JP2000133772A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000133772A
JP2000133772A JP10304414A JP30441498A JP2000133772A JP 2000133772 A JP2000133772 A JP 2000133772A JP 10304414 A JP10304414 A JP 10304414A JP 30441498 A JP30441498 A JP 30441498A JP 2000133772 A JP2000133772 A JP 2000133772A
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JP
Japan
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circuit
transmission
path
transmission path
semiconductor device
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JP10304414A
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English (en)
Inventor
Takehiro Seki
毅裕 関
Katsunori Senoo
克徳 妹尾
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】レプリカ回路設計の難しさを軽減でき、またレ
プリカ回路に付加するマージンを削減でき、半導体回路
の低消費電力化を図れる半導体装置を提供する。 【解決手段】複数の伝送パスを有する半導体回路11に
おいて、伝送パスに選択的に異なるしきい値電圧を適用
することによってレプリカ回路にし難しい伝送パスをク
リティカルパスから除外し、レプリカ回路にし易いパス
を選択的にクリティカルパスに変更し、そのクリティカ
ルパスの遅延をモニターするためのレプリカ回路12を
構成し、また、このレプリカ回路12を用いて半導体回
路11に供給する電源電圧VDDを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体回路のクリ
ティカルパス遅延をモニターするためのレプリカ回路を
有する半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体回路では、低電力化のため
に、電源電圧VDDを下げる方法が一般的に取られてい
る。これは、半導体回路(LSI)の消費電力のAC成
分は電源電圧の2乗に比例するため、LSIの低電力化
には電源電圧を下げることがもっとも効果的であるから
である。
【0003】このような観点から、近年、LSIの動作
周波数やプロセスばらつき等に対して電源電圧をダイナ
ミックに制御し、常に最低電圧を供給する方法が報告さ
れている。
【0004】このような方法を採用した制御回路では、
LSIのクリティカルパスと同じ電源電圧−遅延特性を
持ったレプリカ回路を設計し、そのレプリカ回路の遅延
が動作周波数の1周期以上にならないように電源電圧を
制御する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、クリテ
ィカルパスは1本とは限らず、またほぼ同じ遅延時間を
持ったパスが複数存在する場合が多いため、処理内容や
動作電圧の変化などでクリティカルパスが入れ替わる可
能性があり、レプリカ回路とLSIの電源電圧−遅延特
性が一致しなくなるおそれがある。これを防ぐために
は、レプリカ回路の遅延に過剰なマージンを加えて動作
させなければならなくなり、常に最低動作電圧を供給
し、LSIを低消費電力化するというメリットが薄れて
しまう。
【0006】また、電源電圧が下がったことによる伝送
速度の劣化を補うために、各伝送配線パスに配置される
伝送素子としての転送ゲートやロジック回路を構成する
トランジスタとして、しきい値電圧Vthが通常のトラ
ンジスタより低い低しきい値電圧トランジスタが使われ
ている。
【0007】一般に、速度vと電源電圧VDDとは次の関
係を満足する。
【0008】
【数1】 v∝VDD/(VDD−Vth)A …(1)
【0009】ここで、Aは速度飽和の影響を受ける係数
で1〜2である。この(1)式からわかるように、しき
い値電圧Vthを小さくすることで、電源電圧VDDが下
がっても速度低下を改善できる。
【0010】ところが、しきい値電圧Vthの異なる複
数の伝送素子としてのトランジスタが混在する(たとえ
ば低Vthと高Vth)LSIでは、低しきい値電圧V
thlのトランジスタと高しきい値電圧Vthhのトラ
ンジスタとではプロセスばらつきの割合が異なったり、
また低しきい値電圧Vthlの伝送素子で構成されるパ
スと高しきい値電圧Vthhで構成されるパスでは遅延
に対するプロセスばらつきの影響が異なるといった問題
がある。このようなマルチVthプロセスを使用したL
SIでは、レプリカ回路にさらに多くのマージンが必要
となってくるため、ますます低電圧化がむずかしくなっ
てくる。
【0011】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、レプリカ回路設計の難しさを軽
減でき、また、レプリカ回路に付加するマージンを削減
でき、半導体回路の低消費電力化を図れる半導体装置を
提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、複数の伝送パスを有する半導体回路と、
当該半導体回路のクリティカルパスをモニターするレプ
