CN111752329A - 用于集成电路的反向偏置调节系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于集成电路的反向偏置调节系统和方法。调节系统和方法使用第一调节器和跟踪第二调节器。所述第一调节器接收参考电压并基于所述参考电压生成第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第一负载区。所述第一调节器还接收所述第一电压输出的采样版本作为反馈。第二调节器接收所述第一采样的电压输出并生成第二电压输出。所述第二调节器还接收所述第二电压输出的采样版本作为反馈。在操作期间，所述第二电压输出跟踪(例如，以对称比率)所述第一电压输出并作为反向偏置电压耦合到所述集成电路内的第二负载区。另外，可实施开关电容器操作，且可基于所述第一采样的电压输出调整时钟频率以降低功耗。

Description

用于集成电路的反向偏置调节系统和方法
技术领域
此技术领域涉及用于集成电路的反向偏置调节器。
背景技术
许多当前的电子产品依赖于一个或多个集成电路(IC)的低功率或电池供电操作。这些集成电路可用于各种低功耗/电池供电的应用，包括例如绝缘体上硅(SOI)技术解决方案，多核微控制器或其它低功耗/电池供电应用。通常，一些处理核心具有高性能和高功率操作要求，而其它核心具有较低的性能，具有低功率操作要求或极低功率操作要求。SOI技术为每种情况提供专用装置选项。高性能核心采用LVT(低阈值电压)装置实施，且低功率核心使用RVT(常规阈值电压)装置实施。
对于LVT装置和RVT装置两者，使用反向偏压(BB)技术来调整RVT核心或LVT核心的性能与功率之间的折衷。这种折衷是基于特定核心是在高性能模式中还是在低功率模式中操作而调整。RVT装置支持各种逆反向偏压(RBB)电压，其允许在给定性能成本下显著降低功耗。LVT装置支持各种正反向偏压(FBB)电压，其允许在给定功率成本下提高性能。在两种情况下，BB电压电平可设置成超出IC的供电轨。因此，负电压电荷泵(NCP)用于将BB电压电平移动到低压供电轨电压以下，并且正电压电荷泵(PCP)用于将BB电压电平移动到高压供电轨电压以上。
然而，现有的BB解决方案存在各种问题，包括需要外部电容器。例如，由于需要额外的分立组件和封装引脚来实施外部电容器，因此对外部电容器的需求导致系统成本的增加。另外，通常实施两种不同的和专用电路解决方案，一种用于偏置RVT核心，且另一种用于偏置LVT核心。此外，通常必须在反向偏置电平转换期间停止逻辑处理，因为在此类转换期间RVT核心和LVT核心的不同阱电压不够对称。因此，逻辑处理中的这种停止需要支持逻辑活动而没有时序违规的风险。然而，这种停止和重新开始逻辑处理会导致功耗增加和处理延迟。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种用于集成电路的电压调节系统，包括：
第一调节器，其具有参考电压作为输入且具有第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到所述集成电路内的第一负载区，所述第一电压输出是基于所述参考电压和第一采样的电压输出；
第一采样器，其用于所述第一调节器，所述第一调节器被耦合成接收所述第一电压输出且提供所述第一采样的电压输出作为所述第一调节器的反馈；
第二调节器，其具有所述第一采样的电压输出作为输入且具有第二电压输出，所述第二电压输出作为反向偏置电压耦合到所述集成电路内的第二负载区，所述第二电压输出跟踪所述第一电压输出且是基于所述第一采样的电压输出和第二采样的电压输出；以及
第二采样器，其用于所述第二调节器，所述第二调节器被耦合成接收所述第二电压输出且提供所述第二采样的电压输出作为所述第二调节器的反馈。
在一个或多个实施例中，所述第一采样器和所述第二采样器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作。
在一个或多个实施例中，所述时钟信号具有基于所述第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
在一个或多个实施例中，所述可变频率在所述第一采样的电压输出下降到所述参考电压以下时增大且在所述第一采样的电压输出上升到所述参考电压以上时减小。
在一个或多个实施例中，所述集成电路包括半导体衬底，其中所述第一负载区包括所述半导体衬底内的第一掺杂剂类型的阱，且其中所述第二负载区包括所述半导体衬底内的第二掺杂剂类型的阱。
在一个或多个实施例中，所述第二调节器被耦合成通过分压器接收所述第一采样的电压输出，所述分压器使所述第二电压输出以对称比率跟踪所述第一电压输出。
在一个或多个实施例中，所述分压器是可编程的。
在一个或多个实施例中，所述分压器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作，且其中所述时钟信号具有基于所述第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
