專利名稱：基于電容耦合模式的差分電流型片上時鐘樹的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計領(lǐng)域，用于高速超大規(guī)模集成電路的時鐘樹設(shè)計。具體
涉及一種利用電容耦合方式傳遞差分電流信號，進而實現(xiàn)高速時鐘信號傳播的時鐘樹結(jié) 構(gòu)。
背景技術(shù)：
在大規(guī)模同步集成電路中，時鐘作為所有電路工作的統(tǒng)一時標而顯得異常重要。
為了保證在電路的每個角落都能獲得同步的時鐘信號，在傳統(tǒng)的芯片設(shè)計中，通常專門將
時鐘的分布與傳播組成樹形結(jié)構(gòu)，通過路徑上緩沖器的插入來保證時鐘樹的每個葉節(jié)點到
根節(jié)點具有接近的傳播延遲，使得任何一塊邏輯電路的時鐘輸入得以同步。
圖2表示的是一種傳統(tǒng)的電壓型時鐘樹結(jié)構(gòu)，由于時鐘傳播路徑的不同，從時鐘
樹的根節(jié)點到葉節(jié)點之間可能插入不同數(shù)目的緩沖器，用以保證葉節(jié)點時鐘的同步特性。 圖3表示的是傳統(tǒng)的電壓型緩沖器結(jié)構(gòu)，其中A為符號表示，B為電路結(jié)構(gòu)，C表
示了單級電壓型緩沖器的負載情況。由于時鐘信號以單端大電壓擺幅信號的形式在這條驅(qū)
動鏈上傳播，因此對于一個給定的頻率為f的時鐘信號而言，如果其信號擺幅為V，負載為
C^d，則單級電壓型緩沖器的動態(tài)功耗開銷如表達式[1]所示 P = Cl00dXfXV2 [1] 而如果一條時鐘傳播路徑上需要插入n個電壓型緩沖器，則該時鐘傳播路徑上的 動態(tài)功耗開銷如表達式[2]所示 E P = n X Cload X f X V2+Cleaf—load X f X V2 [2] 其中ClMf—lMd為次級葉節(jié)點驅(qū)動終端葉節(jié)點的容性負載。整個時鐘樹的功耗開銷 則與時鐘樹的拓撲結(jié)構(gòu)有關(guān)。而且，一般情況下高速的時鐘源均是以差分的方式工作的，因 此在這種時鐘樹結(jié)構(gòu)下，就必須在時鐘源的輸出端使用專門的差分轉(zhuǎn)單端電路來產(chǎn)生大擺 幅的單端時鐘信號。 從表達式[2]中不難看出，E P表達式中的幾個構(gòu)成因素都對時鐘樹的工作頻率 和功耗起到很大的影響。隨著集成電路制造工藝水平的不斷進步，減小特征尺寸能夠在一 定程度上減小單個緩沖器的負載電容，使得時鐘樹的最高工作頻率有所增加，但是工作電 壓的降低卻不能與特征尺寸的縮減同步，加之應(yīng)用對芯片工作頻率需求的不斷提升，以及 芯片尺寸的不斷加大，這些因素都使得時鐘樹的功耗急劇增加，已經(jīng)成為芯片功耗的主要 組成部分。有統(tǒng)計顯示，在大多數(shù)超大規(guī)模集成電路中，時鐘樹的功耗開銷已經(jīng)占到了全芯 片功耗的三分之一以上。由此可見，降低時鐘樹的功耗開銷對于優(yōu)化全芯片的功耗性能和 提升工作頻率有著重要的作用。

發(fā)明內(nèi)容
為了降低時鐘樹的功耗開銷，需要在時鐘信號的傳播方式和時鐘樹的結(jié)構(gòu)組成上
進行革新，利用新的技術(shù)手段來實現(xiàn)新型的低功耗時鐘樹。
