JP2016001389A - Semiconductor device and clock transmission method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びクロック伝送方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a clock transmission method.
半導体装置にて高速なクロックを扱う高速IO(入出力)マクロのような回路のクロック分配においては、信号間の位相差(スキュー、Skew)を小さくすることが求められる。高速IOレシーバにおいて、クロック分配により消費される電力はとりわけ大きい。また、アプリケーションによっては、広い周波数範囲で動作可能なマルチレート対応を求めるものもある。 In a clock distribution of a circuit such as a high-speed IO (input / output) macro that handles a high-speed clock in a semiconductor device, it is required to reduce a phase difference (skew) between signals. In a high-speed IO receiver, the power consumed by clock distribution is particularly large. Some applications require multi-rate support that can operate over a wide frequency range.
従来、信号間のスキューを補正する回路(De−skew回路)を搭載することにより、位相差が小さい小スキューのクロックを分配している半導体装置がある。例えば、クロックツリーの異なる経路で伝送されたクロック間の位相比較を位相比較回路により行い、位相比較回路の出力に応じてクロックドライバの遅延時間を制御することで、クロックの出力位相を揃える技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is a semiconductor device that distributes a small skew clock with a small phase difference by mounting a circuit (De-skew circuit) that corrects a skew between signals. For example, a phase comparison circuit compares the phases of clocks transmitted through different paths in the clock tree, and controls the delay time of the clock driver according to the output of the phase comparison circuit to align the clock output phases. It has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
クリティカルパスとなる論理回路ブロックから出力されるデータを受けるフリップフロップに、その論理回路ブロックと同じプロセスで形成されたトランジスタを用いた遅延バッファを介してクロックを供給することで、動作環境等が変動しても論理回路ブロックからのデータを受け取れるようにする技術が開示されている(特許文献2参照)。インバータに対して出力を入力に帰還する帰還回路を設けて帰還量を制御することで遅延時間を調整する技術が開示されている(特許文献3参照)。同一チップ内の互いに独立した電源を使用する複数の領域で発生する、領域の電源電圧差に依存する信号の相対的な遅延差を、電源電圧差を示す情報に応じて補償する技術が開示されている(特許文献4参照)。 The operating environment etc. fluctuates by supplying a clock to the flip-flop that receives the data output from the logic circuit block that becomes the critical path via a delay buffer that uses a transistor formed by the same process as the logic circuit block. However, a technique for receiving data from the logic circuit block is disclosed (see Patent Document 2). There is disclosed a technique for adjusting a delay time by providing a feedback circuit that feeds back an output to an inverter and controlling a feedback amount (see Patent Document 3). Disclosed is a technique for compensating for a relative delay difference of a signal depending on a power supply voltage difference in a region generated in a plurality of regions using mutually independent power supplies in the same chip according to information indicating the power supply voltage difference. (See Patent Document 4).
半導体装置におけるクロック分配は、一般にクロックツリーを用いるが、スキューの小さいクロック分配を実現するには、クロックが高速になるほどクロックドライバの数が多く、大電力を消費してしまう。本発明の目的は、クロック分配で消費される電力を削減することができる半導体装置を提供することである。 Clock distribution in a semiconductor device generally uses a clock tree. However, in order to realize clock distribution with a small skew, the number of clock drivers increases as the clock speed increases, and large power is consumed. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of reducing power consumed by clock distribution.
半導体装置の一態様は、第1のバイアス電圧によって伝送するクロックの振幅を制御する第1の伝送路からの出力クロックと、第2のバイアス電圧によって伝送するクロックの振幅を制御する第2の伝送路からの出力クロックとの位相を比較し、位相差に応じて位相調整指示を出力する位相調整部と、伝送路からの出力クロックの遷移数を検出する遷移数検出部と、遷移数検出部により検出した遷移数が、設定値よりも大きいかもしくは設定値よりも小さいかを判定し、判定結果を出力する判定部と、判定部及び位相調整部の出力に応じたバイアス電圧を生成し、伝送路に対して供給するバイアス生成部とを有する。 In one embodiment of the semiconductor device, an output clock from a first transmission path that controls the amplitude of a clock that is transmitted by a first bias voltage, and a second transmission that controls the amplitude of a clock that is transmitted by a second bias voltage. A phase adjustment unit that compares the phase of the output clock from the path and outputs a phase adjustment instruction according to the phase difference, a transition number detection unit that detects the number of transitions of the output clock from the transmission path, and a transition number detection unit It is determined whether the number of transitions detected by is greater than the set value or smaller than the set value, a determination unit that outputs a determination result, and a bias voltage according to the output of the determination unit and the phase adjustment unit, A bias generation unit that supplies the transmission line.
