CN116449279A - 电压陡降监测电路的pvt偏差自动校准电路 - Google Patents

电压陡降监测电路的pvt偏差自动校准电路 Download PDF

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杜宇轩
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沈正国
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Abstract

本发明涉及一种适用于电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，旨在解决传统芯片基于查找表校准需要大量硬件成本的问题，以及通过软件进行的离线校准会导致结果滞后的问题。本发明提出了一种轻量级的线性校准方法，以建立校准结果与PVT变化下的电压之间的固定映射关系。通过归一化和多维校准信息融合等技术，实现硬件成本的降低和校准误差的控制。

Description

电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路
技术领域
本发明公开了适用于电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，涉及电子技术领域，属于集成电路低功耗设计的技术领域。
背景技术
随着超大规模集成技术的进步，越来越多的晶体管被集成到服务器处理器中以实现高性能并行计算。此类处理器中的工作负载突然变化会引起突然的电流浪涌，例如，处理器中的大多数算术单元同时从空闲状态转换为活动状态，这被称为di/dt事件，并且电流浪涌会同时引起电源网络中的电压陡降。这会导致时序余量不足甚至不满足最低需求，进而导致计算错误。通常电压陡降现象可以划分为三个阶段，其中一阶电压陡降最难以监测，其频率和幅度取决于封装电感和片上电容，频率范围从几十到几百兆赫兹，幅度范围从几十到上百毫伏。IC设计者通常会通过电压监测电路，配合LDO、DC-DC等多种手段来调回电压，避免系统出错。然而，随着集成电路工艺尺寸的逐渐缩小，工艺、电压、温度(Process-Voltage-Temperature,PVT)等偏差对电路的影响也会增大，电压监测电路的输出特性变得不稳定。
常规的电压监测电路在应付PVT偏差时，采用基于查找表的片上在线校准，需要大量硬件成本存储来分配校准数据，而通过软件进行的片外离线校准会导致结果滞后。在PVT变化下，高分辨率的电压传感器更加敏感，会导致系统误判电压。因此，需要一种轻量级的应对PVT偏差的线性校准方法，以建立校准结果与PVT变化下的电压之间的固定映射关系。
发明内容
本发明提出了一种电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，通过归一化和多维校准信息合并等技术，解决了现有电路硬件成本高和校准误差的解释问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，包括电压监测模块、归一化模块、片上温度传感器、校准因子模块、乘加模块；电压监测模块用于实时监测片上电压，输出快响应速度的电压码值；归一化模块用于接收电压监测模块的输出和采样时钟频率，将不同采样时钟频率下电压监测模块的输出码值归一化，使得后续采用同一套电路实现不同采样时钟频率的校准过程；片上温度传感器用于产生片上的实时温度，提供给校准因子模块；校准因子模块用于存储校准因子，并接收电压监测模块的输出和片上温度传感器的输出，选择出当前PVT条件下的校准因子；乘加模块用于接收电压监测模块的输出和校准因子模块的输出，根据校准公式计算出校准码值。
进一步的，电压监测模块由环形振荡器、采样寄存器和量化逻辑组成，利用环形振荡器将电压变化映射为器件延迟变化，由采样寄存器采样环形振荡器的翻转位置，在一个采样周期T内，量化逻辑结合粗量化和细量化的结果计算最终的电压量化结果，实时输出电压码值A；当采样周期由T切换为T/2n时，n为大于等于1的正整数，即采样时钟频率由f切换为2n*f时，电压监测模块输出的电压码值由A变为A/2n。
进一步的，归一化模块由MUX选择器和桶形移位器组成，以采样时钟频率f下的电压码值A为归一化基准。当采样时钟频率f切换为2n*f时，电压监测模块输出的电压码值由A变为A/2n，桶形移位器向左移位n比特。