在前文給出的時鐘樹的動態(tài)功耗E P的表達式[2]中，功耗與信號擺幅V的平方 成正比，因此降低信號擺幅是最直接的設(shè)計考慮?；谶@個思想，本發(fā)明利用下面幾項技術(shù) 提出一種新型時鐘樹的結(jié)構(gòu) 1.直接使用時鐘源產(chǎn)生的差分電壓時鐘信號作為時鐘樹的輸入，省去了在時鐘樹 輸入端的差分轉(zhuǎn)單端的環(huán)節(jié)； 2.將時鐘源產(chǎn)生的時鐘差分電壓信號轉(zhuǎn)換為差分電流信號，利用差分電流代替單 端電壓作為時鐘信號的載體，顯著的降低傳輸線上信號的電壓擺幅，從而降低驅(qū)動器的動 態(tài)功耗； 3.采用微小的差分電流信號傳播時鐘，傳輸線上信號的差模電壓擺幅很低，可以 實現(xiàn)傳輸過程中較低的動態(tài)功耗開銷； 4.差分電流接收端使用電容耦合，使得整個流經(jīng)片上傳輸線的電流回路上不存在 直流電流，可以實現(xiàn)信號傳輸過程中較低的靜態(tài)功耗開銷； 5.接收端將差分電流信號轉(zhuǎn)換為差分電壓信號，使用專門的差分轉(zhuǎn)單端電路實現(xiàn) 大電壓擺幅單端時鐘信號的恢復(fù)，從而能夠有效兼容電壓型邏輯電路； 6.差分電流信號的抗干擾能力強，并且信號的驅(qū)動能力僅與驅(qū)動電流的大小相 關(guān)，從時鐘樹的根節(jié)點到葉節(jié)點不再需要信號復(fù)制，不需要在路徑中插入緩沖器，可以實現(xiàn) "根節(jié)點_葉節(jié)點"的直接通路，實現(xiàn)更為簡單的時鐘樹結(jié)構(gòu)； 7.作為一種片上的互連結(jié)構(gòu)，其傳輸尺度僅于數(shù)十個毫米以內(nèi)，差分電流信號傳 輸所需要的驅(qū)動能力很小，傳輸路徑上的功耗開銷進一步降低，同時有利于實現(xiàn)高頻時鐘 的傳播。 電流型信號取代電壓型信號是本發(fā)明的一個重要革新之處，雖然傳輸線上傳播的 信號的根本物理量都是電流，但電流型信號與電壓型信號的本質(zhì)區(qū)別在于傳輸線上電流信 號的驅(qū)動源，電流型信號傳播的驅(qū)動力來自于電流源，而電壓型信號的驅(qū)動力來自于電壓 源。由于理想電流源具有無限大的輸出阻抗，可以有效的隔離電源和地噪聲對信號傳輸質(zhì) 量的影響，因此可以實現(xiàn)高質(zhì)量的低擺幅信號輸出。 與傳統(tǒng)概念不同，本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型時鐘樹突破了電 壓型緩沖器對時鐘信號頻率的制約，減少了大擺幅信號的使用，能夠有效的降低功耗開銷， 提高時鐘樹的工作頻率。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)為 1.電流型信號的頻率響應(yīng)快于電壓型信號，時鐘信號以差分電流為載體，可傳播 的時鐘信號的頻率可以大幅度高，同時消除了時鐘傳播路徑上的緩沖器，降低了功耗開銷， 可以作為超高頻時鐘樹的基礎(chǔ)； 2.使用差分電流信號，有效的解決了使用電壓信號時信噪比較低的問題； 3.使用差分電流接收器輸入端晶體管的柵電容作為耦合器件，而不使用專門的電
容作為耦合器件，有效的降低了電路復(fù)雜度； 4.使用差分電流信號作為時鐘信號的物理存在形式，由于信號的電壓擺幅僅是差 分電流接收器的輸入端電容(耦合電容)上的電壓擺幅，其差模電壓幅值很小，因此有利于 大幅度的降低時鐘樹的動態(tài)功耗； 5.使用電容耦合的方式，使得差分電流回路上不存在直流通路，因此可以避免形 成直流回路，有效的降低時鐘樹的靜態(tài)功耗；
6.差分電流信號經(jīng)差分電流接收器接收以后，由差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)成大信號擺幅 的單端時鐘信號，因此對于時鐘樹外掛的邏輯電路沒有任何影響，可以完全兼容現(xiàn)有的設(shè) 計。


圖1本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型片上時鐘樹的框架結(jié)構(gòu)；