開示の半導体装置は、最小の振幅でのクロック伝送が可能になるとともに、小スキューのクロック分配を実現でき、クロック分配で消費される電力を削減することができる。 The disclosed semiconductor device can perform clock transmission with the minimum amplitude, realize clock distribution with a small skew, and reduce power consumed by clock distribution.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施形態における半導体装置の構成例を示す図である。図1には、本実施形態における半導体装置のうち、クロック伝送に係る構成について示しており、その他の部分については省略している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a configuration related to clock transmission in the semiconductor device according to the present embodiment, and other portions are omitted.
図1において、複数のクロックドライバとしてのインバータ11Aが直列接続されたクロック伝送路(クロックパスA)は、入力されるクロックINAを伝送し出力クロックOUTAとして出力する。また、複数のクロックドライバとしてのインバータ11Bが直列接続されたクロック伝送路(クロックパスB)は、入力されるクロックINBを伝送し出力クロックOUTBとして出力する。クロックINA及びクロックINBは、元となる1つのクロックから生成されて分配されるクロックであり、例えばクロックINA及びクロックINBの一方の周波数は、他方の周波数と同じあるいは整数倍である。
In FIG. 1, a clock transmission path (clock path A) in which
インバータ11A、11Bのそれぞれは、例えば図2に示すように、2つのPチャネル型トランジスタ21、22及び2つのNチャネル型トランジスタ23、24を有する。インバータ11A、11Bのそれぞれは、対応するバイアス生成部14A、14Bから供給されるバイアス電圧BIASP、BIASNによって駆動能力(遅延時間)が制御される。
Each of the
トランジスタ21は、ソースが電源電圧のノードに接続され、ドレインがトランジスタ22のソースに接続され、ゲートにバイアス電圧BIASPが供給される。トランジスタ22は、ドレインがインバータ11の出力ノードOUTに接続され、ゲートがインバータ11の入力ノードINに接続される。トランジスタ23は、ソースがトランジスタ24のドレインに接続され、ドレインがインバータ11の出力ノードOUTに接続され、ゲートがインバータ11の入力ノードINに接続される。トランジスタ24は、ソースが基準電位のノードに接続され、ゲートにバイアス電圧BIASNが供給される。
The
すなわち、インバータ11は、入力ノードINに入力された信号をトランジスタ22、23で構成されるインバータにより反転して出力ノードOUTから出力する。また、トランジスタ21、24のそれぞれのゲートに供給されるバイアス電圧BIASP、BIASNによって、トランジスタ22、23で構成されるインバータに対して電源等から供給される電流が制御され、インバータ11の駆動能力(遅延時間)が制御される。
That is, the
図1に戻り、遷移数検出部12Aは、規定した検出期間における、クロックパスAからの出力クロックOUTAでの“0”(例えば、ローレベル(“L”))と“1”(例えば、ハイレベル(“H”))の間の遷移数を検出する。判定部13Aは、遷移数検出部12Aにより検出された遷移数と設定値とを比較して、検出された遷移数が設定値よりも大きいか、もしくは設定値よりも小さいかを判定し、判定結果をバイアス生成部14Aに出力する。
Returning to FIG. 1, the transition
同様に、遷移数検出部12Bは、規定した検出期間における、クロックパスBからの出力クロックOUTBでの“0”と“1”の間の遷移数を検出する。判定部13Bは、遷移数検出部12Bにより検出された遷移数と設定値とを比較して、検出された遷移数が設定値よりも大きいか、もしくは設定値よりも小さいかを判定し、判定結果をバイアス生成部14Bに出力する。
Similarly, the transition
位相調整部15は、クロックパスAからの出力クロックOUTAとクロックパスBからの出力クロックOUTBとのスキューを最小化するための位相調整に係る判定及び制御を行う。位相調整部15は、出力クロックOUTAと出力クロックOUTBとの位相を比較し、位相が遅れているクロックのクロックパスに対応するバイアス生成部14A、14Bの一方に対し、位相差に応じて振幅を調整する指示を出力する。
The