リカ回路とを有する半導体装置であって、上記半導体回
路は、複数の伝送パスの中から、レプリカ回路に適した
伝送パスがクリティカルパスとして構成され、上記レプ
リカ回路は、上記半導体回路の上記クリティカルパスと
して採用された伝送パスと等価な回路により構成されて
いる。
【0013】また、本発明の半導体装置は、複数の伝送
パスを有し、複数の伝送パスの中から、レプリカ回路に
適した少なくとも2つの伝送パスがクリティカルパスと
して構成された半導体回路と、それぞれ上記半導体回路
の上記クリティカルパスとして採用された伝送パスのう
ちの一つと等価な回路を有し、上記半導体回路のクリテ
ィカルパスをモニターする複数のレプリカ回路とを有す
る。
【0014】また、本発明では、上記複数のレプリカ回
路の出力からより遅延量の大きいレプリカ回路からの出
力をモニター結果として選択する選択手段を有する。
【0015】また、本発明では、上記記半導体回路にお
いて、各クリティカルパスを構成する伝送パスに配置さ
れた伝送素子のしきい値電圧は異なる値に設定されてい
る。
【0016】また、本発明では、上記半導体回路のクリ
ティカルパスを構成する伝送パスに配置された伝送素子
のしきい値電圧は、他の伝送パスに配置された伝送素子
のしきい値電圧より高く設定されている。
【0017】また、本発明では、上記半導体回路のクリ
ティカルパスを構成する伝送パスに配置された伝送素子
のしきい値電圧は、他の伝送パスに配置された伝送素子
のしきい値電圧より高く設定されている。
【0018】また、本発明では、上記半導体回路におい
て、レプリカ回路に適さない伝送パスに配置された伝送
素子のしきい値電圧は、少なくとも上記クリティカルパ
スを構成する伝送パスに配置された伝送素子のしきい値
電圧より低く設定されている。
【0019】また、本発明では、クリティカルパスに近
い遅延時間を有する伝送パスに配線抵抗Rおよび配線容
量Cに基づくRC遅延が支配的な伝送パスが含まれてい
る場合、RC成分も上記レプリカ回路に含まれている。
【0020】また、本発明の半導体装置は、複数の伝送
パスを有し、当該複数の伝送パスの中から、レプリカ回
路に適した伝送パスがクリティカルパスとして構成され
た半導体回路と、上記半導体回路の上記クリティカルパ
スとして採用された伝送パスと等価な電源電圧−遅延特
性をもつ回路により構成され、基準信号を伝播して上記
半導体回路のクリティカルパスをモニターするレプリカ
回路と、上記レプリカ回路のモニター結果に基づいた値
の電源電圧を生成して、上記半導体回路および上記レプ
リカ回路に供給する電圧制御回路とを有する。
【0021】また、本発明の半導体装置は、複数の伝送
パスを有し、複数の伝送パスのなかから、レプリカ回路
に適した少なくとも2つの伝送パスがクリティカルパス
として構成された半導体回路と、それぞれ上記半導体回
路の上記クリティカルパスとして採用された伝送パスの
うちの一つと等価な電源電圧−遅延特性をもつ回路を有
し、基準信号を伝播して上記半導体回路のクリティカル
パスをモニターする複数のレプリカ回路と、上記複数の
レプリカ回路の出力からより遅延量の大きいレプリカ回
路からの出力をモニター結果として選択する選択手段
と、上記選択手段で選択されたモニター結果に基づいた
値の電源電圧を生成して、上記半導体回路および上記レ
プリカ回路に供給する電圧制御回路とを有する。
【0022】また、本発明では、上記電圧制御回路は、
レプリカ回路のモニター結果である基準信号の伝播時間
があらじめ決められた時間より遅い場合には電圧値が大
きくなり、速い場合には電圧値が小さくなるように制御
する。
【0023】また、本発明では、上記電圧制御回路は、
元の基準信号とレプリカ回路の出力信号との位相を比較
し、レプリカ回路の出力信号が元の基準信号により1周
期以上遅れている場合には電圧値が大きくなり、1周期
以上進んでいる場合には電圧値が小さくなるように制御
する。
【0024】本発明によれば、半導体回路のクリティカ
ルパスは、レプリカ回路にし易い伝送パスを選択して構
成される。たとえば、レプリカ回路にし難いクリティカ
ルパスを低しきい値電圧化してクリティカルパスからは
ずし、レプリカにし易い伝送パスが選択的に残されて、
この残されたクリティカルパスと等価な回路によりレプ
リカ回路が構成される。あるいは、低しきい値電圧化し
た伝送パスの中でレプリカ回路に適したパスが意図的に
高しきい値電圧に戻されてクリティカルパスとして構成
され、このクリティカルパスと等価な回路によりレプリ
カ回路が構成される。また、より多くのしきい値電圧が
混在され、伝送パスごとに適用するしきい値電圧を変え
ることで、伝送パスのクリティカルパス度が調整され、
所望のパスがクリティカルパスとなるように順位付けが
行され、これに基づいてレプリカ回路が構成される。
【0025】また、高しきい値電圧の伝送パスと低しき
い値電圧の伝送パスの両方のクリティカルパスがレプリ
カ回路として採用される。この場合、電源電圧変化はプ
ロセスばらつき等によってより遅延の大きい方の伝送パ
スがクリティカルパスレプリカとして選択される。ま
た、クリティカルパスに近い遅延時間を有するパスにR
C遅延が支配的な伝送パスが含まれている場合、RC成
分もレプリカ回路として採用され、電源電圧変化やプロ
セスばらつき等によってその中の最も遅延の大きいパス
がクリティカルパスのレプリカとして選択される。
【0026】また、本発明によれば、基準信号がレプリ
カ回路を伝播され、電圧制御回路において、たとえばレ
プリカ回路のモニター結果である基準信号の伝播時間が
あらかじめ決められた時間より遅い場合には電圧値が大
きくなり、速い場合には電圧値が小さくなるように制御
されて、電源電圧が半導体回路およびレプリカ回路に供
給される。あるいは、電圧制御回路では、元の基準信号
