低功率設(shè)備的堆疊時(shí)鐘分布的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例總體上涉及電子硬件和用于操作電子硬件的方法，并更具體地，涉及時(shí)鐘電路和用于操作時(shí)鐘電路的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電子電路的功耗是電子電路的關(guān)鍵的性能度量。對(duì)于低功率嵌入設(shè)備(例如微控制器和傳感器、智能卡和醫(yī)療設(shè)備)，降低功耗對(duì)于設(shè)備的性能是關(guān)鍵的。例如，一些數(shù)字設(shè)備的時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)可以是引起數(shù)字設(shè)備的總功耗的顯著部分(例如，高達(dá)50%)的原因。在諸如微控制器、非接觸式智能卡、以及助聽器之類的電路中，功率的顯著部分消耗在時(shí)鐘線路上。時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)中的總功率耗散歸因于漏電流、短路和動(dòng)態(tài)功耗。時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)中由漏電流引起的功耗通常相對(duì)較小。然而，時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)通常具有高切換行為和較大切換電容，較大切換電容引起時(shí)鐘線路中的顯著動(dòng)態(tài)功耗。例如，因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)的高切換行為或線路/線電容和終端容性負(fù)載，在時(shí)鐘線路中消耗功率。此外，大量切換時(shí)鐘緩沖器可以引起時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)中可察覺的短路功耗。降低電子電路的時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)中的功耗能夠降低電子電路的總功耗。因此，需要降低電子電路中時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)的功耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]描述了時(shí)鐘分布設(shè)備和時(shí)鐘分布方法的實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，時(shí)鐘分布設(shè)備包括:堆疊時(shí)鐘(stacked clock)驅(qū)動(dòng)器電路，配置為對(duì)在不同的電壓范圍之間擺動(dòng)的輸入時(shí)鐘信號(hào)執(zhí)行時(shí)鐘信號(hào)充電再循環(huán)(charge recycling);以及負(fù)載電路。堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路包括被配置為生成在不同電壓范圍之間擺動(dòng)的輸出時(shí)鐘信號(hào)的堆疊驅(qū)動(dòng)器電路。負(fù)載電路包括不同半導(dǎo)體類型的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)配置為由輸出時(shí)鐘信號(hào)之一來驅(qū)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的時(shí)鐘分布設(shè)備，該時(shí)鐘分布設(shè)備執(zhí)行充電/能量再循環(huán)來提高能量效率并降低時(shí)鐘線路中的功耗。還描述了其他實(shí)施例。
[0004]在實(shí)施例中，時(shí)鐘分布的方法，包括:對(duì)在不同電壓范圍之間擺動(dòng)的輸入時(shí)鐘信號(hào)執(zhí)行時(shí)鐘信號(hào)充電再循環(huán)，包括生成在不同電壓范圍之間擺動(dòng)的輸出時(shí)鐘信號(hào)；并由輸出時(shí)鐘信號(hào)之一來驅(qū)動(dòng)不同半導(dǎo)體類型的多個(gè)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)。
[0005]在實(shí)施例中，時(shí)鐘分布設(shè)備，包括:堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路，配置為對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)執(zhí)行時(shí)鐘信號(hào)充電再循環(huán)，以及負(fù)載電路，包括僅具有PMOS晶體管的PMOS負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和僅具有NMOS晶體管的NMOS負(fù)載網(wǎng)路。堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路包括:第一半驅(qū)動(dòng)器電路，配置為接收在電壓閾值與電壓閾值的一半之間擺動(dòng)的第一輸入時(shí)鐘信號(hào)，并生成在電壓閾值和電壓閾值的一半之間擺動(dòng)的第一輸出時(shí)鐘信號(hào)；以及第二半驅(qū)動(dòng)器電路，與第一半驅(qū)動(dòng)器電路相連，并配置為接收在電壓閾值的一半與零之間擺動(dòng)的第二輸入時(shí)鐘信號(hào)，并生成在電壓閾值的一半與零之間擺動(dòng)的第二輸出時(shí)鐘信號(hào)。PMOS負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為由第一輸出時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)。NMOS負(fù)載網(wǎng)絡(luò)被配置為由第二輸出時(shí)鐘信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。