バイアス生成部14Aは、判定部13A及び位相調整部15の出力に応じたバイアス電圧BIASP、BIASNを生成し、クロックパスAのインバータ11Aに供給する。例えば、検出された遷移数が設定値よりも大きいと判定部13Aで判定された場合には、バイアス生成部14Aは、クロックの振幅を小さくするように、すなわちインバータ11Aの駆動能力が低くなるように(遅延時間が長くなるように)バイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる(バイアス電圧BIASPを低下させ、バイアス電圧BIASNを上昇させる)。一方、検出された遷移数が設定値よりも小さいと判定部13Aで判定された場合には、バイアス生成部14Aは、クロックの振幅を大きくするように、すなわちインバータ11Aの駆動能力が高くなるように(遅延時間が短くなるように)バイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる(バイアス電圧BIASPを上昇させ、バイアス電圧BIASNを低下させる)。また、バイアス生成部14Aは、位相調整部15から振幅を調整する指示を受けた場合には、位相差に応じてクロックの振幅を大きくするように、すなわちインバータ11Aの駆動能力が高くなるように(遅延時間が短くなるように)バイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。
The
同様に、バイアス生成部14Bは、判定部13B及び位相調整部15の出力に応じたバイアス電圧BIASP、BIASNを生成し、クロックパスBのインバータ11Bに供給する。例えば、検出された遷移数が設定値よりも大きいと判定部13Bで判定された場合には、バイアス生成部14Bは、クロックの振幅を小さくするように、すなわちインバータ11Bの駆動能力が低くなるように(遅延時間が長くなるように)バイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。一方、検出された遷移数が設定値よりも小さいと判定部13Bで判定された場合には、バイアス生成部14Bは、クロックの振幅を大きくするように、すなわちインバータ11Bの駆動能力が高くなるように(遅延時間が短くなるように)バイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。また、バイアス生成部14Bは、位相調整部15から振幅を調整する指示を受けた場合には、位相差に応じてクロックの振幅を大きくするように、すなわちインバータ11Bの駆動能力が高くなるように(遅延時間が短くなるように)バイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。
Similarly, the
ここで、バイアス生成部14A、14Bは、例えば図3に示すような電流セル31を複数有し、それら電流セル31が並列して設けられている。図3は、本実施形態におけるバイアス生成部14A、14Bが有する電流セルの例を示す図である。図3に示した電流セル31は、3つのNチャネル型トランジスタ32、33、34及び電流源35を有する。
Here, the
トランジスタ32は、ソースが基準電位のノードに接続され、ドレインがトランジスタ34を介して電流Irを流す電流源35に接続され、ゲートがドレインに接続されている。トランジスタ33は、ソースが基準電位のノードに接続され、ドレインが出力電流ノードIoutに接続され、ゲートがトランジスタ32のゲートに接続される、すなわち、トランジスタ32、33は、カレントミラー接続されている。トランジスタ34は、ゲートに制御信号(制御コード)CDが供給され、電流源35の他端は電源電圧のノードに接続される。
The
バイアス生成部14A、14Bは、図3に示したような電流セル31を並列に複数設けて出力電流ノードIoutを共通に接続し、スイッチとしてのトランジスタ34をオンさせる数及びオフさせる数を制御信号(制御コード)CDで制御する。これにより、バイアス生成部14A、14Bは、複数の電流セル31による出力電流の総量を制御し、この出力電流を電流電圧変換することでバイアス電圧BIASP、BIASNを生成する。
The
次に、図1に示した本実施形態における半導体装置の動作について説明する。本実施形態における半導体装置は、振幅調整動作及び位相調整動作を行うことで、クロックパスA及びクロックパスBにより伝送されるクロックの振幅を最適化するとともに位相差(スキュー)を最小化し、クロック分配で消費される電力を削減し小スキューのクロック分配を実現する。 Next, the operation of the semiconductor device in this embodiment shown in FIG. 1 will be described. The semiconductor device according to the present embodiment performs the amplitude adjustment operation and the phase adjustment operation, thereby optimizing the amplitude of the clock transmitted through the clock path A and the clock path B, minimizing the phase difference (skew), and distributing the clock. Reduces the power consumed by the clock and realizes clock distribution with a small skew.