とレプリカ回路の出力信号との位相が比較され、レプリ
カ回路の出力信号が元の基準信号により1周期以上遅れ
ている場合には電圧値が大きくなり、1周期以上進んで
いる場合には電圧値が小さくなるように制御されて、電
源電圧が半導体回路およびレプリカ回路に供給される。
【0027】
【発明の実施の形態】第1実施形態 図1は、本発明に係るレプリカ回路を採用した半導体装
置の第1の実施形態を示すブロック図である。本半導体
装置は、レプリカ回路を半導体回路の電源電圧VDDをダ
イナミックに変更し、常に最低動作電圧を供給するよう
に制御する電源電圧制御系回路に適用した例を示す図で
ある。
【0028】本半導体装置10は、半導体回路(LS
I)11、レプリカ回路12、位相比較器13、チャー
ジポンプ14、およびDC−DCコンバータ15により
構成されている。そして、位相比較器13、チャージポ
ンプ14、およびDC−DCコンバータ15により電圧
制御回路が構成される。
【0029】半導体回路11は、DC−DCコンバータ
15により電源電圧VDDが供給され、たとえば図2に示
すように、複数の伝送パスを有する同期系回路であっ
て、信号送信側のフリップフロップ(FF)111−
1,111−2,111−3、受信側のフリップフロッ
プ112−1,112−2,112−3、送信側と受信
側のフリップフロップを接続する主伝送経路(伝送パ
ス)113,114,115、分岐パス113−1、1
15−1、所定のしきい値電圧を有する伝送素子として
のゲート素子116−1〜116−11により構成され
ている。
【0030】主伝送パス113は、信号送信側フリップ
フロップ111−1の出力と受信側フリップフロップ1
12−1の入力との間に接続されている。そして、主伝
送パス113の分岐点113aから分岐パス113−1
が分岐され、この分岐パス113−1がゲート素子11
6−6の一方の入力端子に接続されている。そして、フ
リップフロップ111−1の出力と分岐点113aとの
間の主伝送パス13にゲート素子116−1,116−
2が配置され、分岐点113aと受信側フリップフロッ
プ112−1の入力との間の主伝送パス113にゲート
素子116−3が配置されている。
【0031】主伝送パス114は、信号送信側フリップ
フロップ111−2の出力と受信側フリップフロップ1
12−2の入力との間に接続されている。そして、フリ
ップフロップ111−2の出力と受信側フリップフロッ
プ112−2の入力との間の主伝送パス114にゲート
素子116−4〜116−9が配置されている。具体的
には、ゲート素子116−5の一方の入力がゲート素子
116−4の出力に接続され、ゲート素子116−5の
出力がゲート素子116−6の他方の入力に接続され、
ゲート素子116−6の出力側にゲート素子116−7
〜116−9が接続されている。
【0032】主伝送パス115は、信号送信側フリップ
フロップ111−3の出力と受信側フリップフロップ1
12−3の入力との間に接続されている。そして、主伝
送パス115の分岐点115aから分岐パス115−1
が分岐され、この分岐パス115−1がゲート素子11
6−5の一方の入力端子に接続されている。そして、フ
リップフロップ111−3の出力と分岐点115aとの
間の主伝送パス115にゲート素子116−10,11
6−11が配置されている。
【0033】なお、ゲート素子116−1〜116−1
1は、たとえば絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、す
なわちMIS( Metal Insulator Semiconductor)系回路
を用いて構成されている。
【0034】図1の同期系半導体回路11では、元々の
遅延値が最大の遅延パス(クリティカルパス)は、フリ
ップフロップ111−3→主伝送パス115→ゲート素
子116−10,116−11→分岐パス115−1→
ゲート素子116−5→主伝送パス114→ゲート素子
116−6〜116−9→フリップフロップ112−2
の伝送パスである。したがって、原則的には、このパス
を構成する素子、パスを基準にレプリカ回路12が構成
されるが、本実施形態では、このクリティカルパスがレ
プリカ回路にし難いパス、たとえば複雑な構成のゲート
素子が存在する、あるいは、RAMのアクセスを行う回
路が存在するパスである場合には、ゲート素子のしきい
値電圧を調整して、レプリカにし易いパスを選択的にク
リティカルパスにして半導体回路を構成している。そし
て、この構成し直した回路中のクリティカルパスに基づ
いてレプリカ回路12が構成される。
【0035】図2の構成を例にとると、元々のクリティ
カルパスである、フリップフロップ111−3→主伝送
パス115→ゲート素子116−10,116−11→
分岐パス115−1→ゲート素子116−5→主伝送パ
ス114→ゲート素子116−6〜116−9→フリッ
プフロップ112−2が、レプリカ回路にし難い場合に
は、たとえばゲート素子116−10、116−11、
および116−5のしきい値電圧を低しきい値電圧化し
て、レプリカ回路にし易いフリップフロップ111−1
→主伝送パス113→ゲート素子116−1,116−
2→分岐パス113−1→ゲート素子116−6→主伝
送パス114→ゲート素子116−7〜116−9→フ
リップフロップ112−2を新しいクリティカルパスと
して構成する。
【0036】その結果、半導体回路11は、低しきい値
電圧化されたゲート素子と、これよりしきい値電圧が高
い(通常のしきい値電圧)ゲート素子とが混在した回路
構成となっている。
【0037】低しきい値電圧化するゲート素子が、たと
えばNMOS系のエンハンスメント型トランジスタによ
り構成されている場合には、通常のトランジスタの0.
