專利名稱：可開關控制的芯片上去耦單元的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種可開關控制的芯片上(on-die)去耦單元以及包括去耦單元的集成電路和系統(tǒng)。
背景技術：
集成電路(IC)通常由集成電路封裝附近的外部高效調(diào)壓器模塊提供的一個或多個電源電壓供電。該電力通過電源層，引腳，通孔和突起被提供到集成電路芯片。當由于可變芯片活性發(fā)生快速的電流瞬變時有可能發(fā)生電壓降。使用電力輸送去耦元件以減小這些壓降。去耦元件可以包括主板、封裝離散電容器和芯片上去耦單元(作為電容器)。
封裝電容器的有效串聯(lián)電感與封裝寄生電感一起使得封裝電容器在超過100MHz的頻率時作為去耦元件是無效的。因為現(xiàn)代IC在頻率超過100MHz時引起明顯的電流瞬變，芯片上去耦單元需要將最后生成的電壓振蕩保持在合理范圍內(nèi)。去耦單元的有效串聯(lián)電阻用來抑制在封裝和芯片上去耦電容器操作之間的頻率范圍內(nèi)的電力輸送網(wǎng)絡電壓振蕩。當前的封裝電容器技術可以不提供有效的串聯(lián)電阻以抑制由封裝芯片諧振引起的振蕩，其可以發(fā)生在100MHz-1GHz的范圍內(nèi)。適當?shù)男酒先ヱ钣行Т?lián)電阻需要抑制封裝芯片諧振以阻止在電力輸送網(wǎng)絡阻抗曲線(由于隨著鄰近頻率成分變化的芯片電流負荷瞬變導致的電壓振蕩的高幅度)中高的峰值。
圖1示出了用于電源去耦的芯片上去耦單元100。該去耦單元100包括與電阻阻尼元件120(在芯片上形成的聚硅電阻器)串聯(lián)的去耦器件110(累加型PMOS電容器)。該去耦器件110可以耦合到地130以及電阻阻尼元件120可以耦合到電源140。該去耦器件110可以利用其柵極電容以將電源140和地130分離。電阻阻尼元件120可以用來抑制封裝電容器寄生電感和芯片上去耦之間的預期的LC振蕩。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種可開關控制的芯片上去耦單元，包括去耦器件；以及耦合到該去耦器件的阻尼元件，其中該阻尼元件能充當數(shù)字開關。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種集成電路，包括耦合到電源的阻尼元件，其中該阻尼元件能夠基于集成電路的操作狀態(tài)而開啟或關閉；以及與該阻尼元件串聯(lián)的去耦器件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種系統(tǒng)，包括具有有源電路和去耦電路的處理器芯片，其中去耦電路用于斷開提供給有源電路至少一些子集的電力，其中去耦電路與有源電路并聯(lián)，以及其中去耦電路包括耦合到電源的阻尼元件，其中該阻尼元件能充當數(shù)字開關，以及其中該阻尼元件能充當基于無線設備的操作功率模式狀態(tài)的開關；以及與阻尼元件串聯(lián)并接地的去耦器件；以及用于通信的天線。


從下面詳細描述中各種實施例的特點和優(yōu)點將變得顯而易見，其中 圖1示出了當前芯片上去耦單元的實例； 圖2示出了根據(jù)一實施例提供給集成電路(IC)的電源簡化等效電路圖的實例； 圖3示出了根據(jù)一實施例的可開關控制的芯片上去耦單元的實例； 圖4示出了根據(jù)一實施例的可開關控制的芯片上去耦單元的實例； 圖5示出了根據(jù)一實施例的頻域上電力輸送阻抗曲線的實例； 圖6示出了根據(jù)一實施例的使用可開關控制的去耦器件的功能框圖系統(tǒng)的實例。
