CN102232192A - 用于电阻压降和电源噪声测量的简单而稳定的参考 - Google Patents

Abstract

用于电子电路中的电阻压降和电源噪声测量的装置和方法。在电压要被测量的电路的静止模式期间，在电路中感兴趣的点采样和存储第一电压。随后，电路进入操作模式以及第二电压在相同的感兴趣的点被采样和保持。比较第一和第二电压以及传递相应的电压信号到系统输出。

Description

用于电阻压降和电源噪声测量的简单而稳定的参考

发明领域

本发明涉及电源电压监控，特别地，涉及电阻压降(IR-drop)和电源噪声测量。

背景技术

随着制造技术的进步，位于单芯片上的半导体集成电路(IC)已变得越来越大、越密。由于电源电压的长分布路径(称为电阻压降)可能引起供给到IC的某些装置的电压不足。尤其是当IC在高性能模式下操作的时候，电阻压降就很重要了。

测量电压下降和/或电压偏移是一个非常普通的问题，同时也存在很多解决方案。进一步地，因为IC的芯片面积可能非常大，所以电源电压可以依据测量点来改变。此外，如果在特定操作模式下的功率消耗相对较高，那么电路的阻抗也可以引起本地电源电压的严重下降。除了影响电路的鲁棒性和可靠性的其他原因之外(比如电源噪声，基体噪声，温度，开关动作和时钟占空比)，电压下降也会影响电路操作的鲁棒性。为了检测和稍后处理这些影响，监控和测量装置是已知的，但是在适当测量和监控的可能性上却存在一些局限：为芯片上感兴趣的点提供附加的线以及在芯片的外面执行测量不是所要求的。首先，这会浪费芯片的面积。其次，由于附加的线可拾起测量点上实际不存在的信号。再次，这种附加的线需要附加的外部引脚。而且，构造一个全取模拟到数字的转换器将耗费非常大的IC面积以及引起附加的电能限制。

US2006/0214672公开了第一信号和第二信号的预处理，第一信号代表了被监控电源线的电压，第二信号代表了参考电源线的电压。然后，通过比较器电路比较预处理的第一信号和第二信号。这需要存在参考电压和附加的从电源到比较点的电源线。

WO2006/114724公开了一种具有分布式电源监控系统的集成电路，其中参考电压通过均分低通滤波和D/A转换过滤信号来从本地电源电压提取。

总结现有技术的方法要么是提供具有外部参考电压的比较电路，要么是通过一些诸如均分存在于比较装置附近的本地电源电压的信号处理类型。这些监控类型的缺点在于需要附加的参考信号电源线和/或将本地电源电压与本地电源电压的滤波值进行比较。然而，滤波的电压并不代表提供给电路的电源电压，而是在特定位置由电阻压降减少的电源电压。

发明内容

因此本发明的目的在于提供一种不需要外部参考信号路由的改良的电阻压降监控器。

这个目的通过根据权利要求1的装置加以解决。

因此，用于在电子电路中监控电压的集成电路包括：采样单元、存储单元和比较单元。采样单元配置成在电子电路的第一操作模式期间采样要被监测的电压。存储单元配置成存储代表电压的第一值以及提供第一值给比较单元。在电子电路的第二操作模式期间对应要被监测的电压的第二值随后被提供给比较单元，比较单元配置成比较所述第一值和第二值。

可选地，低通滤波单元可引入到布局中。所述低通滤波器被安排来在基于电压确定所述第二值之前低通滤波电压。

控制单元然后评估比较结果并采取适当的行动，即调整电源或者改变当前电路操作的较不稳固模式的各自的环境。

因此，本发明在电路操作期间并不均分获取的电源电压值，而是公开了当电路在静止状态时存储获得的电源电压值。因此，电源电压参考值并不会因为电阻压降而减少。换句话说，纯的电源电压值被用作了不受噪声和电阻压降影响的参考值，其中，纯的参考值可以是当芯片上没有动作时，要被监控的电源电压的本地电压值。

本发明集成电路的进一步改进还包括通知单元和/或激励单元，用于通知电子电路的操作模式和/或控制电子电路的操作模式，例如，启动和停止电子电路的全局时钟。依据电子电路在不同操作模式下如何被控制，集成电路可对切换的操作模式进行反应或者自主地切换操作模式。启动和停止全局时钟的切换可以例如是以单晶体管来实施。