8V程度より低いしきい値電圧、たとえば0.3V〜
0.6V度に設定される。また、低しきい値電圧トラン
ジスタとしては、遅延パスの遅延値によっては、デプレ
ッション型トランジスタにより構成される。
【0038】なお、MOSトランジスタのしきい値電圧
の設定は、たとえば製造工程において不純物の添加濃度
の調整により行われる。また、通常のしきい値電圧を有
するMOSトランジスタの基板電圧を、少なくとも信号
伝送時に、たとえば0Vから正の電圧に切り換えること
により低しきい値電圧化を図るように構成することも可
能である。
【0039】以下に、レプリカ回路として適したクリテ
ィカルパスを選択的に残す方法について、図面に関連付
けてさらに詳細に説明する。
【0040】図3は、複数の1送パスを有する半導体回
路において低しきい値電圧化した場合のクリティカルパ
スの変化を説明するための図であり、図4は、低しきい
値電圧化後のクリティカルパス近傍の伝送パスに、さら
に選択的に低しきい値電圧化をを適用することによって
所望のクリティカルパスを選択する方法を説明するため
の図である。
【0041】図3に示すように、一部の伝送パスのみ低
しきい値電圧(Vth)化すると、それまでのクリティ
カルパスはスピードが改善され、別の伝送パスがクリテ
ィカルパスとなって現れる。そして、新しいクリティカ
ルパスの近傍には、図4(a)に示すように、低しきい
値電圧Vthの素子が存在する伝送パスと高しきい値電
圧の素子が存在する伝送パスが混在している。仮に新し
いクリティカルパスが高しきい値電圧の素子で構成され
ており、レプリカ回路として使用するには難しい伝送パ
スの場合は、さらにこの伝送パスも低しきい値電圧化し
てクリティカルパスからはずしてしまう。このような処
理を繰り返し行うことで、図4(b)に示すように、レ
プリカ回路にしやすい伝送パスを選択的に残して、レプ
リカ回路の設計を行うことができる。
【0042】図5は、選択的な高しきい値電圧化の適用
によるクリティカルパスの選択方法を説明するための図
である。この場合、低しきい値電圧化後の新しいクリテ
ィカルパスが、レプリカ回路として使用するには難しい
伝送パスで、低しきい値電圧化してスピードが改善され
た伝送パスの中にレプリカ回路に適した伝送パスがあっ
た場合には、その伝送パスを意図的に高しきい値電圧に
戻してクリティカルパスとし、それをレプリカ回路に採
用する。
【0043】また、図6は、3つ以上のしきい値電圧の
素子が混在する場合のクリティカルパスの選択方法を説
明するための図である。このように、多くのしきい値電
圧を混在させ(図6の例では、Vth1〜Vth4の
4)、各しきい値電圧をクリティカルパス近傍の伝送パ
スに適切に適用することで、クリティカルパスのクリテ
ィカル度を調整してその順位付けをすることが可能であ
る。この方法では、クリティカルパスの選択自由度がよ
り向上し、レプリカ回路の設計がより容易になる。以上
のように、それぞれのしきい値電圧を選択的にクリティ
カルパスに適用することによって、レプリカ回路に適し
たクリティカルパスを残した半導体回路11を構成す
る。これにより、レプリカ回路12の設計が容易とな
る。
【0044】レプリカ回路12は、半導体回路11で、
上述したような方法によりレプリカとして採用し易く、
クリティカルパスとして選定されたパス構成と等価な電
源電圧−遅延特性をもつ回路として構成されており、D
C−DCコンバータ15による電源電圧VDDの供給を受
けて動作し、所定周期の基準信号SINを入力してゲー
ト処理等して伝播させ、遅延信号S12として位相比較
器13に出力する。レプリカ回路12は、図2の場合を
例にとると、上述したように、半導体回路11において
レプリカ回路にし易いとして、新しいクリティカルパス
に選定されたフリップフロップ111−1→主伝送パス
113→ゲート素子116−1,116−2→分岐パス
113−1→ゲート素子116−6→主伝送パス114
→ゲート素子116−7〜116−9→フリップフロッ
プ112−2と等価な回路で構成される。
【0045】位相比較器13は、基準信号SINとレプ
リカ回路12の出力遅延信号S12との位相を比較し、
遅延信号S12が基準信号SINより1周期以上遅れて
いる場合にはアップ信号UPを生成し、1周期以上進ん
でいる場合にはダウン信号DNを生成してチャージポン
プ14に出力する。
【0046】チャージポンプ14は、位相比較器13に
よりアップ信号UPを受けた場合には、DC−DCコン
バータ15による電源電圧VDDを大きくし、ダウン信号
DNを受けた場合にはDC−DCコンバータ15による
電源電圧VDDを小さくするように指示する信号S14を
DC−DCコンバータ15に出力する。
【0047】DC−DCコンバータ15は、チャージポ
ンプ14の出力信号S14を受けて、この信号S14が
指示するように電源電圧VDDの値を調整して、半導体回
路11およびレプリカ回路12に供給する。
【0048】次に、上記構成による動作を説明する。レ
プリカ回路12は、半導体回路11において、レプリカ
として採用し易く、クリティカルパスとして選定された
パス構成と等価な回路として構成されている。このレプ
リカ回路12に所定周期の基準信号SINが入力され
る。そして、基準信号SINはレプリカ回路12で、ゲ
ート処理等を受けて所定時間遅延されて遅延信号S12
として位相比較器13に出力される。
【0049】位相比較器13では、基準信号SINとレ
プリカ回路12の出力遅延信号S12とが入力され、両