在一个或多个实施例中，所述第一调节器包括第一比较器，所述第一比较器具有所述参考电压和所述第一采样的电压输出作为输入，且具有耦合到第一电荷泵的第一输出，且其中所述第二调节器包括第二比较器，所述第二比较器具有所述第一采样的电压输出和所述第二的采样电压输出作为输入且具有耦合到第二电荷泵的第二输出。
根据本发明的第二方面，提供一种集成电路，包括：
第一负载区，其在半导体衬底内，具有第一掺杂剂类型；
第二负载区，其在所述半导体衬底内，具有第二掺杂剂类型；
电压调节系统，其包括：
第一调节器，其具有参考电压作为输入且具有第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到所述第一负载区，所述第一电压输出是基于所述参考电压和第一采样的电压输出；
第一采样器，其用于所述第一调节器，所述第一调节器被耦合成接收所述第一电压输出且提供所述第一采样的电压输出作为所述第一调节器的反馈；
第二调节器，其具有所述第一采样的电压输出作为输入且具有第二电压输出，所述第二电压输出作为反向偏置电压耦合到所述第二负载区，所述第二电压输出跟踪所述第一电压输出且是基于所述第一采样的电压输出和第二采样的电压输出；以及
第二采样器，其用于所述第二调节器，所述第二调节器被耦合成接收所述第二电压输出且提供所述第二采样的电压输出作为所述第二调节器的反馈。
在一个或多个实施例中，所述第一采样器和所述第二采样器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作。
在一个或多个实施例中，所述时钟信号具有基于所述第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
在一个或多个实施例中，所述第二调节器包括分压器，所述分压器被耦合成接收所述第一电压输出，所述分压器使所述第二电压输出以对称比率跟踪所述第一电压输出。
在一个或多个实施例中，所述分压器是可编程的，其中所述分压器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作，且其中所述时钟信号具有基于所述第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
根据本发明的第三方面，提供一种方法，包括：
利用集成电路内的第一调节器，
接收参考电压作为输入；
基于所述参考电压和第一采样的电压输出生成第一电压输出；
将所述第一电压输出作为反向偏置电压施加到所述集成电路内的第一负载区；以及
对所述第一电压输出进行采样以提供所述第一采样的电压输出作为所述第一调节器的反馈；以及
利用所述集成电路内的第二调节器，
接收所述第一采样的电压输出作为输入；
生成第二电压输出，其跟踪所述第一电压输出且是基于所述第一采样的电压输出和第二采样的电压输出；
将所述第二电压输出作为反向偏置电压施加到所述集成电路内的第二负载区；以及
对所述第二电压输出进行采样以提供所述第二采样的电压输出作为所述第二调节器的反馈。
在一个或多个实施例中，采样包括利用时钟信号控制耦合到电容器的开关以提供开关电容器操作。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括基于所述第一采样的电压输出使用于所述时钟信号的频率变化以降低功耗。
在一个或多个实施例中，所述变化包括当所述第一采样的电压输出下降到所述参考电压以下时增大所述频率且当所述第一采样的电压输出上升到所述参考电压以上时减小所述频率。
在一个或多个实施例中，所述方法进一步包括利用所述第二调节器以对称比率调整所述第一采样的电压输出，作为所述第二电压输出的所述生成的部分。
在一个或多个实施例中，所述调整包括利用时钟信号控制耦合到电容器的开关以提供开关电容器操作，并且进一步包括基于所述第一采样的电压输出使用于所述时钟信号的频率变化以降低功耗。
本发明的这些和其它方面将根据下文中所描述的实施例显而易见，且参考这些实施例予以阐明。
附图说明
应注意，附图仅说明示例实施例并且因此不认为限制本发明的范围。为简单和清晰起见，示出图中的元件，并且这些元件未必按比例绘制。
图1是包括调节系统的集成电路的示例实施例的框图，所述调节系统具有跟踪第一调节器的第二调节器，用于对集成电路内的阱的反向偏置。
图2提供用于图1的第一调节器的操作的定时和控制信号的示例实施例。
图3A和3B提供图1中的采样器和分压器的开关电容器电路和定时信号的示例实施例。
图4提供使用图1的第一调节器的参考电压与采样的电压输出之间的比较来控制开关电容器操作的时钟频率的示例实施例。
图5是使用跟踪第一调节器的第二调节器提供对集成电路的不同阱的反向偏置的示例实施例的过程图。
具体实施方式
公开用于集成电路的反向偏置调节系统和相关方法。第一调节器接收参考电压作为输入并生成第一电压输出。第一电压输出是基于参考电压且作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第一负载区(例如，P阱)。所述第一调节器还接收所述第一电压输出的采样版本作为反馈。第二调节器接收所述第一电压输出并生成第二电压输出。所述第二调节器还接收所述第二电压输出的采样版本作为反馈。在操作期间，第二电压输出跟踪第一电压输出且作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第二负载区(例如，N阱)。可控制跟踪，使得第二电压输出与第一电压输出以对称比率相关。另外，开关电容器操作可实施且受时钟信号控制，且时钟信号可实施为具有可编程频率。此外，时钟信号的此可变频率可基于第一采样的电压输出变化以降低功耗。可实施各种额外或不同特征和变化。