根据本发明集成电路的进一步改进还包括至少一个独立的电压切分单元或者电压级移动单元，用于切分采样的电压和/或切分监控的电压。通过独立的切分或者移动单元，由比较器单元比较的电压级会比较低，因此使得能够比较电压峰值或者过击穿。进而，通过移动或者切分电压级，可以剩余较多本地电源电压，剩余的本地电源电压可以向比较器供电。

切分单元的一个可能实施例可为本技术领域公知的数字到模拟(D/A)的转换器。D/A转换器通过子切分输入电压限制电压信号传输到比较装置。切分因子可通过独立的控制单元为D/A转换器设置。进而A/D转换器的设置可由外部序列扫描链控制。而且，值得注意的是如果滤波电阻器和电容器构成D/A转换器的元件，那么(低通)滤波单元的功能由D/A转换器的元件实现。因此，在特定的实施例中，切分被监控电压的电压切分单元由D/A转换器实施并且与电容器一起构成低通滤波单元。因此，就可以节约由于额外的低通滤波单元而需要的集成电路的面积。

在集成电路的特定实施例中，第一操作模式为静态模式，第二操作模式为高功耗的操作模式。因此，在静态模式期间采样的参考电压不会由于引入了电阻压降的操作而显著的降低。这使得不仅监控了短期的电压下降，也监控了电源电压的衰减。

在另一实施例中，用于切分采样的电压的切分单元或者电压级移动单元由具有大约相等电容的第一和第二电容器构成。通过分配第一电容器的电荷(即由存储的参考电压产生的电荷给第一和第二电容器两者充电)，剩余的电压大约为原始存储的电压的一半，并生成随后用于比较的合理参考电压。

在优选实施例中，应用集成电路的电子电路是数字CMOS电路中。因此，如果合适，不仅电子电路而且集成电路都可在CMOS电路中实现。本实施例的优点在于低制造成本，低面积消耗和较低的施加到设备上的重量。

本发明的目的进一步地通过监控在根据权利要求10的电子电路中的电压的方法加以解决。

因此，所述方法包括以下步骤：在电子电路的第一操作模式期间，采样电压和存储代表电压的第一值；在电子电路的第二操作模式期间，低通滤波产生第二值的电压；以及将D/A转换器的第二值与存储的第一值进行比较。

该方法的步骤也可以包括切分存储的值和/或切分在电子电路的第二模式下的电压或者第二值。这些附加步骤的优点与以上根据本发明的集成电路的实施例联合描述。

该方法的步骤进一步包括通知电子电路的操作模式和/或改变电子电路的操作模式(例如，启动和停止全局时钟)。

当计算机程序在诸如可编程微控制器或者独立的硬件有线控制电路等的计算机上实现时，先前方法的步骤可以通过包含程序代码装置的计算机程序实现。

本发明进一步扩展为包括先前系统的集成电路。

通过较优实施例的描述结合以下附图的描述，本发明的这些或者其他方面将变得明显。

附图说明

通过参照以下描述的实施例的说明，本发明的以上和其他方面将变得明显。在以下附图中，附图为示意性描述而不是实际的比例，在不同附图中相同的参考数字(如果存在)涉及相应的元件。对本领域技术人员来说，没有背离实质上的发明观点的可替换的但是等价的本发明的实施例是可能的，但是本发明的范围仅由权利要求来限制。

图1示出了用于监控电源电压噪声的现有技术的电路；

图2示出了描述了电源电压噪声、平均的电源电压、D/A转换的电源电压以及由比较器提供的输出信号之间的一致性的时序图；

图3示出了另一现有技术的电路方案；

图4示出了根据本发明的一个实施例的电路方案；

图5示出了描述了根据本发明的实施例的方法步骤的流程图。

具体实施方式

为了帮助理解本发明的操作，现在将详细阐述图1中示出的用于监控电源电压噪声的现有技术电路方案。

低通滤波器2在节点1接收电源电压V_DD作为输入信号，通过低通滤波生成平均电压V_DD，av。该平均信号提供给数字到模拟转换器(DAC)3，该模拟转换器(DAC)3向前地输出对应于平均电压V_DD，av的子切分值的信号V_DAC。DAC的输出信号V_DAC被提供给比较器单元4的第一端子。比较器单元4配置成比较子切分平均电压信号与提供给比较单元4的第二端子的原始电源电压V_DD。通过比较在第一端子和第二端子处的信号，比较器单元4生成一个独立的比较输出信号V_COMP。该比较信号V_COMP可提供给控制单元(未示出)，控制单元使用控制信号控制DAC的设置。DAC可使用连续的近似的技术来操作以生成适当的已解决的平均电源电压V_DD，av的近似值。