まず、振幅調整動作によりクロックパスA及びクロックパスBにより伝送可能なクロックの最小の振幅を決定する。なお、振幅調整動作はそれぞれのクロックパスに対して行うが、クロックパスA及びクロックパスBでの振幅調整動作は同様であるので、クロックパスAを例に説明する。振幅調整動作を開始すると、遷移数検出部12Aは、規定した検出期間中の、クロックパスAからの出力クロックOUTAでの“0”と“1”の間の遷移数を検出する。そして、判定部13Aは、遷移数検出部12Aにより検出された遷移数が設定値よりも大きいか、もしくは設定値よりも小さいかを判定する。
First, the minimum amplitude of the clock that can be transmitted through the clock path A and the clock path B is determined by the amplitude adjustment operation. Although the amplitude adjustment operation is performed for each clock path, the amplitude adjustment operations in the clock path A and the clock path B are the same, and therefore the clock path A will be described as an example. When the amplitude adjustment operation is started, the transition
判定の結果、検出された遷移数が設定値よりも大きければ、バイアス生成部14Aは、クロックパスAからの出力クロックOUTAの振幅を小さくするように、インバータ11Aに供給するバイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。また、検出された遷移数が設定値よりも小さければ、バイアス生成部14Aは、クロックパスAからの出力クロックOUTAの振幅を大きくするように、インバータ11Aに供給するバイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。前述した動作を繰り返し、検出された遷移数と設定値との関係が定常状態になると、そのときのクロックの振幅をクロックパスAにより伝送可能なクロックの最小の振幅として決定し、振幅調整動作を終了する。
If the number of transitions detected is larger than the set value as a result of the determination, the
クロックパスA及びクロックパスBに対する振幅調整動作が終了した後、位相調整動作によりクロックパスA及びクロックパスBにより伝送されるクロックの位相を揃える。位相調整動作を開始すると、位相調整部15は、出力クロックOUTAと出力クロックOUTBとの位相を比較する。比較の結果、位相調整部15は、位相が遅れているクロックのクロックパスに対応するバイアス生成部14A、14Bの一方に対し、クロックの振幅を大きくするように指示する。位相調整部15からの指示を受けたバイアス生成部14A、14Bの一方は、クロックの振幅を大きくするように、インバータ11A、11Bに供給するバイアス電圧BIASP、BIASNを変化させる。このようにして、クロックパスA及びクロックパスBにより伝送されるクロックの位相調整を行って出力位相を揃える。この位相調整動作は、通常動作時においても継続して行われる。
After the amplitude adjustment operation for the clock path A and the clock path B is completed, the phases of the clocks transmitted through the clock path A and the clock path B are aligned by the phase adjustment operation. When the phase adjustment operation is started, the
本実施形態における半導体装置によれば、最小の振幅でのクロック伝送が可能になるとともに、クロックの位相を揃えることができ、小スキューのクロック分配を実現でき、かつ消費される電力を削減することができる。また、例えば動作速度(クロックの周波数)が遅い場合にはクロックの最小の振幅を小さくできるので、動作周波数に応じて、最小の振幅を決定してクロック伝送を行うことが可能になり、動作周波数が変化しても電力を最適化し最小の電力でのクロック分配が可能となる。 According to the semiconductor device of this embodiment, clock transmission with the minimum amplitude is possible, the phases of the clocks can be aligned, clock distribution with a small skew can be realized, and power consumption can be reduced. Can do. For example, when the operation speed (clock frequency) is slow, the minimum amplitude of the clock can be reduced, so that it is possible to determine the minimum amplitude according to the operation frequency and perform clock transmission. Even if changes, power can be optimized and clock distribution can be performed with minimum power.
図4は、本実施形態における半導体装置の具体的な構成例を示す図である。図4においても、本実施形態における半導体装置のうち、クロック伝送に係る構成について示しており、その他の部分については省略している。 FIG. 4 is a diagram illustrating a specific configuration example of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 4 also shows the configuration related to clock transmission in the semiconductor device according to the present embodiment, and other portions are omitted.
図4において、複数のインバータ101Aが直列接続されたクロック伝送路(クロックパスA)は、入力されるクロックINAを伝送し出力クロックOUTAとして出力する。また、複数のインバータ101Bが直列接続されたクロック伝送路(クロックパスB)は、入力されるクロックINBを伝送し出力クロックOUTBとして出力する。インバータ101A、101Bの構成は、例えば図2に示したインバータ11と同様である。