对于一个示例实施例，公开LVT(低阈值电压)核心和RVT(常规阈值电压)核心的反向偏置电路，其不需要外部电容器或专用封装引脚。另外，采用可通过可编程参考电压针对不同操作模式配置的电路架构。举例来说，在第一配置中，LVT核心被偏置成用于高性能模式，且在第二配置中，RVT核心被偏置成处于低功率模式。此外，阱电压在反向偏置电平转换期间保持对称以支持不间断的逻辑处理。
对于一个示例实施例，提供一种可与例如SOI技术一起使用的反向偏置调节系统。SOI技术包括形成于绝缘材料的一个或多个层上的硅衬底。不同掺杂剂类型的阱可形成于半导体衬底内。举例来说，可形成具有p型掺杂剂的P阱，并且可形成具有n型掺杂剂的N阱。例如RVT核心和LVT核心的电路可形成于半导体衬底的不同阱内。反向偏置调节系统包括两个调节器，一个偏置P阱负载区且一个偏置N阱负载区。这些调节器支持适用于RVT和LVT装置的宽范围且优选地所有范围的反向偏压。每个调节器包括比较器、电荷泵和输出放电电路。第一调节器使其输出匹配可编程输入参考。第二调节器使其输出跟踪乘以或调整可编程因子(例如，对称比率)的第一调节器的输出电平。即使在电平转换期间，此输出跟踪也使不同的阱电压根据编程的对称比率保持对称。这些电平转换包括在启用和停用输入参考改变以及其它电平转换之后的转换。可编程电压参考生成器为第一个调节器生成输入参考电压，且额外电路根据对称比率对调节器输出进行采样，以向第二调节器提供电压输入。另外，对称比率可被编程成期望值。
对于一个实施例，电压调节系统的电路元件具有输入时钟信号且在开关电容器模式中操作。因此，总功耗大致与驱动开关电容器操作的内部时钟信号的频率成比例。振荡器生成内部时钟信号，其具有可在宽范围值的范围内调整的频率。还包括控制逻辑以自动调整内部时钟频率。举例来说，内部时钟频率可基于来自第一调节器的电压输出而自动调整，以降低功耗。举例来说，可将时钟频率调整到保持适当操作所需的最小值(例如，将输出纹波保持在指定限制内)。自动调整允许在各种不同负载情况下达到最小功耗。还可实施其它变化形式。
现关于图式更详细地描述反向偏置调节系统和方法。
图1是包括调节系统102的集成电路100的示例实施例的框图。调节系统102包括第一调节器110和第二调节器130。第一调节器110驱动集成电路100的负载104内的P阱105，且第二调节器130驱动集成电路100的负载104内的N阱106。第一调节器110和第二调节器130可利用耦合到开关的电容器实施，所述开关受时钟信号156控制以提供开关电容器操作。另外，集成电路100可包括半导体衬底，例如形成于一个或多个绝缘层上的半导体衬底。调节系统102和负载104可形成于半导体衬底中。对于另外实施例，一个或多个LVT核心107和RVT核心108可最终形成于P阱105和N阱106内的部分上。其它电路也可形成为调节系统102的部分，负载104，或形成为集成电路100的部分。
对于其中LVT核心107和RVT核心108形成于P阱105和N阱106内的实施例，应注意，这些核心107/108通常将包括形成于两个阱105/106的电路中，如由核心107/108之间的箭头所表示。举例来说，RVT核心108的逻辑电路常常具有形成于P阱105内的NMOS(n沟道金属氧化物半导体)晶体管和形成于N阱106内的PMOS(p沟道金属氧化物半导体)晶体管。LVT核心107的逻辑电路常常具有形成于P阱105内的PMOS晶体管和形成于N阱106内的NMOS晶体管。还应注意，P阱105和N阱106通常将具有不同阱区，其可分别被单独地偏置，如由P阱105和N阱106内的虚线指示。举例来说，可针对第一操作模式(例如，高性能模式)耦合第一调节器110以偏置LVT核心107中的PMOS晶体管的第一P阱区160，且可针对第二操作模式(例如，低功率模式)耦合第一调节器110以偏置RVT核心108中的NMOS晶体管的第二P阱区162。类似地，可针对第一操作模式(例如，高性能模式)耦合第二调节器130以偏置LVT核心107中的NMOS晶体管的第一N阱区164，且可针对第二操作模式(例如，低功率模式)耦合第二调节器130以偏置RVT核心108中的PMOS晶体管的第二N阱区域166。对于一个实施例，可通过操作耦合于调节器110/130与阱105/106内的区之间的一个或多个开关或复用器来选择被偏置的阱区。举例来说，可选择第一调节器110来偏置区160或区162，但不同时偏置这两者，且可选择第二调节器130来偏置区164或区166，但不同时偏置这两者。另外，如本文中所描述，第一调节器110和第二调节器130可被配置用于使用控制信号111、128和129的不同操作模式的不同操作范围。还可实施其它变化形式。