信号の位相が比較される。比較の結果、遅延信号S12
が基準信号SINより1周期以上遅れている場合にはア
ップ信号UPが生成されてチャージポンプ回路14に出
力される。一方、遅延信号S12が基準信号SINより
1周期以上進んでいる場合にはダウン信号DNが生成さ
れてチャージポンプ14に出力される。
【0050】チャージポンプ14においては、位相比較
器13によりアップ信号UPを受けた場合には、DC−
DCコンバータ15による電源電圧VDDを大きくて、処
理速度が速くなるように(遅延が小さくなるように)指
示する信号S14が生成されてDC−DCコンバータ1
5に出力される。一方、位相比較器13によりダウン信
号DNを受けた場合には、DC−DCコンバータ15に
よる電源電圧VDDを小さして、処理速度が遅くなるよう
に(遅延が大きくなるように)指示する信号S14が生
成され、DC−DCコンバータ15に出力される。
【0051】そして、DC−DCコンバータ15におい
て、チャージポンプ14の出力信号S14にを受けて、
この信号S14が指示するように電源電圧VDDの値が調
整されて、半導体回路11およびレプリカ回路12に供
給される。
【0052】以上説明したように、本第1の実施形態に
よれば、複数の伝送パスをする半導体回路11におい
て、パスに選択的に異なるしきい値電圧を適用すること
によってレプリカ回路にし難しいパスをクリティカルパ
スから除外し、レプリカ回路にし易いパスを選択的にク
リティカルパスに変更し、そのクリティカルパスの遅延
をモニターするためのレプリカ回路12を構成し、ま
た、このレプリカ回路12を用いて半導体回路11に供
給する電源電圧VDDを制御するので、レプリカ回路の設
計が容易になり、レプリカ回路に付加するマージンを削
減でき、また、最低、最適の動作電圧を供給するので、
半導体装置の低消費電力化を図れる利点がある。また、
レプリカ回路12を使用して半導体回路11の電源電圧
DDを制御することによって、半導体回路11に供給す
る最低動作電圧のマージンを削減することができる。
【0053】第2実施形態 図7は、本発明に係るレプリカ回路を採用した半導体装
置の第2の実施形態を示すブロック図である。
【0054】本第2の実施形態が上述した第1の実施形
態と異なる点は、レプリカ回路を複数(本第2の実施形
態では2)を設け、それらのうち現時点で遅延時間が大
きい方のレプリカ回路を伝播した遅延基準信号とレプリ
カ回路を介さない元基準信号SINとの位相を比較して
半導体回路11に供給する電源電圧VDDを制御するよう
にしたことにある。
【0055】さらに具体的には、本第2の実施形態は、
低しきい値電圧の伝送素子が存在する伝送パスと、高し
きい値電圧の伝送素子が存在する伝送パスがほぼ同じ遅
延時間を持っている場合のレプリカ回路の構成を示して
いる。
【0056】このような構成にする理由は、低しきい値
電圧のトランジスタと高しきい値電圧のトランジスタと
では、プロセスばらつきの割合が異なる場合があり、ま
た、仮にプロセスばらつきの割合が同じ場合でも、遅延
時間に対するプロセスばらつきの影響が異なってくるか
らである。
【0057】したがって、プロセスが最悪(ワースト)
側にばらついたときと、最良(ベスト)側にばらついた
ときとで、低しきい値電圧側の伝送パスと高しきい値電
圧側の伝送パスでどちらがクリティカルパスとなるか分
からなくなり、レプリカ回路としてはより多くのマージ
ンを持たせる必要がでてくる。そこで、図7の回路で
は、レプリカ回路として低しきい値電圧側の伝送パスと
高しきい値電圧側の伝送パスの両方のパスを採用してい
る。そして、選択手段としてのANDゲート16で、低
しきい値電圧(低Vth)側のレプリカ回路12aと高
しきい値電圧(高Vth)側のレプリカ回路12bの両
遅延の論理積(AND)をとり、より遅延の大きいほう
と、位相比較器13で位相比較を行うように構成されて
いる。
【0058】次に、上記構成による動作を説明する。低
しきい値電圧側のレプリカ回路12aと高しきい値電圧
側のレプリカ回路12bに所定周期の基準信号SINが
入力される。そして、基準信号SINはレプリカ回路1
2a,12b、ゲート処理等を受けて所定時間遅延され
て遅延信号S12a,12bとしてANDゲート16に
出力される。ANDゲート16においては、より遅延が
大きい方のレプリカ回路の出力を受けた時点でハイレベ
ルの信号S16が生成されて位相比較器13に出力され
る。
【0059】位相比較器13では、基準信号SINとA
NDゲート16の出力信号S16とが入力され、両信号
の位相が比較される。比較の結果、遅延信号S16が基
準信号SINより1周期以上遅れている場合にはアップ
信号UPが生成されてチャージポンプ回路14に出力さ
れる。一方、遅延信号S16が基準信号SINより1周
期以上進んでいる場合にはダウン信号DNが生成されて
チャージポンプ14に出力される。
【0060】チャージポンプ14においては、位相比較
器13によりアップ信号UPを受けた場合には、DC−
DCコンバータ15による電源電圧VDDを大きくして、
処理速度が速くなるように(遅延が小さくなるように)
指示する信号S14が生成されてDC−DCコンバータ
15に出力される。一方、位相比較器13によりダウン
信号DNを受けた場合には、DC−DCコンバータ15
による電源電圧VDDを小さくして、処理速度が遅くなる
ように(遅延が大きくなるように)指示する信号S14