In FIG. 4, a clock transmission path (clock path A) in which a plurality of
クロックパスAからの出力クロックOUTAに係る振幅調整回路110Aは、ダミー回路111A、カウンター112A、比較回路113A、アナログデジタル変換回路(ADC回路)114A、加算回路115A、及びバイアス回路116Aを有する。ダミー回路111Aは、クロックパスAからの出力クロックOUTAを受けて実動作を行う図示しない回路と同様の負荷を有する回路であり、出力クロックOUTAに応じたクロックCLKAを出力する。ダミー回路111Aは、例えば分周回路である。
The
カウンター112Aは、供給されるクロックExtXCLKAにより規定する検出期間(サンプリング期間)において、ダミー回路111Aから出力されるクロックCLKAでの“0”と“1”の間の遷移数を検出する。例えば、カウンター112Aは、クロックExtXCLKAでの規定サイクル数の期間に亘って、クロックCLKAの遷移数を検出する。比較回路113Aは、カウンター112Aにより検出された遷移数と設定値とを比較して、検出された遷移数が設定値よりも大きければ出力(DC出力)を小さくし、設定値よりも小さければ出力を大きくする。
The
ADC回路114Aは、比較回路113Aの出力(DC出力)をアナログデジタル変換してデジタルコード(振幅調整コード)に変換し出力する。加算回路115Aは、ADC回路114Aでの変換により得られたデジタルコード(振幅調整コード)と位相調整回路120から供給されるデジタルコードとを加算して出力する。バイアス回路110Aは、加算回路115Aから出力されるデジタルコードに応じたバイアス電圧BIASP、BIASNを生成し、クロックパスAのインバータ101Aに供給する。
The
クロックパスBからの出力クロックOUTBに係る振幅調整回路110Bは、ダミー回路111B、カウンター112B、比較回路113B、ADC回路114B、加算回路115B、及びバイアス回路116Bを有する。ダミー回路111Bは、クロックパスBからの出力クロックOUTBを受けて実動作を行う図示しない回路と同様の負荷を有する回路であり、出力クロックOUTBに応じたクロックCLKBを出力する。ダミー回路111Bは、例えば分周回路である。
The
カウンター112Bは、供給されるクロックExtXCLKBにより規定する検出期間(サンプリング期間)において、ダミー回路111Bから出力されるクロックCLKBでの“0”と“1”の間の遷移数を検出する。比較回路113Bは、カウンター112Bにより検出された遷移数と設定値とを比較して、検出された遷移数が設定値よりも大きければ出力(DC出力)を小さくし、設定値よりも小さければ出力を大きくする。
The
ADC回路114Bは、比較回路113Bの出力(DC出力)をデジタルコード(振幅調整コード)に変換し出力する。加算回路115Bは、ADC回路114Bでの変換により得られたデジタルコード(振幅調整コード)と位相調整回路120から供給されるデジタルコードとを加算して出力する。バイアス回路110Bは、加算回路115Bから出力されるデジタルコードに応じたバイアス電圧BIASP、BIASNを生成し、クロックパスBのインバータ101Bに供給する。
The
位相調整回路120は、フリップフロップ128、選択回路121、122、127、位相検出回路123、チャージポンプ回路124、ループフィルタ125、及びADC回路126を有する。フリップフロップ128は、データ入力端子にクロックパスAからの出力クロックOUTAが入力され、クロック入力端子にクロックパスBからの出力クロックOUTBが入力され、出力クロックOUTBに同期して出力クロックOUTAを取り込んで出力する。
The
つまり、フリップフロップ128は、出力クロックOUTBに同期して出力クロックOUTAを取り込んで出力することで、出力クロックOUTA又は出力クロックOUTBのどちらの位相が遅れているかを出力により示す。例えば、フリップフロップ128は、出力クロックOUTAが位相の遅れている信号であれば“H”を出力し、出力クロックOUTBが位相の遅れている信号であれば“L”を出力する。
In other words, the flip-
選択回路121は、フリップフロップ128の出力に応じて、出力クロックOUTA及び出力クロックOUTBの内の位相の遅れている一方のクロックを対象クロックCKIとして選択して出力する。選択回路122は、フリップフロップ128の出力に応じて、出力クロックOUTA及び出力クロックOUTBの内の他方のクロック(選択回路121により選択されたクロックとは異なるクロック)を参照クロックCKRとして選択して出力する。
The
位相検出回路123は、選択回路121から出力された対象クロックCKIと選択回路122から出力された参照クロックCKRとの位相差を検出する。チャージポンプ回路124及びループフィルタ125は、位相検出回路123の出力に応じて出力電圧(DC出力)を生成する。ADC回路126は、チャージポンプ回路124及びループフィルタ125による出力電圧(DC出力)をデジタルコードに変換し出力する。
The
選択回路121は、フリップフロップ128の出力に応じて、ADC回路126から出力されるデジタルコードを、振幅調整回路110Aの加算回路115A又は振幅調整回路110Bの加算回路115Bに出力する。選択回路121は、フリップフロップ128の出力により示される位相の遅れているクロックに対応する振幅調整回路110A、110Bの一方に対して、ADC回路126から出力されるデジタルコードを供給する。
The
シーケンサー130は、本実施形態における半導体装置での振幅調整動作及び位相調整動作に係る制御を行う。シーケンサー130は、例えば、外部からの信号CLK_ADJ_STARTが入力される(“1”となる)と、振幅調整動作及び位相調整動作を開始し、動作が終了すると信号CLK_ADJ_ENDを出力する(“1”にする)。
The
次に、図4に示した本実施形態における半導体装置の動作について説明する。図5は、図4に示した本実施形態における半導体装置の動作例を示すフローチャートである。前述したように本実施形態における半導体装置は、振幅調整動作及び位相調整動作を行う。 Next, the operation of the semiconductor device in this embodiment shown in FIG. 4 will be described. FIG. 5 is a flowchart showing an operation example of the semiconductor device in the present embodiment shown in FIG. As described above, the semiconductor device according to the present embodiment performs an amplitude adjustment operation and a phase adjustment operation.