对于一个实施例，调节器110/130的瞬时响应和功耗是频率依赖式的。第一调节器110使用电压参考生成器112来向比较器114提供输入参考电压113。第二调节器130使用来自第一调节器110的输出的采样的电压输出123来通过比率选择器电路132生成到比较器134的输出参考。比率选择器电路132可以是例如可编程的分压器。此配置使第二调节器130用作追踪器调节器且使对称成为可能。在操作中，追踪器调节器配置不仅在稳定状态(例如，处于编程的电平)下且还在由对参考电压113进行调整所引起的输出电压转换期间保证调节器输出119/139之间成比例的对称比率。
对于开关电容器操作，调节器110/130的内部电路由振荡器系统150生成的时钟信号156同步。振荡器系统150包括振荡器154和自适应控制器(ADP)152。时钟信号156的频率受自适应控制器152控制。对于一个实施例，自适应控制器152通过根据负载行为调整消耗与输出纹波量值之间的折衷来增大或减小时钟信号156的频率以降低功耗。具有自适应频率控制的此开关电容器实施方案改善且优选地优化了功耗。
第一调节器110包括具有锁存的输出115的比较器114、参考生成器112、对电压输出119进行采样的采样器122，和输出级116。输出级116包括负电荷泵118和负耐受电流源，用作放电电路120以对电压输出119放电。电压参考生成器112生成用于比较器114的参考电压113。用于参考电压113的电压电平可通过由电压参考生成器112接收的控制信号111编程。来自采样器122的采样的电压输出123提供也由比较器114接收的反馈信号。比较器114比较参考电压113与采样的电压输出123，以生成输出115，其被提供到负电荷泵118作为泵控制信号。如上文所指示，可使用耦合到开关的电容器实施第一调节器110，所述开关受时钟信号156控制以提供开关电容器(SC)操作。此开关电容器操作和架构有助于降低功耗和低功率操作。
第二调节器130包括具有锁存的输出135的比较器134、感测电压输出139的采样器142，和输出级136。输出级136包括正电荷泵138和高电压耐受电流源，用作放电电路140以对电压输出139放电。还提供可实施为分压器的两个比率选择器电路131/132，以通过可编程因子缩放来自取样器122/142的输出，以允许成比例的跟踪电压调节。可通过控制信号128/129控制可编程因子。在操作中，可编程分压器131/132用以帮助保持N阱反向偏置电压输出139与P阱反向偏置电压输出119之间成比例的对称比率。此对称比率在开启/关断转换期间也保持。通过可编程分压器131的来自采样器142的采样的电压输出143提供由比较器134接收的反馈信号。比较器134比较来自分压器132的缩放的输出和来自分压器131的缩放的输出，以生成输出135，其作为泵控制信号提供到正电荷泵138。如上文所指示，可使用耦合到开关的电容器实施第二调节器130，所述开关受时钟信号156控制以提供开关电容器(SC)操作。此开关电容器操作和架构有助于降低功耗和低功率操作。
对于图1的示例实施例，提供P阱反向偏置电压输出119的第一调节器110充当主调节器。提供N阱反向偏置电压输出139的第二调节器130充当追踪器调节器。替代地，N阱反向偏置调节器130可实施为主调节器，且P阱反向偏置调节器110可实施为追踪器调节器。还可实施其它变化形式。
图2是用于第一调节器110的操作的定时和控制信号的示例实施例200。这些信号包括时钟信号156、启用信号202、采样和保持(S/H)信号204、锁存信号206，和电荷泵启用信号208。在关于图1的第一调节器110的操作期间，电压参考生成器112针对时钟信号156的每半个循环生成参考电压113。连同此参考电压113一起，比较器114还接收由采样器122在先前循环期间所获得的采样的电压输出123，其由S/H信号206启用/停用。启用信号202可提供到参考生成器112和比较器114以实现这些电路的操作。另外，参考生成器112和采样器122的电路可实施为开关电容器电路，其以相同输出电容实施以抵消寄生电容效应。采样的电压输出123具有与电压输出119相同的量值，但具有正号，因为电压输出119是P阱105的负反向偏置电压。基于启用信号202，还启用比较器114并比较两个信号113/123。在由比较时段210表示的偏置稳定时间之后，确证锁存信号206(例如，当低逻辑电平时确证)。接着在锁存获取时段212期间将输出状态存储在锁存器中。接着通过启用信号202的转换来关断比较器114。此转换还将参考生成器112和采样器122移动到再充电/采样器相位。紧接在锁存之后，可通过泵启用信号208启用负电荷泵118的电荷泵时钟。取决于锁存的结果，接着视需要将电荷转移到输出119。
在操作期间，第二调节器130充当追踪器调节器且使用与针对图2中的第一调节器110所示出的定时和控制信号类似的定时和控制信号。如图1中所示出，与第一调节器110的电压输出119相关联的采样的电压输出123充当第二调节器130的输入参考电压。将电压输出139的采样的电压输出143与采样的电压输出123比较。由于N阱106的反向偏置的电压输出139和P阱105的反向偏置的电压输出119可具有不同输出电平，因此在使用可编程分压器131/132进行比较之前使采样的电压输出123/143均等。此外，当比较完成时采样器122/142可以相同输出电容实施以抵消寄生效应。同样，应注意，第二调节器130的采样器142、比较器134和电荷泵138的操作的定时类似于图2中所示出的第一调节器110中的类似电路的定时。