圖2已有的單端電壓型時鐘樹結(jié)構(gòu)； 圖3已有的時鐘樹中電壓型緩沖器的基本結(jié)構(gòu)及其負載等效； 圖4本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型片上時鐘樹的電路原理結(jié)構(gòu)；
圖5本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型時鐘樹中的一條時鐘傳播路 徑的電路原理結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖，詳細說明本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型片上時鐘 樹的結(jié)構(gòu)和工作過程。詳細說明從兩個方面展開，首先說明基于電容耦合模式的差分電流 型時鐘傳播路徑的工作原理，然后在這個基礎(chǔ)之上說明基于電容耦合模式的差分電流型時 鐘樹的結(jié)構(gòu)和工作過程。 圖5是本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型時鐘樹中的一條時鐘傳播 路徑的電路原理結(jié)構(gòu)。時鐘的傳播電路由差分電流驅(qū)動器、差分電流接收器、片上差分傳輸 線和差分轉(zhuǎn)單端電路組成。差分電流驅(qū)動器的輸入端連接到時鐘源，接收差分時鐘信號作 為輸入，差分時鐘信號可以是來自任何類型的時鐘源的低擺幅差分電壓信號，差分電流驅(qū) 動器的輸出連接到片上差分傳輸線的源端，片上差分傳輸線的終端輸出的差分電流信號直 接耦合到差分電流接收器的輸入端，差分電流接收器的輸出連接到差分轉(zhuǎn)單端電路，恢復(fù) 出大電壓擺幅的單端時鐘信號。這種電容耦合式的差分電流信號傳播方式與片間互連的差 分電流型接口 (Current Mode Logic, CML)相似，但后者僅用于片間互連，且主要用于高速 數(shù)據(jù)接口。需要指出的是，圖5中給出的差分電流驅(qū)動器和接收器的電路結(jié)構(gòu)僅為一種最 基本的電路原理結(jié)構(gòu)，任何具有類似功能的變形結(jié)構(gòu)均可以適用在本發(fā)明公開的時鐘傳播 路徑的電路中。 如圖5所示，當差分電流驅(qū)動器接收到差分時鐘輸入之后，將時鐘的差分電壓信 號轉(zhuǎn)換成差分電流信號，電流信號通過片上差分傳輸線進行傳播，由于差分電流信號的電 壓擺幅很小，并且差分的方式使得傳輸線對內(nèi)緊密耦合，因此該通道上可以承載高頻的電 流信號。差分電流接收器接收來自傳輸線的差分電流，并恢復(fù)出具有一定差模電壓擺幅的 差分電壓信號，該差分電壓信號經(jīng)過差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)換，形成一個大電壓擺幅的單端時 鐘輸出。 將差分電流的方式用于片內(nèi)傳播時鐘信號的優(yōu)勢非常明顯，由于電流信號的電壓 擺幅非常小，因此明顯地具有較低的動態(tài)功耗，可以實現(xiàn)很高的傳輸頻率；由于采用差分電 流傳輸和電容耦合，傳輸路徑上不存在直流通路，可以進一步降低靜態(tài)功耗開銷；由于電流 信號在全路徑上具有相同的驅(qū)動能力，因此從差分電流驅(qū)動器到差分電流接收器之間不需 要使用緩沖器來彌補信號損耗；由于傳輸?shù)氖菚r鐘信號，該信號具有始終固定的頻譜組成，