基于清楚的目的，图1示出了连接到控制单元的单监控电路。容易理解在集成电路上的每个模块可具有与控制单元通信的独立的监控单元。这意味着控制器可共用于多个DAC，并且与多个DAC的每个通信。例如，通信线可使监控电路彼此连接以形成串联。在串联中的第一和最后的监控电路连接到控制器。该通信线可为如单位线。

图2以时序的形式示出了杂乱的电源电压V_DD，noise、平均的电源电压V_DD，av、DAC输出电压V_DAC以及比较器输出电压V_COMP之间的相关性。从图2中可见，当电源电压V_DD受到瞬间的下降或者切断时，比较信号V_COMP改变，因此指明这个电压下降到了控制单元上。

通过使用平均电源电压V_DD，av作为参考信号，比较信号与电源电压的相对改变有关。这进而消除了对本地准确电源电压测量的需求。在这种情况下，需测量的量为V_DD，noise。这个电压的绝对值并不重要，但是，峰值决定数字电路的可靠性。测量关于杂乱电源电压V_DD，noise的平均值的峰值。在这个例子中，通过简单的由R-C网络构成的低通滤波单元由V_DD，noise获得V_DD，av，虽然可替换的选项也是可行的。

如图2中虚线描述了DAC子切分V_DD，av产生的V_DAC。包括切分比率的DAC操作是在由控制单元(图1中未示出)提供的控制信号DACctrl的控制下完成的。以举例的方式，当期望的电压分辨率在范围10到20mV之间时，DAC可由非常简单的技术R-2R方案构建。比如，对于8比特分辨率来说，由R-2R链构成的电阻器阶梯要求用具有2R的电阻值的9个电阻器和具有R的电阻值的7个电阻器形成。与其它便宜DAC技术相比，这个方案的优点在于具有较高的频率性能。

图3与图1的不同在于图1中的低通滤波单元2的电阻器由使能信号P_on控制的晶体管T₁替代，P_on在附图中可参见为

即P_on的逆值，简单来说意味着信号是低活跃的。如早前所述，图3中图1的DAC3由R-2R网络实现。比较的实际或者瞬时的结果(即比较器单元4的输出)被存储在RS-flip-flop5中。

这些修改使得能够测量电源上的峰值以及地线上和基体端子上的不足-和过-击穿。晶体管T1允许通过信号P_on来使能和限制电阻压降监控器12。换句话说，设置P_on信号为逻辑低(即0V)使能电阻压降监控器12。现在经过的实际的电源电压V_DD为由低通滤波单元2低通滤波的，该低通滤波单元2由T1的源极-漏极电阻器和电容器C组成。因此，电源电压V_DD，noise的平均值随后以R-2R电阻器阶梯3的方式被子切分，这允许在比较器单元4中比较V_DD，noise的部分。RS-flip-flop5存储由比较器单元4输出的比较结果，并在系统输出6处提供结果。RS-flip-flop5还具有电源、接地端子和用于通过外部控制信号(即来自于控制单元，图3中未示出)重置存储的比较结果的重置线。

图4示出了根据本发明的一个实施例的电路布局。外观上为新引入的由晶体管T₄和电容器C₂组成的采样和保持(S/H)单元11。S/H单元11还包括由两个晶体管T₂，T₃和电容器C₃示例性实现的电压切分或者电压级移动单元。晶体管T₂和T₃的源极-漏极路径在节点13和整个电路的接地GND之间串连连接。而且，晶体管T₂和T₃为补充类型，其被在T₂和T₃的栅极端子处的各自相同的控制信号P_on控制，所以如果晶体管T2导通则T₃就没有导通，反之亦然。

S/H单元11连接到节点1作为输入，其中示出了实际的电源电压V_DD。而且，S/H单元11配置成向比较器单元4的负端子提供对应于纯的电源电压V_DD，clean的电压值V_ref，clean。现在将在下文详细地解释S/H单元11。