具體實施例方式圖2示出了提供給集成電路(IC)的電源簡化等效電路圖的實例。該電源通過電壓調(diào)節(jié)器210提供給IC(電源節(jié)點200)?；贗C的瞬時活性IC芯片消耗可變的電流220的量。由于可變IC電流消耗可以發(fā)生快速電流瞬變并導致電源電壓振蕩。電源電平的振蕩可導致IC性能顯著退化，更高可靠性危險，以及甚至是系統(tǒng)失效。電力輸送去耦可用來減小電壓振蕩的幅度。電壓調(diào)節(jié)器210以及其有效輸出阻抗230為了電流負載瞬變可以停止穩(wěn)定電壓電平，該電流負載瞬變的頻譜成分是大于某一水平(例如，100KHz)。主板和封裝去耦元件240可以幫助對于有限頻率范圍(如，大到100MHz)減小電源電壓振蕩，這是由于其內(nèi)部的串聯(lián)阻抗250和到芯片的寄生通路阻抗260。
芯片上去耦可以并行于芯片電流負載220執(zhí)行。芯片上去耦器件(例如，電容器)270可用于穩(wěn)定功率并減小更高頻率(例如，大于100MHz)的電壓振蕩。阻尼元件(例如電阻器)280可以提供所需的阻尼來減小封裝寄生電感路徑260和芯片去耦270之間產(chǎn)生的預期LC諧振。
現(xiàn)代微處理器可以控制核心電源并因此可顯著減小低功率模式(例如，休眠，空轉(zhuǎn)，等待)的核心泄漏。然而，一些附屬電源，例如I/O電源和模擬電路專用電源，不具有可變的電壓電平控制并因此在活動狀態(tài)和空轉(zhuǎn)狀態(tài)具有相同的電壓電平。因此，在低功率模式中這些附屬電源的去耦器件泄漏(例如，柵極泄漏)可貢獻功耗的顯著部分。在低功率模式中減少這樣的功耗(例如，柵極泄漏)是期望的。
圖3示出了用于電源去耦(例如，核心電源，I/O電源，模擬電源)的可開關控制的芯片上去耦單元300的實例。去耦單元300包括同阻尼元件320串聯(lián)的去耦器件310以及一開關器件330。去耦器件310可以將電源350和地340斷開。阻尼元件320可用來抑制封裝電容器寄生電感和芯片上去耦之間預期的LC諧振。當IC是低功率模式時開關器件330可以打開和禁止(關閉)去耦單元300，并且當IC處于工作模式(例如，非低功率模式)時將去耦單元使能(開啟)。
圖4示出了可開關控制的芯片上去耦單元400的一個實例。去耦單元400包括與地430和電源440之間的有源器件阻尼元件420串聯(lián)的去耦器件(例如，電容器)410。去耦器件410可以是累加態(tài)PMOS電容器或任何其它的芯片上電容器件。有源器件阻尼元件420可以是一個或多個晶體管，其可以充當數(shù)字開關以及提供電源電壓振蕩衰減所需的有效阻抗。一堆器件(所示的一對PMOS晶體管)可以被使用，因為更大的寬度可以增加阻尼電阻值(設備Rds)的精確性并增加過程/電壓/溫度的穩(wěn)定性。
圖5示出了頻域上的電力輸送阻抗曲線。一優(yōu)選的阻尼阻抗曲線510包括在某個頻率范圍上由于封裝電容器有效電感路徑的阻抗增加。優(yōu)選阻尼阻抗曲線510然后穩(wěn)定在由芯片上阻尼元件設定的值。如果阻尼元件值對于特定IC進行調(diào)節(jié)可以基本得到優(yōu)選阻尼曲線510。如果阻尼元件有太低的電阻則可以導致次阻尼阻抗曲線520。次阻尼阻抗曲線520可以顯示由于封裝電感和芯片上去耦次阻尼LC交互的大阻抗諧振。如果阻尼元件具有太高的阻抗，過阻尼阻抗曲線530可以導致在高頻率范圍的高阻抗和大電壓振蕩。
電阻阻尼元件可以易受可靠問題的影響并敏感于處理/電壓/溫度(PVT)。如果電阻元件的值變化很大它可以影響電力輸送阻抗曲線并將其優(yōu)選調(diào)節(jié)510偏移到次阻尼狀態(tài)520或過阻尼狀態(tài)530。利用有源器件阻尼元件(例如，圖4的420)可以更好保持對于特定IC調(diào)諧的阻尼值并減小到優(yōu)選的阻尼曲線510的偏移量(次或過阻尼)。