进一步的，片上温度传感器由反相器链组成，将温度变化映射为器件延迟变化，使用触发器对其进行采样，在一个采样周期内，量化逻辑并实时输出温度码值B。
进一步的，校准因子模块由校准因子表和MUX选择器组成，电压码值A为校准因子表的水平索引，温度码值B为校准因子表的垂直索引，将水平索引和垂直索引输入MUX选择器，选择出校准因子表中的校准因子ax和bx，输出给乘加模块。
进一步的，获取校准因子表需要进行一次外部校准，在采样时钟频率f下，记录电压监测模块在[m,n]电压范围内的码值，并在[p,q]温度范围内重复扫描以获取多组电压码值。对多组电压码值进行分段线性拟合得到不同的校准因子ax和bx并写入校准因子表。
进一步的，乘加模块由浮点乘法器和加法器组成，接收电压监测模块的输出A和校准因子模块的输出ax和bx，计算校准公式输出校准码值CA。校准公式如下：
CA＝ax*A[L/2:0]+bx+{A[L-1:L/2+1],(L/2+1)’b0}。
其中L为电压码值A的位宽。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
1)本发明归一化模块将不同采样时钟频率下的电压码值归一化，后续可以使用同一套校准因子模块和乘加模块处理不同采样时钟频率，显著减少电路面积；
2)本发明对多组电压码值进行分段线性拟合，采样水平索引和垂直索引相结合的方式，显著降低存储和索引代价；
3)本发明PVT偏差自动校准电路的关键路径主要包含一个MUX、一个浮点乘法器和一个加法器，可以高速输出校准码值。
附图说明
图1为本发明电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路的流程图；
图2为本发明电压监测模块的示意图；
图3为本发明归一化模块的示意图；
图4为本发明片上温度传感器的示意图；
图5为本发明校准因子表的获取流程图；
图6为本发明乘加模块的示意图。
图7为本发明电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路的效果图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路做进一步详细的描述。
图1为电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准流程图，电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，包括电压监测模块、归一化模块、片上温度传感器、校准因子模块、乘加模块；电压监测模块用于实时监测片上电压，输出快响应速度的电压码值；归一化模块用于接收电压监测模块的输出和采样时钟频率，将不同采样时钟频率下电压监测模块的输出码值归一化，使得后续采用同一套电路实现不同采样时钟频率的校准过程；片上温度传感器用于产生片上的实时温度，提供给校准因子模块；校准因子模块用于存储校准因子，并接收电压监测模块的输出和片上温度传感器的输出，选择出当前PVT条件下的校准因子；乘加模块用于接收电压监测模块的输出和校准因子模块的输出，根据校准公式计算出校准码值。
图2为电压监测模块的示意图，电压监测模块利用环形振荡器将电压变化映射为器件延迟变化，由寄存器采样环形振荡器的翻转位置，在一个采样周期T内，量化逻辑结合粗量化和细量化的结果计算最终的电压量化结果，实时输出10比特的电压码值A。当采样周期由T切换为T/2n时，n为大于等于1的正整数，即采样时钟频率由f切换为2n*f时，电压监测模块输出的电压码值由A变为A/2n。若采样时钟频率500MHz下电压码值为A；当采样时钟频率切换为1GHz时，电压码值为A/2；当采样时钟频率切换为2GHz时，电压码值为A/4。
图3为本发明归一化模块的示意图，归一化模块由MUX选择器和桶形移位器组成，以采样时钟频率f下的电压码值A为归一化基准。当采样时钟频率f切换为2n*f时，电压监测模块输出的电压码值由A变为A/2n，桶形移位器向左移位n比特。若以500MHz下的电压码值A为归一化基准，当采样时钟频率切换为1GHz时，电压码值为A/2，需要左移1位来得到归一化的电压码值A；当采样时钟频率切换为2GHz时，电压码值为A/4，需要左移2位来得到归一化的电压码值A。500MHz、1GHz和2GHz和的码值均被归一化为A，使得后续采用同一套电路实现不同采样时钟频率的校准过程。