在节点和S/H单元11的电容器C2之间连接了由控制信号SH_on控制的晶体管T₄，SH_on在图中参考为

即SH_on的逆值，意味着信号也是低活跃的。晶体管T₄的作用基本上是用于运送在节点1处的实际电压到由电容器C₂采样和保持的S/H单元11的开关。稍后将讨论在第一时间点发生的电压的采样和保持。如果控制信号SH_on使能晶体管T₄导通，电容器C₂采集在节点1处的实际或者瞬时的电源电压V_DD值。通过限制晶体管T₄的导通，采样和保持操作将被终止。

然后，通过切换控制信号P_on，存储在电容器C₂上的电荷将从电容器C₂分配到通过晶体管T₃并联连接到C₂的可选的附加的电容器C₃上；不用说，假设晶体管T₃能被当作是关闭的开关。这将在随后讨论的第二时间点发生。

控制信号P_on进一步使能实际的电源电压V_DD以提供给电阻压降监控器。首先，实际的电源电压V_DD被由结合图3已讨论过的低通滤波单元2来低通滤波。通过R-2R的实现方案，实际电源电压V_DD然后施加到DAC，使得实际电源电压V_DD的预确定的部分被施加到比较器单元4上以与参考电压V_Ref，clean比较，所述参考电压V_Ref，clean对应于采样电源电压V_DD的子切分或者级移动值。电压级移动或者子切分的因子由C₂/(C₂+C₃)来预确定。

如结合图3所讨论的，相邻的RS-flip-flop5传递比较结果V_COMP到系统输出6。万一电路不得不简单化和/或者电压过击穿并不是被测量的对象，那么类似R-2R方案3的在S/H单元中的电压切分可简化或者省略。

在先前定义的与电源电压V_DD的采样和保持功能相关的第一时间点中，电子电路的电压在静止状态测量。所以电源电压和噪声(即由于电子电路中的切换操作)的电阻压降可假设为相对低，这个状态可由断开全局时钟来引起。

在当实际的电源电压V_DD被提供给电阻压降监控器时的第二时间点时，电子电路的电源在全操作状态被测量。这个状态可由接通全局时钟来引起。电源电压V_DD上的电阻压降和噪声随后会发生。这样，根据本发明图4的电阻压降监控器使得能够比较原始的电源电压和受电子电路操作影响的电源电压。

下文将解释根据附图4的电路方案的操作的图5。本发明的一个基本的观点在于使用不受噪声和电阻压降影响的纯电源电压V_DD，clean。当芯片上没有大量的动作时，该纯电压V_DD，clean为本地电源电压V_DD。换句话说，通过断开全局时钟CLK，芯片需要进入全静止状态。除了泄漏电流外，这种模式下在芯片上不存在引起电阻压降的大量电流，并且本地V_DD应非常接近于外部电源电压。停止全局时钟CLK并启动电阻压降监控器12能通过几种情况实现：电阻压降监控器12的控制单元14自身停止全局时钟CLK(即当系统启动时)，或者当全局时钟CLK以其他方式被停止时，控制单元14被通知。

在步骤S100的任何一种情况下，全局时钟CLK被停止，引起了电路的静止状态。然后，在步骤S200，通过设置信号SH_on为逻辑0，现在的可用纯电源电压V_DD，clean被采样和存储在电容器C₂中。在步骤S300，信号SH_on设置为1，进而存储最后施加的电压。结果在步骤S400，时钟被使能来启动芯片操作。优选地，芯片工作在最消耗电能的应用中。在这种操作模式下，最大的电源噪声和电阻压降可能会发生。在步骤S500，在全操作下运行芯片之后立即将P_on信号设置为“0”，使晶体管T₁导通。因此，逻辑电源电压被施加到相邻网络段。通过将P_on信号设置为“0”，晶体管T₃与T₁同步导通，并且先前存储在电容器C₂的电荷通过晶体管T₃与电容器C₃共享。合成的参考电压V_REF，clean依据上述电容C₂和C₃的比率。

在步骤S600，合成的电压V_Ref，clean被用作电阻压降监控器的参考，电阻压降监控器将参考电压V_Ref，clean与滤波的电压V_{DD，filtered}的部分进行比较。V_{DD，filtered}电压为已滤波的包括根据本操作模式的电阻压降的本地电源电压V_DD。

在步骤S700，代表参考电压V_Ref，clean和滤波电压V_{DD，filtered}的部分的比较结果的电压在比较器单元4中确定。随后，比较的结果V_COMP被传递到RS Flip-Flop5。在RS Flip-Flop5的输出6，比较结果V_COMP可用临近的控制装置(图4未示出)保持。这些控制装置然后可采取行动来对改变电源电压的条件进行反应或者通知减少电路当前正操作的操作模式的鲁棒性和/或者可靠性的各个装置。