が生成され、DC−DCコンバータ15に出力される。
【0061】そして、DC−DCコンバータ15におい
て、チャージポンプ14の出力信号S14にを受けて、
この信号S14が指示するように電源電圧VDDの値が調
整されて、半導体回路11およびレプリカ回路12a,
12bに供給される。
【0062】本第2の実施形態によれば、低しきい値電
圧の伝送素子が存在する伝送パスと、高しきい値電圧の
伝送素子が存在する伝送パスがほぼ同じ遅延時間を持っ
ている場合に両者のレプリカ回路12a,12bを設
け、それらのうち現時点で遅延時間が遅い方のレプリカ
回路を伝播した遅延基準信号とレプリカ回路を介さない
元基準信号SINとの位相を比較して半導体回路11に
供給する電源電圧VDDを制御するようにしたので、上述
した第1の実施形態の効果に加えて、異なるしきい値電
圧間のプロセスばらつきの差を吸収でき、レプリカ回路
への余分なマージン追加を抑制することができる利点あ
る。
【0063】第3実施形態 図8は、本発明に係るレプリカ回路を採用した半導体装
置の第3の実施形態を示すブロック図である。
【0064】本第3の実施形態が上述した第2の実施形
態と異なる点は、低しきい値電圧(低Vth)側のレプ
リカ回路12aおよび高しきい値電圧(高Vth)側の
レプリカ回路12bに加えて、配線抵抗Rと配線容量C
に基づくRC遅延を含むクリティカルパスのレプリカ回
路12cを設け、3つのレプリカ回路12a,12b、
12cの遅延を3入力ANDゲート17において論理積
(AND)をとり、より遅延の大きいほうと、位相比較
器13で位相比較を行うように構成したことにある。そ
の他の構成は第2の実施形態と同様である。
【0065】すなわち本第3の実施形態では、RC成分
は、ゲート遅延とは異なる遅延時間−電圧特性を持って
いるため、RC成分が支配的なパスが存在する場合に
は、これもレプリカ回路として採用している。
【0066】本第3の実施形態によれば、上述した第1
および第2の実施形態の効果に加えて、ゲート遅延とは
異なる電圧−遅延時間特性を持ったRC成分によるクリ
ティカルパスにも対応でき、レプリカ回路のマージンを
削減できる利点がある。
【0067】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レプリカ回路の設計が容易になり、レプリカ回路に付加
するマージンを削減できる利点がある。
【0068】また、低しきい値電圧の伝送パスと高しき
い値電圧の伝送パスの両方をクリティカルパスとしてレ
プリカ回路に採用し、電源電圧やプロセスばらつき、使
用条件によってより遅延時間の大きい方のパスをクリテ
ィカルパスとして選択することにより、マルチしきい値
電圧化によるレプリカ回路への余分なマージンを削減す
ることができる。
【0069】また、RC遅延成分が支配的な伝送パスが
存在する場合に、RC成分もレプリカ回路として採用す
ることで、ゲート遅延とは異なる電圧−遅延時間特性を
持ったRC成分によるクリティカルパスにも対応でき、
レプリカ回路のマージンを削減できる。
【0070】また、上述した簡易に設計しレプリカ回路
を使用して半導体回路の電源電圧を制御することによっ
て、半導体回路に供給する最低動作電圧のマージンを削
減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレプリカ回路を採用した半導体装
置の第1の実施形態を示すブロック図である。
【図2】本発明に係る半導体回路の構成例を示す回路図
である。
【図3】複数の伝送パスを有する半導体回路において低
しきい値電圧化した場合のクリティカルパスの変化を説
明するための図である。
【図4】低しきい値電圧化後のクリティカルパス近傍の
パスに、さらに選択的に低しきい値電圧化をを適用する
ことによって所望のクリティカルパスを選択する方法を
説明するための図である。
【図5】選択的な高しきい値電圧化の適用によるクリテ
ィカルパスの選択方法を説明するための図である。
【図6】3つ以上のしきい値電圧の素子が混在する場合
のクリティカルパスの選択方法を説明するための図であ
る。
【図7】本発明に係るレプリカ回路を採用した半導体装
置の第2の実施形態を示すブロック図である。
【図8】本発明に係るレプリカ回路を採用した半導体装
置の第3の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
10,10a,10b…半導体装置、11…半導体回
路、12,12a,12b,12c…レプリカ回路、1
3…位相比較器、14…チャージポンプ、15…DC−
DCコンバータ、111−1〜111−3…信号送信側
フリップフロップ、112−2〜112−3…受信側フ
リップフロップ、113,114,115…主伝送パ
ス、113−1,115−1…分岐パス、16−1〜1
6−11…ゲート素子、16,17…ANDゲート。

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数の伝送パスを有する半導体回路と、
    当該半導体回路のクリティカルパスをモニターするレプ
    リカ回路とを有する半導体装置であって、 上記半導体回路は、複数の伝送パスの中から、レプリカ
    回路に適した伝送パスがクリティカルパスとして構成さ
    れ、 上記レプリカ回路は、上記半導体回路の上記クリティカ
    ルパスとして採用された伝送パスと等価な回路により構
    成されている半導体装置。