[0006]根據(jù)以下結(jié)合附圖、通過本發(fā)明原理示例描述的詳細(xì)描述，本發(fā)明的實(shí)施例的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見。
【附圖說明】
[0007]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IC設(shè)備的示意框圖。
[0008]圖2示出了圖1中示出的堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路的實(shí)施例。
[0009]圖3示出了圖1中示出的半擺幅(swing)至全擺幅轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例。
[0010]圖4示出了圖1中示出的IC設(shè)備的實(shí)施例。
[0011]圖5示出了圖4中示出的IC設(shè)備的時(shí)鐘信號(hào)的一些示例。
[0012]圖6示出了根據(jù)發(fā)明的實(shí)施例的時(shí)鐘分布方法的處理流程圖。
[0013]圖7是示出了根據(jù)發(fā)明的另一實(shí)施例的時(shí)鐘分布方法的處理流程圖。
[0014]貫穿說明書，類似的附圖標(biāo)記可以用于標(biāo)識(shí)類似的元件。
【具體實(shí)施方式】
[0015]將容易理解:如這里通常描述的以及在所附的附圖中示出的實(shí)施例的組件可以用多種不同配置來布置和設(shè)計(jì)。因此，如附圖中表示的，各種實(shí)施例的以下詳細(xì)描述不旨在限制本公開的范圍，而只代表各種實(shí)施例。盡管在附圖中呈現(xiàn)實(shí)施例的各方面，但是附圖不必按比例繪制，除非特殊指示。
[0016]應(yīng)在僅作為示意性而非限制性的所有方面考慮所描述的實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非由該詳細(xì)描述來指示。其范圍內(nèi)將包含權(quán)利要求的等價(jià)的含義和范圍內(nèi)的全部變化。
[0017]貫穿本說明書，對(duì)特征、優(yōu)點(diǎn)的的引用或類似語(yǔ)言不意味著可以利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的全部特征和優(yōu)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是任意單個(gè)實(shí)施例或者在任意單個(gè)實(shí)施例中。相反，引用特征和優(yōu)點(diǎn)的語(yǔ)言被理解為意味著:在至少一個(gè)實(shí)施例中包括結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、優(yōu)點(diǎn)或特性。因此，貫穿該說明書可以對(duì)特征和優(yōu)點(diǎn)的討論或類似語(yǔ)音可以但不必指代相同實(shí)施例。
[0018]此外，所描述的本發(fā)明特征、優(yōu)點(diǎn)和特性可以在一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施例中按照任何合適的方式來組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)這里的描述將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明可以在無需具體實(shí)施例的特定特征或優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)或更多個(gè)的情況下來實(shí)踐。在其他實(shí)例中，可以在特定實(shí)施例中認(rèn)識(shí)到未出現(xiàn)在本發(fā)明的全部實(shí)施例中的附加特征和優(yōu)點(diǎn)。
[0019]貫穿本說明書，對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”、“實(shí)施例”的引用或類似語(yǔ)言意味著:在至少一個(gè)實(shí)施例中包括結(jié)合所指示的實(shí)施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)或特性。因此，貫穿本說明書，短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”、“在實(shí)施例中”和類似的語(yǔ)言可以但不必均指代相同實(shí)施例。
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的IC設(shè)備100的示意框圖。圖1中示出的實(shí)施例中，IC設(shè)備包括時(shí)鐘源電路102、堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路104和負(fù)載電路106。IC設(shè)備可以用于各種應(yīng)用中，例如汽車應(yīng)用、通信應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用、計(jì)算機(jī)應(yīng)用和/或消費(fèi)者或家用電器應(yīng)用。IC設(shè)備可以在基板(例如半導(dǎo)體晶片或印刷電路板(PCB))中實(shí)現(xiàn)。在實(shí)施例中，IC設(shè)備被封裝為半導(dǎo)體IC芯片。IC設(shè)備可以包括在微控制器中，微控制器可以用于例如設(shè)備控制、識(shí)別和/或無線通信中。在一些實(shí)施例中，IC設(shè)備包括在非接觸式智能卡或助聽器中。盡管IC設(shè)備100在圖1中示為包括特定組件，但是在一些實(shí)施例中，IC設(shè)備包括更少或更多的組件以實(shí)現(xiàn)更少的或更多的功能。例如，IC設(shè)備可以包括串聯(lián)連接的時(shí)鐘緩沖器。