當IC是低功率模式時器件阻尼元件420可以充當一打開開關，關掉去耦元件400，以及當IC是工作模式(例如，非休眠)時器件阻尼元件420可以充當一閉合開關，開啟去耦元件。去耦單元400可以包括一輸入端450以接收一使能信號。輸入450可以到器件阻尼元件420以控制其操作。輸入450可以到有源器件阻尼元件420中晶體管的柵極。使能信號可以用來激活或去激活器件阻尼元件420(例如，打開或閉合開關)并因此去激活或激活去耦單元400。
如果阻尼元件420被激活(例如，閉合開關)，它將提供需要的有效阻抗以及去耦器件410將充當有效的芯片上電容器并將消耗柵極泄漏功率。如果阻尼元件420去激活(例如，打開開關)，它將充當斷路并且去耦器件410將停止消耗柵極泄漏功率。當IC處于正常工作模式時使能信號可以激活阻尼元件420，當IC處于低功率或休眠模式時可以去激活阻尼元件420。
使能信號可以是由IC(例如，由CPU)已經(jīng)產(chǎn)生用于IC其它功能的信號。例如，當IC處于工作模式時信號可以被激活，或者當IC處于休眠模式或下降功率模式時信號可以被激活。IC具有各種模式的固有的詳細定義、設定和控制，從中可以得到去耦使能信號。
去耦單元400的開/關切換可以消耗大量的電流。然而，如果去耦單元400被關閉更多的時間，關閉芯片上電容器以減小泄漏功耗可以是有利的。對于電池供電設備來說，減小的功耗能增加電池壽命。
去耦單元400可用于任何類型的IC以減小功耗。去耦單元400可以最好用在要求用電池提供電力的移動IC中，因為減小功耗將節(jié)約電池壽命。移動IC可用于大量的移動設備，包括但不限于膝上型計算機，蜂窩式電話，個人數(shù)字助理(PDA)，游戲操縱臺，以及便攜式娛樂設備。移動設備可以包括一個或多個移動處理器以操作該設備。處理器可以包括芯片上存儲器，可以利用芯片外存儲器，或其組合。移動設備可以包括用于通信的天線和用于供電的電池。
在移動IC中使用去耦單元400可以允許顯著減少功耗，因為器件阻尼元件420可以充當用于在低功率和休眠模式切斷去耦器件柵極泄漏的易用本地開關。此外，去耦單元400也可以對于開關噪音振蕩提供更好的電力輸送網(wǎng)絡穩(wěn)定性。這兩個優(yōu)點對于移動平臺芯片是非常重要的，其非常重視電力節(jié)省特征，并且利用了低壓電源，其中大擺幅電源振蕩能顯著降低電路的性能。功率有效設計的結(jié)果是，可以顯著增加芯片上去耦電容的量并在相同的平均功率包絡中提供更加健壯和更加穩(wěn)定的電力輸送設計。
圖6示出了利用可開關控制的去耦單元(例如，300，400)的系統(tǒng)600的功能圖。該系統(tǒng)包括執(zhí)行操作的處理器610，給處理器610供電的電池620，通信接口630和提供無線通信的天線640。處理器可以包括有源電路650以及去耦電路660(包括可開關控制的去耦單元)。來自電池的電力可以并聯(lián)地供給有源電路以及去耦電路以致去耦電路能切斷電源?？梢詮挠性措娐方o去耦電路提供信號(例如，操作模式信號)以控制去耦電路的開關。
盡管這里詳細描述和圖示說明了各種實施例，但是顯然也可以進行各種變形和修改。提及“一個實施例”或“一實施例”意味著結(jié)合該實施例描述的特定特征，結(jié)構(gòu)或特點包含在至少一實施例中。因此，在整個說明書各種地方出現(xiàn)用語“在一個實施例中”或“在一實施例中”并不必然指的是同一個實施例。