图3A和3B提供采样器142和分压器131的电路和定时信号的示例实施例。应注意，可使用与针对采样器142所示出的电路类似的电路来实施采样器122。还应注意，可使用与分压器131所示的电路类似的电路来实施分压器132。
如图3A的实施例300中所示出，可利用电容器CSAMP和开关SW1、SW2和SW3实施采样器142。开关SW1耦合到电压输出139(例如，指示为V1)，且开关SW2耦合到偏移电压V2。开关SW3用以下移采样的电压，使得其在采样操作之间称为Vss(例如，接地)。采样的电压是电压V1与电压V2之间的差值(例如，Vsample＝V1-V2)。在采样期间，开关SW2/SW1闭合且开关SW3断开。在采样之后，开关SW2/SW1断开且开关SW3闭合，以使此采样的电压称为Vss(例如，电平移位操作)。这允许相对于Vss进行以下操作(例如，分压和电压比较)。接着使用开关SW4将采样的电压输出143转移到分压器131。使用开关SW5以实现分压，其由包括放电电容器CD1、CD2……CDN的电容器阵列提供。通过开关SWS0、SWS1……SWSN选择这些电容器以包括在分压器操作中或从分压器操作中排除。开关SW6用以在比较器循环之间将分压器131的内部节点重置到Vss。在操作期间，采样并且按比例缩小的电压被提供为节点302上的输出电压，并且节点302被耦合到图1中所示出的比较器134的输入。
如图3B的实施例350中所示出，相位定时信号PH1、PH2和PH3可用以控制采样器142和分压器131中的开关。定时信号PH1/PH2/PH3基于时钟信号156并提供非重叠特性以避免在处理期间的信号损耗。因此，对于其中时钟信号156是可编程的或以其它方式调整的实施例，定时信号PH1/PH2/PH3将连同时钟信号156一起改变。对于图3A到图3B中所示出的示例实施例，定时信号PH1控制开关SW1/SW2，所述开关SW1/SW2当PH1是高电压电平时“接通”且当PH1是低逻辑电平时“断开”。定时信号PH2控制开关SW3/SW4，所述开关SW3/SW4当PH2是高电压电平时“接通”且当PH2是低逻辑电平时“断开”。定时信号PH2还控制开关SW6，所述开关SW6当PH2是高电压电平时“断开”且当PH2是低逻辑电平时“接通”。定时信号PH3控制开关SW5，所述开关SW5当PH3是高电压电平时“接通”且当PH3是低逻辑电平时“断开”。另外，对于图3B中所示出的示例实施例350，应注意，从时间T1到时间T2、从时间T2到时间T3和从时间T5到时间T6的时间段表示时钟信号156的一个循环。
在操作期间，当PH1为高时，开关SW1和SW2“接通”且对电压输出139进行采样(例如，如电压V1减去偏置电压V2)。在时间T1处，PH1被设置成低，以“关断”两个开关SW1/SW2。在时间T2处，PH2被设置成高，以“打开”两个开关SW3/SW4并“关断”开关SW6。在时间T3处，PH3被设置成高，开关SW5“打开”，以将所选放电电容器(CD1、CD2……CDN)连接到输出节点(VSMPL)，作为节点302上的输出电压。放电电容器(CD1、CD2……CDN)通过期望因子(K)执行电容分压，以减小输出电压(例如，K(V1-V2))。如上文所指示，电压减少取决于通过开关SWS0、SWS1……SWSN选择的放电电容的量。这些电容器选择开关例如可受图1中所示出的控制信号128控制。在时间T4处，PH3被设置成低且开关SW5“关断”。缩小的输出电压有效地存储在输出节点302上。输出电容变得等于采样器142的输出电容器。在时间T5处，开关SW6“打开”且开关SW3/SW4“关断”，以完成保持相位。在时间T6处，采样器返回到采样循环。
在完成电压采样和分压的同时启用比较器114/134以比较输入信号。在比较稳定之后，锁存输出状态并关断比较器114/134，同时将采样器122/142移动到采样相位中。紧接在锁存之后，可根据锁存的结果启用电荷泵118/138的泵时钟，以将电荷转移到电压输出119/139。
在集成电路100的停用状态期间，“关断”第一调节器110内的电路，被“打开”的放电电路120除外。P阱105接着开始以恒定电流放电。第二调节器130保持“接通”，以控制N阱106上的放电，从而保持N阱和P阱电压输出119/139彼此成比例。当放电结束且停用事件结束时放电电路120发送握手信号。放电电路140用以对电压输出139放电。
对于一个实施例，还提供功耗控制。在每个电荷泵转移循环中移动到上的输出电容(C)的一定量的电荷(Qi)引起电压变化(ΔV)，如以下等式1中所示出。阱电压通过漏电流(Ilkg)放电，且以下等式2中示出放电时间(Tdschg)、先前电荷转移中所存储的电压。
Figure BDA0002011855750000131
Figure BDA0002011855750000132
