晶体管(一般为NMOS管)的控制信号为高，睡眠晶体管处于线形工作区，其VDS≈0(小于电源电压的1％)，即电路的虚地(Virtual ground)接近为0，这样可以保证电路的正常工作；在睡眠状态时，控制信号变成低，睡眠晶体管处于截止区，此时电源会将虚地点充电，使得睡眠晶体管的VDS≈VDD(电源电压)。该技术能够极大地降低漏电功耗，但是也存在一些缺点，在S.Kim等人的文章“Understanding and minimizing ground bounce during mode transition ofpower gating structures”中，提到电源门控技术的一个缺点使用电源门控技术的电路，在从睡眠模式切换到正常工作模式时，会引起电源和地线网络电压抖动的问题，原因是在睡眠状态时，电路中电容存储了大量电荷，在切换到正常工作模式时，这些电荷一下子从睡眠晶体管灌到地线网络中，形成了很大的冲击电流，由于电源和底线网络中存在着寄生分布电阻，冲击电流会进一步引起电压的抖动。这样的抖动一方面会引起模式切换时间的延长，另一方面，也会对邻近电路的稳定工作产生影响。为了消除这种影响，S.Kim等人提出了几种改进的电路结构其基本思想是逐步增大睡眠晶体管的等效宽长比；或者以阶梯方式改变睡眠晶体管栅极的电压，以减缓瞬间的冲击电流。在另外的一些应用中，电路需要在正常工作模式和睡眠模式下频繁的切换，为了进一步减少模式切换的过渡时间，不少研究人员提出了将电路设置在工作和睡眠之间一个模式等待模式。在该模式下，睡眠晶体管并不是完全切断，这样在切换到正常工作模式时，瞬间的冲击电流可以小很多，因此切换时间也可以大大缩短。Deogun等人在Fine grained multi-threshold CMOS for enhanced leakage reduction一文中给出了这样一种电路结构，其中，睡眠晶体管的栅极电压可以连续调节。这样可以在漏电功耗和模式切换时间上获得一个比较好的折中。但是，这样的电路的缺点在于控制电路的复杂度比较高。控制步骤比较复杂。
发明内容
本发明提出了一种全新的电源门控电路，其基本思想是利用二极管能够有效地控制正向导通电流的特性，使用两个晶体管组成的睡眠晶体管来模拟一个可控的二极管，如图1。再通过改变睡眠晶体管的连接方式，达到控制模式切换的目的。该门控电路在模式切换过程中，采用全数字信号控制，不需要以往的学者提出的使用连续变化的电压来控制睡眠晶体管。并且该电路利用了反馈的思想，有效地平滑了冲击电流。能够在降低电源、地线网络抖动的同时，缩短模式切换时间。同时，只要通过改变控制信号的时序，就可以有效地将电路设置成中间状态，进一步缩短模式切换时间。
本发明的特征在于该电源门控电路含有功能电路CT1、晶体管MC，睡眠晶体管STNMOS和传输门TG。
其中功能电路CT1)，由电源(VDD)供电；晶体管(MC)的漏极接到所述功能电路(CT1)的虚地，栅极为控制信号的输入端cntl；睡眠晶体管(STNMOS)，漏极同时与晶体管(MC)的漏极、功能电路(CT1)的虚地相连。而源极接地；传输门(TG)输出端(G)同时与晶体管(MC)的源极、睡眠晶体管(STNMOS)的栅极相连，而该传输门(TG)设有三个信号输入端，分别输入信号Sleep、En和En’；所述电源门控电路有以下三种动作模式在工作模式下，cntl、En’信号为低，Sleep、En信号为高；
在睡眠模式下，cntl、En’、Sleep信号为低，En信号为高；在松弛即等待模式下，En信号为低，En’、cntl信号为高，Sleep信号任意为高或低。
本发明的有益效果是1、整个控制电路结构简单，只利用了很少的晶体管。并且，所有的控制电路都不在主要的电流通路上，因此这些晶体管可以使用最小尺寸，这样不会引起太大的电路面积增加。
2、只需改变控制信号的时序，就可以将电路设置在正常工作模式、睡眠模式或者等待模式，这样可以提高控制的鲁棒形。
3、控制电路通过改变睡眠晶体管的连接方式达到模式切换的目的，这样的方式利用了反馈的思想，可以有效地平滑模式切换时的冲击电流；本电路利用了较少的晶体管，能够在低功耗集成电路设计中作为电源门控电路，该电路消除了大大降低了功能模块电路在模式切换时的冲击电流，缩短了模式切换时间，同时也提供了一种更好的在漏电功耗和切换时间之间的折中。所提出的电路技术非常适合作为数字电路标准单元并应用在多电源电压低功耗集成电路设计中。
为了验证所发明的电路的效果，将该电路应用到ISCAS85测试电路组中进行仿真，取得了良好的效果。图5和图6(使用ISCAS85中的C432电路进行仿真)分别比较了传统的电源门控电路和我们所发明的改进门控电路在模式切换时的引起的电压和电流波动。从图中可以看出，我们发明的电路能够大大地抑制电压和电流波动。