シーケンサー130に信号CLK_ADJ_START(=“1”)が入力されることで動作を開始すると(S101)、シーケンサー130からの指示に応じて振幅調整回路110A及び振幅調整回路110Bによる振幅調整動作が開始される。位相調整回路120は、動作せずに停止している。振幅調整動作を開始すると、振幅調整回路110Aのダミー回路111Aが、クロックパスAからの出力クロックOUTAに応じたクロックCLKAの生成を開始し、振幅調整回路110Bのダミー回路111Bが、クロックパスBからの出力クロックOUTBに応じたクロックCLKBの生成を開始する(S102)。
When the operation is started by inputting the signal CLK_ADJ_START (= “1”) to the sequencer 130 (S101), the amplitude adjustment operation by the
そして、クロックCLKA、CLKBが安定すると(S103)、振幅調整回路110A、110Bでは、クロックCLKA、CLKBの“0”と“1”の間の遷移数が確認され、遷移数が設定値よりも大きい場合にはデジタルコード(振幅調整コード)を小さくしてクロックの振幅を小さくするように制御し、遷移数が設定値よりも小さい場合にはデジタルコード(振幅調整コード)を大きくしてクロックの振幅を大きくするように制御する(S104)。このステップS103及びS104の動作を、クロックCLKA、CLKBの遷移数と設定値との関係が定常状態になるまで繰り返し行う(S105)。
When the clocks CLKA and CLKB are stabilized (S103), the
クロックCLKA、CLKBの遷移数と設定値との関係が定常状態になると、振幅調整回路110A、110Bでは、そのときのクロックの振幅を伝送可能な最小の振幅として決定する。そして、振幅調整回路110A、110Bは、決定した最小の振幅に対応するデジタルコード(振幅調整コード)を規定数(例えば1)だけ大きくする(S106)。これは、決定した最小の振幅が伝送可能な限界としての振幅であるため、振幅に余裕度を持たせるために加えるものである。このようにして、振幅調整回路110A及び振幅調整回路110Bによる振幅調整動作を終了し、シーケンサー130が信号CLK_ADJ_END(=“1”)を出力するとともに、位相調整動作を開始する(S107)。
When the relationship between the number of transitions of the clocks CLKA and CLKB and the set value becomes a steady state, the
なお、振幅調整回路110A及び振幅調整回路110Bによる振幅調整動作は、同時に並列して実行しなくても良く、振幅調整回路110A及び振幅調整回路110Bの一方による振幅調整動作を行った後に、他方による振幅調整動作を行うようにしても良い。また、振幅調整回路110Aによる振幅調整動作の一部と振幅調整回路110Bによる振幅調整動作の一部とが並列に実行されても良い。
Note that the amplitude adjustment operation by the
位相調整動作を開始すると、シーケンサー130からの指示に応じて位相調整回路120が動作を開始するとともに、振幅調整回路110A及び振幅調整回路110Bの動作が停止されてダミー回路111A、111BによるクロックCLKA、CLKBの生成が停止される(S108)。位相調整回路120では、位相検出回路123が動作を開始し、出力クロックOUTA及び出力クロックOUTBの一方を対象クロックCKIとし、他方を参照クロックCKRとして位相比較を行う(S109)。そして、チャージポンプ回路124及びループフィルタ125が、位相検出回路123での位相比較により検出された位相差を出力電圧(DC出力)に変換して出力する(S110)。
When the phase adjustment operation is started, the
続いて、ADC回路126が、チャージポンプ回路124及びループフィルタ125による出力電圧(DC出力)をデジタルコードに変換する。このデジタルコードが、位相が遅れているクロックの振幅調整回路110A、110Bのバイアス回路116A、116Bに、選択回路127及び加算回路115A、115Bを介して入力される。これにより、位相が遅れているクロックの振幅を大きくして、出力クロックOUTA及び出力クロックOUTBの位相が揃うように位相調整を行い(S111)、出力クロックOUTA及び出力クロックOUTBの出力位相が安定する(S112)。
Subsequently, the
ステップS108〜S112による位相調整動作は、半導体装置の実動作中においても継続して実行される。したがって、例えば温度等の動作環境が変化しても、その動作環境下での位相調整が行われ、小スキューでのクロック分配が実現できる。 The phase adjustment operation in steps S108 to S112 is continuously executed even during the actual operation of the semiconductor device. Therefore, even if the operating environment such as temperature changes, for example, phase adjustment is performed under the operating environment, and clock distribution with a small skew can be realized.