图4提供使用参考电压(Vref)113与采样的电压输出123之间的比较来控制开关电容器操作的时钟频率的示例实施例400。作为开关调节控制环路的一部分，在每个时钟切换上执行此比较。举例来说，比较器114可受时钟信号156控制，且来自比较器114的锁存的输出115表示采样的电压输出123与参考电压(Vref)113之间的差值。如本文所描述，开关电容器实施例的电路消耗是时钟频率依赖式的。一旦采样的电压输出123漂移到参考电压113以下，系统可能需要长达半个时钟循环来反应并触发电荷泵事件。举例来说，在快速时钟402的情况下，在较早时间(t1)处检测到此事件，其中采样的输出123变得小于参考电压(Vref)113。对于慢速时钟404，在稍后时间(t2)处检测到此事件，其中采样的电压输出123已落到参考电压113以下。因此，慢速时钟404产生输出电压下冲，其与时钟周期成比例。因此，为了将功耗降至最低，时钟频率优选地保持在可能的最小值附近，对于所述最小值，电压下冲仍然落在容许限度内。举例来说，如果额外纹波406是可允许的，那么慢速时钟404是可接受的，并且与例如快速时钟402的高频时钟相比可用于降低功耗。
主要调节器活动可用以调整时钟频率。举例来说，来自第一调节器110的比较器114的锁存输出115可以提供给图1中的自适应控制器152。自适应控制器152可接着将控制信号153提供到振荡器154以使时钟信号156的频率变化。可以使用各种频率控制算法，并且可以基于技术实施方案，负载特性或其它因素来选择各种频率控制算法。算法的一个例子是每当新的比较结果发生或不触发电荷泵事件时增大(例如，加倍)或减小(例如，减半)时钟频率。举例来说，在通过将采样电压输出123下降到参考电压113以下而触发电荷泵事件的情况下，可以增大(例如，加倍)时钟速率。在通过使采样的电压输出123保持在参考电压113以上而未触发电荷泵事件的情况下，可以减小(例如，减半)时钟速率。这些调整可在调节系统的操作期间继续。还应注意，固定时钟速率也可用于一些实施例。举例来说，在总是需要快速反应而不限制功耗的情况下，调节系统102可被配置成以固定的操作频率操作，例如最大操作频率。还可实施其它变化和算法。
图5是使用跟踪第一调节器的第二调节器提供对集成电路的不同阱的反向偏置的示例实施例500的过程图。虚线502内的框表示由图1中的第一调节器110执行的操作，且具有虚线510的框表示由图1中的第二调节器130执行的操作。首先参见框504，参考电压113由第一调节器110接收。在框506中，第一电压输出119由第一调节器110基于参考电压113生成。在框508中，第一调节器110将第一电压输出作为反向偏置电压施加到集成电路100内的第一负载区(例如，P阱或N阱)105。在框512中，第一电压输出119由第二调节器130例如通过采样器122接收。在框514中，第二电压输出139由第二调节器130生成，且此第二电压输出139跟踪第一电压输出119。在框516中，第二调节器130将第二电压输出139作为反向偏置电压施加到集成电路内的第二负载区(例如，N阱或P阱)。
如本文所述，可实施多种实施例并且视需要可实施不同特征和变化形式。
对于一个实施例，公开一种用于集成电路的电压调节系统，其包括第一调节器、用于第一调节器的第一采样器、第二调节器和用于第二调节器的第二采样器。第一调节器具有参考电压作为输入且具有第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第一负载区，且第一电压输出是基于参考电压和第一采样的电压输出。第一采样器被耦合成接收第一电压输出且提供第一采样的电压输出作为第一调节器的反馈。第二调节器具有第一采样的电压输出作为输入且具有第二电压输出，所述第二电压输出作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第二负载区，且第二电压输出跟踪第一电压输出且是基于第一采样的电压输出和第二采样的电压输出。第二采样器被耦合成接收第二电压输出且提供第二采样的电压输出作为第二调节器的反馈。
在额外实施例中，第一采样器和第二采样器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作。在另外的实施例中，时钟信号具有基于第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。在又另外的实施例中，可变频率在第一采样的电压输出下降到参考电压以下时增大且在第一采样的电压输出上升到参考电压以上时减小。
在额外实施例中，集成电路包括半导体衬底；第一负载区包括半导体衬底内的第一掺杂剂类型的阱；以及第二负载区包括半导体衬底内第二掺杂剂类型的阱。
在额外实施例中，第二调节器被耦合成通过分压器接收第一采样的电压输出，且分压器使第二电压输出以对称比率跟踪第一电压输出。在另外的实施例中，分压器是可编程的。在又另外的实施例中，分压器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作，且时钟信号具有基于第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
