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抗PVT变化的自适应电源电压调整电路设计

作　者: 冯亚勇
导　师: 肖立伊
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 待机状态 静态低功耗 PVT波动 自适应电源电压调整
分类号: TN432
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着CMOS工艺和集成电路设计的发展,集成电路的尺寸不断缩小,PVT(Process,Voltage and Temperature)波动对集成电路的影响也越来越严重。而集成电路进入深亚微米后,晶体管的漏电日益严重,加上广泛使用的便携式电子设备绝大部分时间处于待机状态。因此,研究抗PVT波动的静态低功耗技术,具有很强的现实意义。PVT波动主要来源于集成电路的制造流程和电路运行的实际环境,因为PVT波动会影响集成电路的性能、稳定性和功耗,所以进行电路设计时必须考虑PVT波动。自适应电源电压技术是一种实时电路低功耗技术,它根据电路的PVT变化及时调整电源电压,以保证性能和功耗要求。随着SoC系统的广泛使用,自适应电源电压技术面临速度和功耗的挑战。因此,自适应电源电压电路的设计必须综合考虑系统的功能、性能和功耗要求。本文的主要工作是在深入研究晶体管的漏电机制和PVT波动来源的基础上,采用自适应电源电压技术,使用SMIC 130nm工艺,设计出一种快速的、抗PVT波动的自适应电源电压调整电路。该自适应电源电压调整电路总的静态功耗为53.85uW,并能根据工艺温度变化,迅速调整芯片的待机电源电压,调整时间不超过30ns。将自适应电源电压调整技术应用于ISCAS’85系列的Benchmark电路,通过HSPICE仿真表明,应用这项技术,不同温度工艺条件下电路的漏电功耗都显著减小,最大减小幅度为96.2%;电路规模越大,漏电功耗降低幅度越大。本文提出的自适应电源电压调整技术能够在很大程度上降低电路待机时的漏电功耗,有效弥补了工艺和温度变化对电路造成的影响,性能较好。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 CMOS 电路的功耗来源  9-11
    1.2.1 功耗分类  9-10
    1.2.2 漏电组成  10-11
  1.3 静态低功耗技术  11-14
    1.3.1 静态低功耗技术简述  11-13
    1.3.2 电源电压调整技术  13-14
  1.4 自适应电源电压技术研究现状  14-17
  1.5 本文主要研究内容及结构  17-18
第2章 PVT 波动和待机电源电压的确定  18-27
  2.1 PVT 波动来源  18-20
    2.1.1 工艺波动的来源  18-19
    2.1.2 电压波动的来源  19
    2.1.3 温度波动的来源  19-20
  2.2 PVT 波动对集成电路的影响  20-23
    2.2.1 PVT 波动对设计参数的影响  20
    2.2.2 PVT 波动对电路性能的影响  20-21
    2.2.3 PVT 波动对电路稳定性的影响  21-22
    2.2.4 PVT 波动对电路漏电功耗的影响  22-23
  2.3 最佳待机电源电压的确定  23-26
    2.3.1 待机电源电压的确定  23-24
    2.3.2 SNM 的获取  24-25
    2.3.3 DRV 的获取  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章 自适应电源电压调整电路设计  27-45
  3.1 自适应电源电压调整电路的整体结构  27-28
  3.2 抗PVT 波动的检测模块设计  28-36
    3.2.1 抗工艺电压波动的温度检测电路  28-31
    3.2.2 抗电压温度波动的工艺检测电路  31-36
  3.3 信号处理模块设计  36-44
    3.3.1 AD 转换器  36-39
    3.3.2 查找表电路  39-41
    3.3.3 待机电源电压调制电路  41-44
  3.4 本章小结  44-45
第4章 整体电路仿真  45-53
  4.1 自适应电源电压系统仿真框图  45-46
  4.2 自适应电源电压系统在不同工艺温度的仿真结果  46-50
    4.2.1 自适应电源电压系统在常温的仿真结果  46-48
    4.2.2 自适应电源电压系统在TT 工艺时的仿真结果  48-50
  4.3 Benchmark 电路漏电功耗的仿真  50-52
  4.4 本章小结  52-53
结论  53-54
参考文献  54-59
致谢  59

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 微电子学、集成电路（IC） > 半导体集成电路（固体电路） > 场效应型
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