以上のようにして、本実施形態における半導体装置では、最小の振幅でのクロック伝送が可能になるとともに、小スキューのクロック分配を実現でき、クロック分配で消費される電力を削減することができる。また、動作周波数に応じて、最小の振幅を変更しクロック伝送を行うことが可能になり、動作周波数が変化しても電力を最適化し最小の電力でのクロック分配が可能となる。 As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, clock transmission with minimum amplitude is possible, clock distribution with a small skew can be realized, and power consumed by clock distribution can be reduced. In addition, it is possible to change the minimum amplitude according to the operating frequency and perform clock transmission. Even if the operating frequency changes, the power can be optimized and the clock can be distributed with the minimum power.
図6は、本実施形態における半導体装置の適用例を示す図である。図6において、図4に示した構成要素と同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図6には、高速IO回路マクロのトランスミッター内部のマルチプレクサ回路において、各段のクロック分配に用いた例を示している。 FIG. 6 is a diagram illustrating an application example of the semiconductor device according to the present embodiment. In FIG. 6, components having the same functions as those shown in FIG. 4 are given the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted. FIG. 6 shows an example used for clock distribution at each stage in the multiplexer circuit inside the transmitter of the high-speed IO circuit macro.
図6においては、高速IO回路マクロのトランスミッター内部の4:2マルチプレクサ回路202に対してクロックパスAからの出力クロックOUTAが入力され、2:1マルチプレクサ回路203に対してクロックパスBからの出力クロックOUTBが入力される。クロックパスAには、分周回路201により入力されるクロックCLKを分周回路201により2分周して得られたクロックが入力クロックINAとして入力され、クロックパスBには、入力されるクロックCLKが入力クロックINBとして入力される。
In FIG. 6, the output clock OUTA from the clock path A is input to the 4: 2
図7は、図6に示したダミー回路111A、111Bの一例を示す図である。図7に示すダミー回路は、Dラッチ回路301−1、301−2及びインバータ304、305を有する分周回路である。Dラッチ回路301−1、301−2の各々は、トランスファゲート302及びインバータ303を有する。Dラッチ回路301−1、301−2の各々は、その入力端がトランスファゲート302を介してインバータ303の入力端に接続され、その出力端がインバータ303の入力端に接続される。トランスファゲート302は、入力信号INにより制御されるNチャネル型トランジスタとインバータ304により反転した入力信号INにより制御されるPチャネル型トランジスタとを有する。Dラッチ回路301−2の出力が出力信号OUTとして出力されるとともに、インバータ305を介してDラッチ回路301−1に入力される。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the
図6に示したように、高速IO回路マクロのトランスミッター内部のマルチプレクサ回路に対するクロック分配に本実施形態を適用することで、4:2マルチプレクサ回路202及び2:1マルチプレクサ回路203の各々に入力されるクロックのスキューを小さくし、かつ省電力でクロックを伝送することができる。
As shown in FIG. 6, the present embodiment is applied to clock distribution to the multiplexer circuit inside the transmitter of the high-speed IO circuit macro, so that it is input to each of the 4: 2
なお、前記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化のほんの一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 The above-described embodiments are merely examples of implementation in carrying out the present invention, and the technical scope of the present invention should not be construed as being limited thereto. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or the main features thereof.
11A、11B インバータ(クロックドライバ)
12A、12B 遷移数検出部
13A、13B 判定部
14A、14B バイアス生成部
15 位相調整部
101A、101B インバータ(クロックドライバ)
110A、110B 振幅調整回路
111A、111B ダミー回路
112A、112B カウンター
113A、113B 比較回路
114A、114B アナログデジタル変換回路
115A、115B 加算回路
116A、116B バイアス回路
120 位相調整回路
130 シーケンサー
11A, 11B Inverter (clock driver)
12A, 12B Transition
110A, 110B
Claims (7)
第2のバイアス電圧によって伝送するクロックの振幅を制御する、前記第1の伝送路とは異なる第2の伝送路と、
前記第1の伝送路からの出力クロックと前記第2の伝送路からの出力クロックとの位相を比較し、位相差に応じて位相調整指示を出力する位相調整部と、
規定した検出期間における前記伝送路からの出力クロックの遷移数を検出する遷移数検出部と、
前記遷移数検出部により検出した遷移数が、設定値よりも大きいかもしくは設定値よりも小さいかを判定し、判定結果を出力する判定部と、
前記判定部の出力及び前記位相調整部の出力に応じた前記バイアス電圧を生成し、前記伝送路に対して供給するバイアス生成部とを有することを特徴とする半導体装置。 A first transmission path for controlling the amplitude of the clock transmitted by the first bias voltage;
A second transmission path that is different from the first transmission path and controls the amplitude of the clock transmitted by the second bias voltage;
A phase adjustment unit that compares the phases of the output clock from the first transmission path and the output clock from the second transmission path and outputs a phase adjustment instruction according to the phase difference;
A transition number detector for detecting the number of transitions of the output clock from the transmission line in a specified detection period;
A determination unit that determines whether the number of transitions detected by the transition number detection unit is larger than a set value or smaller than a set value, and outputs a determination result;
A semiconductor device, comprising: a bias generation unit that generates the bias voltage corresponding to the output of the determination unit and the output of the phase adjustment unit and supplies the bias voltage to the transmission line.