电阻压降监控器12现在继续监控纯参考电压V_Ref，clean与滤波电压V_{DD， filtered}的部分之间的不同。只要存储的参考电压V_REF，clean没有显著减小，那么仍然可用作参考值，不必采样新的参考电压V_REF，clean。步骤S600的操作可继续。万一参考电压V_REF，clean需要刷新或者即芯片再次由于其它原因被置为静止状态，在步骤800，信号P_on被设为“1”，下一操作周期从步骤S100开始。

应该理解，在没有背离本发明的范围内，几个步骤和元件可以交替地排列，被实施，被结合或者被分开。例如R-2R的方案可被其它适合的无源电阻器方案或者级移动器代替。同样，采样和保持布局11的其它实施例也是可行的。切分或者级移动装置3与低通滤波装置2的顺序可以切换。

虽然本发明已经由附图和先前的描述被详细的解释和描述，但是这种解释和描述仅考虑为示意性的而非是限制；本发明不局限于公开的实施例。

通过学习附图、公开的内容和附加的权利要求，本领域的技术人员在实施所述的本发明中能理解和实现已公开实施例的其它变形。

在权利要求中，单词“Comprising”不排除其它的元件或者步骤，不定冠词“a”或者“an”不排除多个。单个...或者其它单元可满足权利要求中引用的几个项的功能。在互不相同的从属权利要求中引用的特定的特征并不暗示着这些特征的组合不能够用于本发明的优点。

计算机程序能被存储/分配到合适的介质上，比如光存储介质或者与固体存储介质一起或者其它硬件的部分，但是也可以其它形式分配，比如通过网络或者其它有线或者无线的通信系统。

权利要求中任何一个参考标号不解释于限制范围。

Claims (15)

1.一种用于监控电子电路的电压的集成电路，所述集成电路包括：

至少一个采样单元；

至少一个存储单元；

至少一个比较器单元；

所述采样单元配置成在电子电路的第一操作模式期间采样电压，所述存储单元配置成存储代表电压的第一值；

比较单元配置成比较代表电子电路第二操作模式期间的电压的第二值和在电子电路的第二操作模式期间的第一值。

2.根据权利要求1所述的集成电路，还包括至少一个低通滤波器单元，用于在第二值代表之前低通滤波所述第二电压。

3.根据权利要求1或2所述的集成电路，还包括通知单元和/或激励单元，用于通知电子电路的操作模式和/或通过启动和停止电子电路的全局时钟来控制电子电路的操作模式。

4.根据权利要求3所述的集成电路，其中激励单元包括晶体管。

5.根据前述任一权利要求所述的集成电路，还包括至少一个电压切分器或级移动器，用于切分采样的电压和/或监控的电压。

6.根据权利要求5所述的集成电路，其中，用于切分被监控电压的切分器由D/A转换器实现，所述D/A转换器包括除形成低通滤波单元的电阻器和电容器之外的其它元件。

7.根据前述任一权利要求所述的集成电路，还包括至少控制一个集成电路的操作的控制器。

8.根据前述任一权利要求所述的集成电路，其中，第一模式是静止模式，第二模式是高功耗操作模式。

9.根据前述任一权利要求所述的集成电路，其中，在采样和保持单元中的至少两个电容器具有大致相同的电容值。

10.根据前述任一权利要求所述的集成电路，其中，应用装置/方法的网络是CMOS网络。

11.一种在电子电路中监控电压的方法，所述方法包括步骤：

在电子电路的第一操作模式期间采样电压和存储代表所述电压的第一值；

在电子电路的第二操作模式期间获取代表第二电压的第二值；

比较第二值和存储的第一值。

12.根据权利要求11所述的方法，其中第二电压在获取所述第二值之前被低通滤波。

13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括步骤：切分存储的值和/或切分在电子电路的第二操作模式期间的电压或者第二值。

14.根据权利要求11至13之一所述的方法，还包括步骤：通知电子电路的模式和/或通过启动和停止全局时钟改变电子电路的模式。

15.一种包含程序代码的计算机程序，当所述计算机程序在计算机上执行时，其使计算机执行如权利要求11至14之一所述的方法步骤。

Images