  2. 【請求項2】 上記半導体回路のクリティカルパスを構
    成する伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    は、他の伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    より高く設定されている請求項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 上記半導体回路において、レプリカ回路
    に適さない伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電
    圧は、少なくとも上記クリティカルパスを構成する伝送
    パスに配置された伝送素子のしきい値電圧より低く設定
    されている請求項1記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 上記半導体回路において、各伝送パスに
    配置された伝送素子のしきい値電圧は、各伝送パス毎に
    異なる値に設定されている請求項2記載の半導体装置。
  5. 【請求項5】 上記半導体回路において、各伝送パスに
    配置された伝送素子のしきい値電圧は、各伝送パス毎に
    異なる値に設定されている請求項3記載の半導体装置。
  6. 【請求項6】 クリティカルパスに近い遅延時間を有す
    る伝送パスに配線抵抗Rおよび配線容量Cに基づくRC
    遅延が支配的な伝送パスが含まれている場合、RC成分
    も上記レプリカ回路に含まれている請求項1記載の半導
    体装置。
  7. 【請求項7】 複数の伝送パスを有し、複数の伝送パス
    の中から、レプリカ回路に適した少なくとも2つの伝送
    パスがクリティカルパスとして構成された半導体回路
    と、 それぞれ上記半導体回路の上記クリティカルパスとして
    採用された伝送パスと等価な回路を有し、上記半導体回
    路のクリティカルパスをモニターする複数のレプリカ回
    路とを有する半導体装置。
  8. 【請求項8】 上記複数のレプリカ回路の出力からより
    遅延量の大きいレプリカ回路からの出力をモニター結果
    として選択する選択手段を有する請求項7記載の半導体
    装置。
  9. 【請求項9】 上記半導体回路において、各クリティカ
    ルパスを構成する伝送パスに配置された伝送素子のしき
    い値電圧は異なる値に設定されている請求項7記載の半
    導体装置。
  10. 【請求項10】 上記半導体回路において、各クリティ
    カルパスを構成する伝送パスに配置された伝送素子のし
    きい値電圧は異なる値に設定されている請求項8記載の
    半導体装置。
  11. 【請求項11】 上記半導体回路のクリティカルパスを
    構成する伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    は、他の伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    より高く設定されている請求項7記載の半導体装置。
  12. 【請求項12】 上記半導体回路のクリティカルパスを
    構成する伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    は、他の伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    より高く設定されている請求項8記載の半導体装置。
  13. 【請求項13】 上記半導体回路において、レプリカ回
    路に適さない伝送パスに配置された伝送素子のしきい値
    電圧は、少なくとも上記クリティカルパスを構成する伝
    送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧より低く設
    定されている請求項7記載の半導体装置。
  14. 【請求項14】 上記半導体回路において、レプリカ回
    路に適さない伝送パスに配置された伝送素子のしきい値
    電圧は、少なくとも上記クリティカルパスを構成する伝
    送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧より低く設
    定されている請求項8記載の半導体装置。
  15. 【請求項15】 クリティカルパスに近い遅延時間を有
    する伝送パスに配線抵抗Rおよび配線容量Cに基づくR
    C遅延が支配的な伝送パスが含まれている場合、RC成
    分も上記レプリカ回路に含まれている請求項7記載の半
    導体装置。
  16. 【請求項16】 クリティカルパスに近い遅延時間を有
    する伝送パスに配線抵抗Rおよび配線容量Cに基づくR
    C遅延が支配的な伝送パスが含まれている場合、RC成
    分も上記レプリカ回路に含まれている請求項10記載の
    半導体装置。
  17. 【請求項17】 複数の伝送パスを有し、当該複数の伝
    送パスの中から、レプリカ回路に適した伝送パスがクリ
    ティカルパスとして構成された半導体回路と、 上記半導体回路の上記クリティカルパスとして採用され
    た伝送パスと等価な電源電圧−遅延特性をもった回路に
    より構成され、基準信号を伝播して上記半導体回路のク