在额外实施例中，第一调节器包括第一比较器，其具有参考电压和第一采样的电压输出作为输入且具有耦合到第一电荷泵的第一输出。此外，第二调节器包括第二比较器，其具有第一采样的电压输出和第二采样的电压输出作为输入且具有耦合到第二电荷泵的第二输出。
对于一个实施例，公开一种集成电路，包括半导体衬底内具有第一掺杂剂类型的第一负载区、半导体衬底内具有第二掺杂剂类型的第二负载区，和电压调节系统。电压调节系统包括第一调节器、用于第一调节器的第一采样器、第二调节器和用于第二调节器的第二采样器。第一调节器具有参考电压作为输入且具有第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第一负载区，且第一电压输出是基于参考电压和第一采样的电压输出。第一采样器被耦合成接收第一电压输出且提供第一采样的电压输出作为第一调节器的反馈。第二调节器具有第一采样的电压输出作为输入且具有第二电压输出，所述第二电压输出作为反向偏置电压耦合到集成电路内的第二负载区，且第二电压输出跟踪第一电压输出且是基于第一采样的电压输出和第二采样的电压输出。第二采样器被耦合成接收第二电压输出且提供第二采样的电压输出作为第二调节器的反馈。
在额外实施例中，第一采样器和第二采样器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作。在另外的实施例中，时钟信号具有基于第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
在额外实施例中，第二调节器包括分压器，其被耦合成接收第一电压输出，且分压器使第二电压输出以对称比率跟踪第一电压输出。在另外的实施例中，分压器是可编程的；分压器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作；以及时钟信号具有基于第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
对于一个实施例，公开一种用于集成电路内第一调节器和第二跟踪调节器的方法。在第一调节器的情况下，方法包括接收参考电压作为输入，基于参考电压和第一采样的电压输出生成第一电压输出，将第一电压输出作为反向偏置电压施加到集成电路内的第一负载区，且对第一电压输出进行采样以提供第一采样的电压输出作为第一调节器的反馈。在第二调节器的情况下，方法包括接收第一采样的电压输出作为输入，生成跟踪第一电压输出且基于第一采样的电压输出和第二采样的电压输出的第二电压输出，将第二电压输出作为反向偏置电压施加到集成电路内的第二负载区，且对第二电压输出进行采样以提供第二采样的电压输出作为第二调节器的反馈。
在额外实施例中，采样包括利用时钟信号控制耦合到电容器的开关来提供开关电容器操作。在另外的实施例中，方法还包括基于第一采样的电压输出使时钟信号的频率变化，以降低功耗。在又另外的实施例中，变化包括当第一采样的电压输出下降到参考电压以下时增大频率且当第一采样的电压输出上升到参考电压以上时减小频率。
在额外实施例中，方法还包括利用第二调节器以对称比率调整第一采样的电压输出，作为第二电压输出的生成的部分。在另外的实施例中，调整包括利用时钟信号控制耦合到电容器的开关以提供开关电容器操作，且方法还包括基于第一采样的电压输出使时钟信号的频率变化，以降低功耗。
还应注意，可使用硬件、软件或硬件与软件的组合来实施本文中所描述的功能块、组件、系统、装置或电路。举例来说，可使用一个或多个集成电路来实施所公开的实施例，所述一个或多个集成电路被编程成执行本文中针对所公开的实施例所描述的功能、任务、方法、动作或其它操作特征。一个或多个集成电路可包括例如一个或多个处理器或可配置的逻辑装置(CLD)，或其组合。一个或多个处理器可以是例如一个或多个中央处理单元(CPU)、控制器、微控制器、微处理器、硬件加速器、ASIC(专用集成电路)，或其它集成处理装置。一个或多个CLD可以是例如一个或多个CPLD(复杂可编程逻辑装置)、FPGA(现场可编程门阵列)、PLA(可编程逻辑阵列)、可重新配置的逻辑电路，或其它集成的逻辑装置。另外，包括一个或多个处理器的集成电路可被编程成执行软件、固件、代码或其它程序指令，所述其它程序指令体现于一个或多个非暂时性有形计算机可读媒体中，以执行本文中针对所公开的实施例所描述的功能、任务、方法、动作，或其它操作特征。包括一个或多个CLD的集成电路也可使用逻辑代码、逻辑定义、硬件描述语言、配置文件或其它逻辑指令来编程，所述其它逻辑指令体现于一个或多个非暂时性有形计算机可读媒体中以执行本文中针对所公开的实施例所描述的功能、任务、方法、动作，或其它操作特征。此外，一个或多个非暂时性有形计算机可读媒体可包括例如一个或多个数据存储装置、存储器装置、快闪存储器、随机存取存储器、只读存储器、可编程存储器装置、可重新编程的存储装置、硬盘驱动器、软盘、DVD、CD-ROM，或任何其它非暂时性有形计算机可读媒体。在仍然利用本文中所描述的技术的同时，也可以实施其它变化形式。
除非以其它方式陈述，否则例如“第一”和“第二”的术语用于任意地区别此类术语所描述的元件。因此，这些术语未必意图指示此些元件的时间上的优先级或其它优先级。