不同實施特征是硬件，固件，和/或軟件的不同組合。正如本領域中已知的，可以用軟件和/或固件以及硬件來實現(xiàn)例如各種實施例的一些或所有元件。實施例可以以本領域公知的許多類型的硬件，軟件和固件來實現(xiàn)，例如，集成電路，包括ASIC和其它本領域公知的印刷電路板，元件，等。
預定將在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)廣泛地保護各種不同的實施例。
權(quán)利要求
1.一種可開關控制的芯片上去耦單元，包括去耦器件；以及耦合到該去耦器件的阻尼元件，其中該阻尼元件能充當數(shù)字開關。
2.權(quán)利要求1的單元，其中去耦器件是一電容器。
3.權(quán)利要求1的單元，其中去耦器件是一晶體管電容器。
4.權(quán)利要求1的單元，其中阻尼元件包括至少一個晶體管。
5.權(quán)利要求1的單元，其中阻尼元件可以由使能信號來控制。
6.權(quán)利要求1的單元，其中阻尼元件在低功率模式期間被切斷以抑制泄漏功耗。
7.一種集成電路，包括耦合到電源的阻尼元件，其中該阻尼元件能夠基于集成電路的操作狀態(tài)而開啟或關閉；以及與該阻尼元件串聯(lián)的去耦器件。
8.權(quán)利要求7的集成電路，其中去耦器件是一累加態(tài)晶體管。
9.權(quán)利要求7的集成電路，其中阻尼元件包括一串聯(lián)晶體管堆。
10.權(quán)利要求7的集成電路，其中阻尼元件提供有效的串聯(lián)阻抗以抑制封裝芯片諧振。
11.權(quán)利要求7的集成電路，其中當集成電路處于低功率或休眠模式時阻尼元件關閉。
12.權(quán)利要求11的集成電路，其中當阻尼元件關閉時要抑制去耦器件泄漏功率。
13.權(quán)利要求7的集成電路，其中阻尼元件和電容器并聯(lián)連接到集成電路上要從電源接收電力的有源元件的一個子集。
14.權(quán)利要求7的集成電路，進一步包括有源元件以便給阻尼元件提供信號來控制阻尼元件的打開和關閉狀態(tài)。
15.權(quán)利要求15的集成電路，其中該信號指示集成電路的模式。
16.權(quán)利要求7的集成電路，其中，去耦器件是電容器；以及阻尼元件包括至少一個晶體管。
17.一種系統(tǒng)，包括具有有源電路和去耦電路的處理器芯片，其中去耦電路用于斷開提供給有源電路至少一些子集的電力，其中去耦電路與有源電路并聯(lián)，以及其中去耦電路包括耦合到電源的阻尼元件，其中該阻尼元件能充當數(shù)字開關，以及其中該阻尼元件能充當基于無線設備的操作功率模式狀態(tài)的開關；以及與阻尼元件串聯(lián)并接地的去耦器件；以及用于通信的天線。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，進一步包括給處理器芯片提供電力的電池。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中當系統(tǒng)處于低功率模式時阻尼元件要關閉。
20.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中有源電路提供使能信號給阻尼元件以控制其操作。
全文摘要
通常，在一方面，公開了一種可開關控制的芯片上去耦單元。該可開關控制的芯片上去耦單元包括一去耦器件和一器件阻尼元件。該器件阻尼元件可以作為數(shù)字式。在低功率模式阻尼元件可以切斷以保存電力。這里公開了其它的實施例。
文檔編號H01L23/66GK101047333SQ20061006407
公開日2007年10月3日 申請日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者O·維金斯基, N·夏米爾 申請人:英特爾公司