图4为本发明片上温度传感器的示意图，片上温度传感器由反相器链组成，将温度变化映射为器件延迟变化，使用触发器对其进行采样，在一个采样周期内，量化逻辑并实时输出温度码值B。
图5为本发明校准因子表的获取流程图，获取校准因子表需要进行一次外部校准，在采样时钟频率f下，记录电压监测模块在[m,n]电压范围内的码值，并在[p,q]温度范围内重复扫描以获取多组电压码值。对多组电压码值进行分段线性拟合得到不同的校准因子ax和bx并写入校准因子表。以图5为例，在500MHz的采样率下，记录电压监测模块在[0.5,1.1]v电压范围内的电压码值A，并在[-40,125]℃温度范围内重复扫描以获取多组电压码值。
图6为本发明乘加模块的示意图。乘加模块由浮点乘法器和加法器组成，接收电压监测模块的输出A和校准因子模块的输出ax和bx，计算校准公式输出校准码值CA。校准公式如下：
CA＝ax*A[5:0]+bx+{A[9:6],6’b0}。
图7为本发明校准电路的效果图，展示了三种温度的校准效果，不同电压下的校准误差均小于1LSB。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，包括电压监测模块、归一化模块、片上温度传感器、校准因子模块、乘加模块；
所述的电压监测模块用于实时监测片上电压，输出快响应速度的电压码值；
所述的归一化模块用于接收电压监测模块的输出和采样时钟频率，将不同采样时钟频率下电压监测模块的输出码值归一化，使得后续采用同一套电路实现不同采样时钟频率的校准过程；
所述的片上温度传感器用于产生片上的实时温度，提供给校准因子模块；校准因子模块用于存储校准因子，并接收电压监测模块的输出和片上温度传感器的输出，选择出校准因子；
所述的乘加模块用于接收电压监测模块的输出和校准因子模块的输出，根据校准公式计算出校准码值。
2.根据权利要求1所述的电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，电压监测模块由环形振荡器、采样寄存器和量化逻辑组成，利用环形振荡器将电压变化映射为器件延迟变化，由采样寄存器采样环形振荡器的翻转位置，在一个采样周期T内，量化逻辑结合粗量化和细量化的结果计算最终的电压量化结果，实时输出电压码值A；当采样周期由T切换为T/2n时，n为大于等于1的正整数，即采样时钟频率由f切换为2n*f时，电压监测模块输出的电压码值由A变为A/2n。
3.根据权利要求2所述的电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，归一化模块由MUX选择器和桶形移位器组成，以采样时钟频率f下的电压码值A为归一化基准；当采样时钟频率f切换为2n*f时，电压监测模块输出的电压码值由A变为A/2n，桶形移位器向左移位n比特。
4.根据权利要求3所述的电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，片上温度传感器由反相器链组成，将温度变化映射为器件延迟变化，使用触发器对其进行采样，在一个采样周期内，量化逻辑并实时输出温度码值B。
5.根据权利要求4所述的电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，校准因子模块由校准因子表和MUX选择器组成，电压码值A为校准因子表的水平索引，温度码值B为校准因子表的垂直索引，将水平索引和垂直索引输入MUX选择器，选择出校准因子表中的校准因子ax和bx，输出给乘加模块。
6.根据权利要求5所述电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，校准因子表获取校准因子表需要进行一次外部校准，在采样时钟频率f下，记录电压监测模块在[m,n]电压范围内的码值，并在[p,q]温度范围内重复扫描以获取多组电压码值；对多组电压码值进行分段线性拟合得到不同的校准因子ax和bx并写入校准因子表。
7.根据权利要求6所述电压陡降监测电路的PVT偏差自动校准电路，其特征在于，乘加模块由浮点乘法器和加法器组成，接收电压监测模块的输出A和校准因子模块的输出ax和bx，计算校准公式输出校准码值CA；校准公式如下：
CA＝ax*A[L/2:0]+bx+{A[L-1:L/2+1],(L/2+1)’b0}；
其中L为电压码值A的位宽。
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