对于考虑到本说明书的本领域的技术人员来说，所描述的系统和方法的另外修改和替代实施例将显而易见。因此应认识到，所描述的系统和方法不受这些示例布置限制。应理解，本文示出且描述的系统和方法的形式被视为示例实施例。可在实施方案中进行各种改变。因此，尽管本文参考特定实施例描述本发明，但可在不脱离本发明的范围的情况下作出各种修改和改变。因此，说明书和附图应视为说明性而不具有限制性意义，且此类这些修改意图包括于本发明的范围内。并不意图将本文中相对于特定实施例描述的任何优势、优点或针对问题的解决方案解释为任何或所有权利要求的关键、所需或基本的特征或元件。

Claims (10)

1.一种用于集成电路的电压调节系统，其特征在于，包括：
第一调节器，其具有参考电压作为输入且具有第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到所述集成电路内的第一负载区，所述第一电压输出是基于所述参考电压和第一采样的电压输出；
第一采样器，其用于所述第一调节器，所述第一调节器被耦合成接收所述第一电压输出且提供所述第一采样的电压输出作为所述第一调节器的反馈；
第二调节器，其具有所述第一采样的电压输出作为输入且具有第二电压输出，所述第二电压输出作为反向偏置电压耦合到所述集成电路内的第二负载区，所述第二电压输出跟踪所述第一电压输出且是基于所述第一采样的电压输出和第二采样的电压输出；以及
第二采样器，其用于所述第二调节器，所述第二调节器被耦合成接收所述第二电压输出且提供所述第二采样的电压输出作为所述第二调节器的反馈。
2.根据权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，所述第一采样器和所述第二采样器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作。
3.根据权利要求2所述的电压调节系统，其特征在于，所述时钟信号具有基于所述第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
4.根据权利要求3所述的电压调节系统，其特征在于，所述可变频率在所述第一采样的电压输出下降到所述参考电压以下时增大且在所述第一采样的电压输出上升到所述参考电压以上时减小。
5.根据权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，所述集成电路包括半导体衬底，其中所述第一负载区包括所述半导体衬底内的第一掺杂剂类型的阱，且其中所述第二负载区包括所述半导体衬底内的第二掺杂剂类型的阱。
6.根据权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，所述第二调节器被耦合成通过分压器接收所述第一采样的电压输出，所述分压器使所述第二电压输出以对称比率跟踪所述第一电压输出。
7.根据权利要求6所述的电压调节系统，其特征在于，所述分压器包括电容器和开关，所述开关受时钟信号控制以提供开关电容器操作，且其中所述时钟信号具有基于所述第一采样的电压输出的可变频率，以降低功耗。
8.根据权利要求1所述的电压调节系统，其特征在于，所述第一调节器包括第一比较器，所述第一比较器具有所述参考电压和所述第一采样的电压输出作为输入，且具有耦合到第一电荷泵的第一输出，且其中所述第二调节器包括第二比较器，所述第二比较器具有所述第一采样的电压输出和所述第二的采样电压输出作为输入且具有耦合到第二电荷泵的第二输出。
9.一种集成电路，其特征在于，包括：
第一负载区，其在半导体衬底内，具有第一掺杂剂类型；
第二负载区，其在所述半导体衬底内，具有第二掺杂剂类型；
电压调节系统，其包括：
第一调节器，其具有参考电压作为输入且具有第一电压输出，所述第一电压输出作为反向偏置电压耦合到所述第一负载区，所述第一电压输出是基于所述参考电压和第一采样的电压输出；
第一采样器，其用于所述第一调节器，所述第一调节器被耦合成接收所述第一电压输出且提供所述第一采样的电压输出作为所述第一调节器的反馈；
第二调节器，其具有所述第一采样的电压输出作为输入且具有第二电压输出，所述第二电压输出作为反向偏置电压耦合到所述第二负载区，所述第二电压输出跟踪所述第一电压输出且是基于所述第一采样的电压输出和第二采样的电压输出；以及
第二采样器，其用于所述第二调节器，所述第二调节器被耦合成接收所述第二电压输出且提供所述第二采样的电压输出作为所述第二调节器的反馈。
10.一种方法，其特征在于，包括：
利用集成电路内的第一调节器，
接收参考电压作为输入；
基于所述参考电压和第一采样的电压输出生成第一电压输出；
将所述第一电压输出作为反向偏置电压施加到所述集成电路内的第一负载区；以及
对所述第一电压输出进行采样以提供所述第一采样的电压输出作为所述第一调节器的反馈；以及
利用所述集成电路内的第二调节器，
接收所述第一采样的电压输出作为输入；
生成第二电压输出，其跟踪所述第一电压输出且是基于所述第一采样的电压输出和第二采样的电压输出；
将所述第二电压输出作为反向偏置电压施加到所述集成电路内的第二负载区；以及
对所述第二电压输出进行采样以提供所述第二采样的电压输出作为所述第二调节器的反馈。
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