5易于驅(qū)動器和接收器針對該頻譜進行設(shè)計優(yōu)化，不需要考慮信號傳輸中頻譜變化的情況， 因此也不需要為電流驅(qū)動器和每個電流接收器設(shè)計專門的加重和均衡電路，降低了電路開 銷。 圖4是本發(fā)明公開的基于電容耦合模式的差分電流型片上時鐘樹的電路原理結(jié) 構(gòu)。整個時鐘樹的功耗開銷以基本的時鐘傳播路徑的功耗開銷為基礎(chǔ)，根據(jù)前文的分析可 以得知，使用差分電流型的時鐘傳播方式，傳播路徑上的功耗開銷小，這就形成了構(gòu)建低功 耗時鐘樹的先決條件。由動態(tài)功耗開銷E P的表達式[2]可以推論，在本發(fā)明給出的時鐘 傳播路徑中，級數(shù)1!= l，信號擺幅V很小(為百毫伏量級)，因此一條路徑上的動態(tài)功耗開 銷大大降低，從而使得整個時鐘樹的功耗開銷大幅度降低。 在圖4所示的本發(fā)明公開的時鐘樹中，多條差分電流型時鐘傳播路徑并聯(lián)起來形 成一個完整的樹形結(jié)構(gòu)，由于電流具有累加性，在保證各個時鐘傳播路徑對稱等效的前提 下，差分電流驅(qū)動器端可以實現(xiàn)電流累加，從而實現(xiàn)驅(qū)動器 一 接收器的"一對多"的星形拓 撲連接。 如圖4所示，差分電流驅(qū)動器接收到差分時鐘輸入以后，將時鐘的差分電壓信號 轉(zhuǎn)換為差分電流信號，并通過片上差分傳輸線傳播到各個差分電流接收器，由于各條傳播 路徑具有對稱等效的負載，因此在差分電流驅(qū)動器的輸出節(jié)點上，電流以均等的方式向各 個路徑上傳播，在差分電流接收器一端，信號的接受過程則與圖5中單一路徑上的信號接 收端的工作過程完全一致。 本發(fā)明公開的時鐘樹的拓撲結(jié)構(gòu)非常簡單，可以實現(xiàn)"根節(jié)點_葉節(jié)點"兩級的時 鐘樹結(jié)構(gòu)。與單一傳輸路徑上的特點相同，由于時鐘從根節(jié)點到葉節(jié)點的傳播路徑上不需 要額外的電流緩沖器，因此兩級的時鐘樹結(jié)構(gòu)是可行的。 在時鐘樹的設(shè)計中，時鐘偏斜是最為重要的一個問題。由于本發(fā)明公開的時鐘樹 結(jié)構(gòu)具有"根節(jié)點_葉節(jié)點"兩級樹形結(jié)構(gòu)的特征，因此等長布線技術(shù)是最容易實現(xiàn)的解決 時鐘偏斜問題的技術(shù)手段。采用等長布線，由于接收端的差分電流接收器的輸入阻抗是一 致的，加之差分傳輸線是組內(nèi)緊密耦合的，因此傳輸延遲與線長關(guān)系密切，因此采用等長布 線技術(shù)，就可以實現(xiàn)零偏斜的時鐘傳播。 同樣的，基于前文的功耗分析表達式[2]可以推算本發(fā)明公開的基于電容耦合模 式的差分電流型片上時鐘樹的動態(tài)功耗情況，如表達式[3]所示。在式[3]中，CliM—w是 從傳輸線輸入端看到的負載，Cmd—lMd是差分電流接收器的驅(qū)動端負載，ClMf—lMd是最終驅(qū)動 的邏輯電路的輸入電容，A^和A、分別是差分傳輸線上的差模電壓擺幅和電流接收器輸 出的差模電壓擺幅，V為單端時鐘信號的電壓擺幅。 J]= C,,w_toad x /x AF,2 + Ce rf—/(W x / x AF22 + C^。^,。w x /x [3]
由于差分電流方式的信號的電壓擺幅很低(通常在百毫伏量級)，而CliM—lMd和 C d—lMd都是差分對之間的耦合電容，且E Pdynami。的前兩項沒有線性系數(shù)，因此相對于單端 的時鐘信號功耗E Pdynami。的值會降低很多，相應(yīng)的工作頻率會有大幅度的提高。
從動態(tài)功耗的角度來分析，本發(fā)明公開的差分電流型時鐘樹具有很低的E Pdynami。 值，而相應(yīng)的，在靜態(tài)功耗方面該時鐘樹的功耗開銷主要來自于差分電流驅(qū)動器和接收器 的靜態(tài)電流，以及差分轉(zhuǎn)單端電路的靜態(tài)電流。 一般的說，為了實現(xiàn)高速時鐘信號翻轉(zhuǎn)，圖 5中差分電流驅(qū)動器和接收器的對管I和Mn以及。和M卜工均不會進入截止狀態(tài)，因此驅(qū)動器工作電流Is。和接收器工作電流IS1中的一部分將不會成為時鐘信號通路上的電流，從 而會產(chǎn)生一部分靜態(tài)功耗。