前記判定部で、前記遷移数検出部により検出した遷移数が設定値よりも大きいと判定した場合、伝送するクロックの振幅を小さくする前記バイアス電圧を生成して前記伝送路に対して供給し、
前記判定部で、前記遷移数検出部により検出した遷移数が設定値よりも小さいと判定した場合、伝送するクロックの振幅を大きくする前記バイアス電圧を生成して前記伝送路に対して供給することを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。 The bias generation unit includes:
When the determination unit determines that the number of transitions detected by the transition number detection unit is greater than a set value, generates the bias voltage that reduces the amplitude of the clock to be transmitted and supplies the bias voltage to the transmission line,
When the determination unit determines that the number of transitions detected by the transition number detection unit is smaller than a set value, the bias voltage for increasing the amplitude of the clock to be transmitted is generated and supplied to the transmission line. The semiconductor device according to claim 1 or 2.
前記位相調整部の出力に応じて、前記第1の伝送路からの出力クロックと前記第2の伝送路からの出力クロックとの内の位相が遅れている出力クロックの振幅を位相差に応じて大きくする前記バイアス電圧を生成して前記伝送路に対して供給することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体装置。 The bias generation unit includes:
According to the output of the phase adjustment unit, the amplitude of the output clock whose phase is delayed between the output clock from the first transmission path and the output clock from the second transmission path is determined according to the phase difference. The semiconductor device according to claim 1, wherein the bias voltage to be increased is generated and supplied to the transmission line.
前記判定部の出力に応じた前記バイアス電圧を生成して前記伝送路に対して供給した後に、前記伝送路に対して供給する前記バイアス電圧を前記位相調整部の出力に応じて変化させることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体装置。 The bias generation unit includes:
After the bias voltage corresponding to the output of the determination unit is generated and supplied to the transmission line, the bias voltage supplied to the transmission line is changed according to the output of the phase adjustment unit. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is characterized in that:
前記判定部は、
前記遷移数検出部により検出した遷移数が、設定値よりも大きければ出力を大きくし、設定値よりも小さければ出力を小さくする比較回路と、
前記比較回路の出力をデジタルコードに変換するアナログデジタル変換回路とを有することを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の半導体装置。 The transition number detection unit includes a counter that detects the number of transitions related to the output clock from the transmission path,
The determination unit
A comparison circuit that increases the output if the number of transitions detected by the transition number detection unit is greater than a set value, and decreases the output if it is less than the set value;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising an analog-to-digital conversion circuit that converts an output of the comparison circuit into a digital code.
検出した前記遷移数が、設定値よりも大きいかもしくは設定値よりも小さいかを判定し、
前記検出した遷移数が設定値よりも大きいと判定した場合、伝送するクロックの振幅を小さくする前記バイアス電圧を生成して前記伝送路に対して供給し、前記検出した遷移数が設定値よりも小さいと判定した場合、伝送するクロックの振幅を大きくする前記バイアス電圧を生成して前記伝送路に対して供給し、
第1の前記バイアス電圧が供給される第1の前記伝送路からの出力クロックと、第2の前記バイアス電圧が供給される第2の前記伝送路からの出力クロックとの位相を比較し、位相差に応じて前記第1のバイアス電圧又は前記第2のバイアス電圧の一方を変化させることを特徴とする半導体装置のクロック伝送方法。 Detecting the number of transitions of the output clock from the transmission line in which the amplitude of the clock transmitted by the bias voltage is controlled over a specified detection period;
Determining whether the detected number of transitions is greater than a set value or less than a set value;
When it is determined that the detected number of transitions is larger than a set value, the bias voltage for reducing the amplitude of the clock to be transmitted is generated and supplied to the transmission line, and the detected number of transitions is smaller than the set value. If determined to be small, generate the bias voltage to increase the amplitude of the clock to be transmitted and supply it to the transmission path,
The phase of the output clock from the first transmission line to which the first bias voltage is supplied and the output clock from the second transmission line to which the second bias voltage is supplied are compared. One of the first bias voltage and the second bias voltage is changed in accordance with a phase difference. A clock transmission method for a semiconductor device, wherein:
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JP2014120796A JP2016001389A (en) | 2014-06-11 | 2014-06-11 | Semiconductor device and clock transmission method |
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