    リティカルパスをモニターするレプリカ回路と、上記レ
    プリカ回路のモニター結果に基づいた値の電源電圧を生
    成して、上記半導体回路および上記レプリカ回路に供給
    する電圧制御回路とを有する半導体装置。
  18. 【請求項18】 上記電圧制御回路は、レプリカ回路の
    モニター結果である基準信号の伝播時間があらじめ決め
    られた時間より遅い場合には電圧値が大きくなり、速い
    場合には電圧値が小さくなるように制御する請求項17
    記載の半導体装置。
  19. 【請求項19】 上記電圧制御回路は、元の基準信号と
    レプリカ回路の出力信号との位相を比較し、レプリカ回
    路の出力信号が元の基準信号により1周期以上遅れてい
    る場合には電圧値が大きくなり、1周期以上進んでいる
    場合には電圧値が小さくなるように制御する請求項17
    記載の半導体装置。
  20. 【請求項20】 上記半導体回路のクリティカルパスを
    構成する伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    は、他の伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    より高く設定されている請求項17記載の半導体装置。
  21. 【請求項21】 上記半導体回路において、レプリカ回
    路に適さない伝送パスに配置された伝送素子のしきい値
    電圧は、少なくとも上記クリティカルパスを構成する伝
    送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧より低く設
    定されている請求項17記載の半導体装置。
  22. 【請求項22】 上記半導体回路において、各伝送パス
    に配置された伝送素子のしきい値電圧は、各伝送パス毎
    に異なる値に設定されている請求項20記載の半導体装
    置。
  23. 【請求項23】 上記半導体回路において、各伝送パス
    に配置された伝送素子のしきい値電圧は、各伝送パス毎
    に異なる値に設定されている請求項21記載の半導体装
    置。
  24. 【請求項24】 クリティカルパスに近い遅延時間を有
    する伝送パスに配線抵抗Rおよび配線容量Cに基づくR
    C遅延が支配的な伝送パスが含まれている場合、RC成
    分も上記レプリカ回路に含まれている請求項17記載の
    半導体装置。
  25. 【請求項25】 複数の伝送パスを有し、複数の伝送パ
    スの中から、レプリカ回路に適した少なくとも2つの伝
    送パスがクリティカルパスとして構成された半導体回路
    と、 それぞれ上記半導体回路の上記クリティカルパスとして
    採用された伝送パスと等価な電源電圧−遅延特性をもっ
    た回路を有し、基準信号を伝播して上記半導体回路のク
    リティカルパスをモニターする複数のレプリカ回路と、 上記複数のレプリカ回路の出力からより遅延量の大きい
    レプリカ回路からの出力をモニター結果として選択する
    選択手段と、 上記選択手段で選択されたモニター結果に基づいた値の
    電源電圧を生成して、上記半導体回路および上記レプリ
    カ回路に供給する電圧制御回路とを有する半導体装置。
  26. 【請求項26】 上記電圧制御回路は、選択手段で選択
    されたレプリカ回路のモニター結果である基準信号の伝
    播時間があらじめ決められた時間より遅い場合には電圧
    値が大きくなり、速い場合には電圧値が小さくなるよう
    に制御する請求項25記載の半導体装置。
  27. 【請求項27】 上記電圧制御回路は、元の基準信号と
    選択手段の出力信号との位相を比較し、レプリカ回路の
    出力信号が元の基準信号により1周期以上遅れている場
    合には電圧値が大きくなり、1周期以上進んでいる場合
    には電圧値が小さくなるように制御する請求項25記載
    の半導体装置。
  28. 【請求項28】 上記半導体回路において、各クリティ
    カルパスを構成する伝送パスに配置された伝送素子のし
    きい値電圧は異なる値に設定されている請求項25記載
    の半導体装置。
  29. 【請求項29】 上記半導体回路のクリティカルパスを
    構成する伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    は、他の伝送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧
    より高く設定されている請求項25記載の半導体装置。
  30. 【請求項30】 上記半導体回路において、レプリカ回
    路に適さない伝送パスに配置された伝送素子のしきい値
    電圧は、少なくとも上記クリティカルパスを構成する伝
    送パスに配置された伝送素子のしきい値電圧より低く設
    定されている請求項25記載の半導体装置。
  31. 【請求項31】 クリティカルパスに近い遅延時間を有
    する伝送パスに配線抵抗Rおよび配線容量Cに基づくR
    C遅延が支配的な伝送パスが含まれている場合、RC成
    分も上記レプリカ回路に含まれている請求項25記載の
    半導体装置。
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