與圖2所示的單端電壓型時鐘樹相比，由于在高頻電流電路中， 電容的動態(tài)充放電是電路功耗的主要來源，在電流驅(qū)動器和接收器的設(shè)計上通過降低差分 對共模電壓范圍，能夠有效的降低靜態(tài)電流，從而降低靜態(tài)功耗。 綜上所述，本發(fā)明公開了一種利用電流模式電路傳播高頻時鐘的方法，并基于這 種技術(shù)構(gòu)建了一種高速的、結(jié)構(gòu)簡單的時鐘樹結(jié)構(gòu)，具有較低的動態(tài)功耗開銷。
權(quán)利要求
一種高速時鐘傳播方法，包括使用差分電流信號為載體，利用差分電流傳播時鐘信號，改變了常規(guī)時鐘樹結(jié)構(gòu)中使用電壓信號傳播時鐘的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率，并能降低信號擺幅和動態(tài)功耗；其特征在于，由差分電流驅(qū)動器、片上差分傳輸線、差分電流接收器和差分轉(zhuǎn)單端電路組成一條時鐘傳播路徑，差分電流驅(qū)動器的輸入連接差分時鐘源，接收時鐘源提供的差分時鐘信號，差分電流驅(qū)動器的輸出連接到片上差分傳輸線的源端，片上差分傳輸線的另一端連接到差分電流接收器，差分電流接收器的輸出連接差分轉(zhuǎn)單端電路，最終由差分轉(zhuǎn)單端電路產(chǎn)生大信號擺幅的單端時鐘信號，形成時鐘輸出；
2. —種電容耦合模式的電流型時鐘樹構(gòu)成方法，包括時鐘樹中一個基于電流驅(qū)動器的時鐘驅(qū)動端和多個基于電流接收器的時鐘接收端構(gòu) 成星形拓撲形式，實現(xiàn)一對多的時鐘信號傳輸；其特征在于在權(quán)利要求1的基礎(chǔ)上，以電 容耦合差分電流的方式，構(gòu)成一對多的樹形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)電流型時鐘樹；差分電流驅(qū)動器的差 動輸出作為星形結(jié)構(gòu)的中心點，多組片上差分傳輸線的源端并聯(lián)后連接差分電流驅(qū)動器的 差動輸出端，各組片上差分傳輸線的終端連接各個差分電流接收器，各差分電流接收器分 別將差分電流信號拾取，并經(jīng)過差分轉(zhuǎn)單端電路轉(zhuǎn)換成大電壓擺幅單端時鐘，形成時鐘樹 的輸出。
全文摘要
時鐘樹作為基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于各種同步電路尤其是集成電路中。傳統(tǒng)的時鐘樹大多采用大電壓擺幅的電壓信號作為時鐘的物理信號載體，隨著集成電路工作頻率的不斷攀升，這種時鐘樹技術(shù)存在頻率提升困難、功耗較高的問題，已經(jīng)成為了高速集成電路中的重要瓶頸。本發(fā)明公開了一種利用差分電流方式傳播高速時鐘信號，并構(gòu)成片上時鐘樹的技術(shù)，利用電流模式信號傳播速度快、電壓擺幅低的特點，通過專門的差分電流驅(qū)動器與接收器，實現(xiàn)片上高速時鐘的有效傳播，顯著的降低時鐘傳播路徑上產(chǎn)生的功耗。本發(fā)明中的時鐘樹結(jié)構(gòu)由差分電流驅(qū)動器、差分電流接收器、差分轉(zhuǎn)單端電路和片上差分傳輸線構(gòu)成。
文檔編號H03K23/00GK101714871SQ20091022707
公開日2010年5月26日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者黨崗, 劉蓬俠, 吳了, 張旭光, 李少青, 王麗萍, 謝倫國, 趙振宇, 郭陽, 陳吉華, 陳安安, 陳曉梅, 馬卓 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)