图1.使用晶体管构成可控二极管，(a)是普通的二极管，(b)是用CMOS晶体管代替二极管的电路，(c)是可控的替代二极管电路，在图(c)中，使用了一个小晶体管MC提供门控睡眠晶体管的漏极和栅极之间的控制通路。
图2.两种门控电路(a)是传统结构，(b)是改进结构，其中CT1为任意功能电路，门控电路一般使用NMOS，位于电路的虚地和真正的地线之间。在具体的芯片中，内部电路通过Pin和外部电路连接，这些Pin会引入一些寄生的电容、电感和电阻。它们是引起电源/地线网络抖动的重要原因。
图3.从睡眠模式切换到工作模式的控制信号时序，该时序图分为两个阶段，分别是松弛阶段(阶段1)和完全开启阶段(阶段2)。
图4.图(a)是松弛状态下的等效电路，图(b)是正常工作、睡眠模式下的等效电路，其中的电阻表示传输门导通时的等效电阻，传输门关断时的等效电阻被认为是无穷大。
图5.实线表示使用传统的门控电路引起的地线网络电压抖动，虚线表示使用改进的门控电路引起的地线网络电压抖动，通过对比可以发现，我们所发明的改进电路电压波动明显小很多。
图6.实线表示使用传统门控电路引起的瞬间冲击电流，虚线表示使用改进的门控电路引起的瞬间冲击电流，通过对比可以发现，我们所发明的改进电路电流峰值比较小，比较平滑。
图7.各个控制信号的产生方法。其中使用反相器，利用En信号产生En’，cntl信号。
具体实施例方式
该电路应用在具体的电源门控电路中时如图2所示在正常工作和在睡眠状态时，控制晶体管MC输入信号cntl为0，MC关断；传输门TG的控制信号使之打开，Sleep信号可以直接控制睡眠晶体管NMOS ST。在从睡眠模式切换到工作模式时，控制信号的时序如图2所示，可以看出，它分为两个阶段松弛阶段和完全打开阶段。在松弛阶段时，TG关断，睡眠晶体管NMOS ST栅极悬空，与此同时，cntl控制MC使之打开，这样NMOS ST和MC形成二极管接法，如图4(a)，把存储在电路CT1电容中的电荷平稳地释放掉；在完全打开阶段，cntl控制使MC关断，同时TG打开，Sleep信号直接通过TG，使得NMOS ST完全开启，如图4(b)。
整个控制过程的信号时序如图3所示。
为了将电路设置为中间状态，可以设置控制信号使得整个电路工作在松弛阶段，等效电路如图4(a)，此时，睡眠晶体管NMOS ST的漏源极间电压比正常工作时要高一些，约为电源电压的10％，这时电路的输出状态可以保持，同时，整个电源通路上由于串入了一个二极管(由NMOS ST构成)，漏电电流得到了抑制，从而降低了功耗。
在应用我们所发明的该进电路时，控制信号由原来的Sleep一个信号变成Sleep、cntl、En、En’四个信号。这些信号由整个电路中的功耗管理单元电路提供。
由图3可以看出，虽然我们发明的电路的控制信号增加了3个，但是实际上，只需要功耗管理单元电路提供两个信号Sleep和En即可，其余的cntl和En’可以通过使用一个反相器，对En取反即可，如图7所示。
各个模式下，各个控制信号的电平如下表表1.模式控制信号表
权利要求
1.一种能够抑制电源/地线网络电压抖动的电源门控电路，其特征在于该电源门控电路含有功能电路(CT1)、晶体管(Mc)，睡眠晶体管(STNMOS)和传输门(TG)。其中功能电路(CT1)，由电源(VDD)供电；晶体管(Mc)的漏极接到所述功能电路(CT1)的虚地，栅极为控制信号的输入端cntl；睡眠晶体管(STNMOS)，漏极同时与晶体管(Mc)的漏极、功能电路(CT1)的虚地相连。而源极接地；传输门(TG)输出端(G)同时与晶体管(Mc)的源极、睡眠晶体管(STNMOS)的栅极相连，而该传输门(TG)设有三个信号输入端，分别输入信号Sleep、En和En’；所述电源门控电路有以下三种动作模式在工作模式下，cntl、En’信号为低，Sleep、En信号为高；在睡眠模式下，cntl、En’、Sleep信号为低，En信号为高；在松弛即等待模式下，En信号为低，En’、cntl信号为高，Sleep信号任意为高或低。
全文摘要
抑制电源/地线网络电压抖动的电源门控电路属于低功耗、高可靠性电路设计领域，其特征在于使用可控的二极管来实现电路从睡眠模式切换到正常的工作模式。由于可控的二极管可以对通过它的电流进行很好地控制和平滑，因此可以大大降低模式切换时的瞬间峰值电流，从而降低了电源/地线网络上的电压波动。
文档编号H03K17/04GK101018053SQ20071006414
公开日2007年8月15日 申请日期2007年3月2日 优先权日2007年3月2日
发明者罗嵘, 何苦, 汪玉, 杨华中 申请人:清华大学