[0021]相比于使用全擺幅時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的傳統(tǒng)IC設(shè)備，圖1中示出的IC設(shè)備100例如通過將全擺幅時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為半擺幅時(shí)鐘信號(hào)并使用半擺幅時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載元件，來降低由于高切換行為或者由于高負(fù)載電容引起的時(shí)鐘線路中的功耗。例如，圖1中示出的IC設(shè)備將在O和“VDD”之間的電壓的全擺幅時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為在O和“VDD/2”之間以及“VDD/2”和“VDD”之間的半擺幅時(shí)鐘信號(hào)，并使用這些半擺幅時(shí)鐘信號(hào)來分別驅(qū)動(dòng)負(fù)載元件。由于IC設(shè)備可以對(duì)低擺幅時(shí)鐘定時(shí)操作，因此可以降低時(shí)鐘線路上的功耗。因此，可以降低IC設(shè)備的總功耗。相比于傳統(tǒng)堆疊邏輯電路，圖1中示出的IC設(shè)備100可以在用于降低時(shí)鐘線路中的功耗的半擺幅時(shí)鐘域和用于高性能的全擺幅時(shí)鐘域二者中操作。具體地，IC設(shè)備的部分(例如，堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路104)在半擺幅時(shí)鐘域中操作，而IC設(shè)備的關(guān)鍵路徑(例如，時(shí)鐘源電路102和負(fù)載電路106的高性能組件)在全擺幅時(shí)鐘域中操作。此外，IC設(shè)備使用堆疊電路來再循環(huán)充電，這改進(jìn)了節(jié)能芯片操作?？梢栽跓o需明確電平移動(dòng)邏輯電路的基于全靜態(tài)CMOS的解決方案來實(shí)現(xiàn)IC設(shè)備。
[0022]降低數(shù)字功耗的傳統(tǒng)技術(shù)(例如電源電壓縮放方法或者降低的電源電壓操作(通常僅提供有限的益處。為了最小化與功率管理基礎(chǔ)設(shè)施有關(guān)的系統(tǒng)復(fù)雜度，數(shù)字邏輯電路和存儲(chǔ)器通常是相同電源域的一部分，以避免維持附加功率域的開銷。在一些情況中，具有低性能要求的系統(tǒng)的部分可以以較低電源電壓操作以節(jié)省能源。然而，存在生成附加電源的開銷。通常，開銷與該附加電源的所需電流驅(qū)動(dòng)能力成比例。此外，可以需要額外的電平轉(zhuǎn)換邏輯電路來將信號(hào)從一個(gè)電壓域變換到另一電壓域。此外，數(shù)字系統(tǒng)的較高性能電路部分通常消耗最多功率。
[0023]再次參照?qǐng)D1，IC設(shè)備100的時(shí)鐘源電路102包括全擺幅時(shí)鐘源108和全擺幅至半擺幅轉(zhuǎn)換器110。全擺幅時(shí)鐘源被配置為生成全擺幅時(shí)鐘信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施例中，全擺幅時(shí)鐘源被配置為生成在O瓦特和電壓閾值之間切換的時(shí)鐘信號(hào)。全擺幅至半擺幅轉(zhuǎn)換器被配置為將時(shí)鐘信號(hào)從全擺幅時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為半擺幅時(shí)鐘信號(hào)。在實(shí)施例中，全擺幅至半擺幅轉(zhuǎn)換器被配置為:將來自全擺幅時(shí)鐘源的時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為半擺幅時(shí)鐘信號(hào)，該半擺幅時(shí)鐘信號(hào)在O瓦特和電壓閾值的一半之間和電壓閾值的一半和電壓閾值之間切換。
[0024]IC設(shè)備的堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路104被配置為:對(duì)在不同的電壓范圍之間擺動(dòng)的輸入時(shí)鐘信號(hào)執(zhí)行時(shí)鐘信號(hào)充電再循環(huán)。在實(shí)施例中，堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路包括:多個(gè)堆疊驅(qū)動(dòng)器電路，配置為生成在不同電壓范圍之間擺動(dòng)的輸出時(shí)鐘信號(hào)。圖1中示出的實(shí)施例中，堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路104包括:第一半驅(qū)動(dòng)器電路112和第二半驅(qū)動(dòng)器電路114。堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路允許對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的充電/能量再循環(huán)，以提高IC設(shè)備的能量效率。具體地，第一半驅(qū)動(dòng)器電路和第二半驅(qū)動(dòng)器電路具有類似的切換行為。因此，堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路的一半所需的充電與堆疊時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器電路的另一半所需的充電相同，這實(shí)現(xiàn)了第一半驅(qū)