產生時鐘信號的集成電路和方法
2023-10-06 16:33:04 1
專利名稱：產生時鐘信號的集成電路和方法
技術領域：
本發明涉及一種產生時鐘信號的集成電路和方法，並特別涉及這樣一種產生時鐘信號的集成電路和方法，它能夠根據設備消耗的功率量來調節該時鐘信號的頻率，同時穩定地維持內部電源電壓。
背景技術：
對採用電池的可攜式設備的使用已變得很廣泛。對於這樣的可攜式設備，由於它們能在不需要充電或者更換電池的情況下被更頻繁地使用，所以低功耗是一個有吸引力的因素。一種降低這種設備的功耗的方法是，當系統空閒一段時間時，使系統處於睡眠模式。
另一種降低功耗的方法是，當系統與時鐘信號同步工作時，調節在功耗、功率電壓電平或時鐘頻率的不同狀態之間的切換概率。在韓國專利公開號2004-17039中公開了一種用於調節時鐘頻率(或時鐘速度)的示範電路。
韓國專利公開號2004-17039中的電路檢測集成電路設備所消耗的電流量，並根據所檢測的電流消耗量而調節時鐘頻率。當所檢測到的電流消耗量增加時，時鐘頻率降低。另外，將參考電壓與內部電源電壓相比較，並利用比較結果來控制時鐘發生電路。這個內部電源電壓用作該時鐘發生電路的電源電壓。
韓國專利公開號2004-17039中的電路不根據系統的工作模式而改變最大容許電流。因此，該電路不能可變地調節系統的操作速度，因為這個電路是採用一個受限的最大容許電流而工作的。因此，需要一種產生時鐘信號的集成電路，這個時鐘信號的最大電流消耗量是可以變化地調節的，並且該集成電路能夠根據所調節的最大電流消耗量調節該時鐘信號的頻率。
發明內容
本發明的特徵是提供一種產生時鐘信號的集成電路和方法，它能夠根據時鐘信號的最大電流消耗量而調節該時鐘信號的頻率。
根據本發明的一個方面，提供了一種產生時鐘信號的集成電路。該集成電路包括電壓轉換單元、最大功率確定單元、時鐘控制單元和時鐘發生器。該電壓轉換單元將外部電源電壓轉換成內部電源電壓，並檢測功能塊的電流消耗量的變化，以產生測得電壓。該功能塊採用內部電源電壓消耗預定量的電流。該最大功率確定單元確定功能塊的最大電流消耗量並將該最大電流消耗量轉換成對應的最大容許電壓。該時鐘控制單元根據測得電壓和最大容許電壓之間的比較結果，而產生至少一個頻率控制信號。該時鐘發生器產生根據頻率控制信號而調節其頻率的時鐘信號。
根據本發明的另一個方面，提供了一種產生時鐘信號的方法。在該方法中，將外部電源電壓轉換成內部電源電壓，並且檢測電流消耗量的變化以產生測得電壓。確定最大電流消耗量，並將該最大電流消耗量轉換成對應的最大容許電壓。根據測得電壓和最大容許電壓之間的比較結果，產生至少一個頻率控制信號。產生根據頻率控制信號而調節其頻率的時鐘信號。
通過參照附圖詳細描述本發明的示範實施例，本發明對於本領域的普通技術人員來說將變得更明顯，其中相同的附圖標記表示相同的部件，給出附圖是為了圖示而非限制本發明的示範實施例。
圖1是圖示了根據本發明示範實施例的用於產生時鐘信號的集成電路的方框圖。
圖2是圖示了根據本發明示範實施例的用於產生時鐘信號的集成電路的電路圖。
圖3A是圖示了根據本發明示範實施例的最大功率確定單元的電路圖。
圖3B是圖示了根據本發明另一示範實施例的最大功率確定單元的電路圖。
圖4A是圖示了根據本發明示範實施例的時鐘控制單元的電路圖。
圖4B是圖示了根據本發明另一示範實施例的時鐘控制單元的電路圖。
具體實施例方式
下文中，將參照附圖詳細解釋本發明圖1是圖示了根據本發明示範實施例的用於產生時鐘信號的集成電路的電路圖。
參考圖1，所述產生時鐘信號的集成電路包括電壓轉換單元100、最大功率確定單元200、時鐘控制單元300、時鐘產生單元400和功能塊500。
為該電壓轉換單元100供給外部電源電壓Ext_VDD和參考電壓Vref。該電壓轉換單元100將該外部電源電壓Ext_VDD轉換成內部電源電壓Int_VDD。另外，電壓轉換單元100利用參考電壓Vref對功能塊500的電流消耗量的變化進行檢測，以產生測得電壓Vmon。當功能塊500的電流消耗量增加時，內部電源電壓Int_VDD降低，而與功能塊500的電流消耗量對應的電壓也會降低。根據參考電壓Vref與對應於功能塊500的電流消耗量的電壓之間的比較結果，測得電壓Vmon降低。當測得電壓Vmon降低時，由外部電源電壓Ext_VDD提供的電流增加。因此，內部電源電壓Int_VDD可以保持在預定電平。
最大功率確定單元200根據外部提供的功率控制信號Vctl，而確定集成電路的最大電流消耗量。該最大電流消耗量被轉換成定義為最大容許電壓Vmax的電壓。
該時鐘控制單元300根據檢得電壓Vmon與最大容許電壓Vmax之間的比較結果，而產生頻率控制信號Fctl。例如，時鐘控制單元300將測得電壓Vmon轉換成比較電壓Vcomp，並將這個比較電壓Vcomp與最大容許電壓Vmax進行比較，以產生頻率控制信號Fctl。
例如，當內部電源電壓Int_VDD降低時，測得電壓Vmon降低，並且比較電壓Vcomp基於下降的測得電壓Vmon而增加。增加的比較電壓Vcomp與最大容許電壓Vmax作比較，以降低時鐘控制單元300所產生的頻率控制信號Fctl的電平。根據頻率控制信號Fctl的降低的電平，從時鐘產生單元400輸出的時鐘信號PACLK具有降低的頻率。
當將時鐘信號PACLK的降低的頻率提供給功能塊500時，功能塊500的電流消耗量會減少。因此，用於產生時鐘信號的集成電路的功耗減少，並由此該電路以負反饋結構工作。
圖2是圖示了根據本發明示範實施例的用於產生時鐘信號的集成電路的電路圖。
參考圖2，電壓轉換單元100包括電流檢測單元140和第一電壓比較單元120。
該電流檢測單元140包括電流源和與該電流源連接以產生第一比較電壓和內部電源電壓Int_VDD的電流檢測通路。圖2中，電流源包括PMOS電晶體P10，而電流檢測通路包括電阻R10和R11。
該第一電壓比較單元120包括比較器CMP1。參考電壓Vref被施加到比較器CMP1的負輸入端上，而第一比較電壓被施加到比較器CMP1的正輸入端上。
當功能塊500的電流消耗量增加時，內部電源電壓Int_VDD的電平減少。基於減少的內部電源電壓Int_VDD，流過電流檢測通路中的電阻R10和R11的電流量也減少。因此，第一比較電壓降低。
例如，比較器CMP1對應於線性比較器。因此，測得電壓Vmon根據第一比較電壓的降低而降低。因為測得電壓Vmon被施加到電流源的PMOS電晶體P10的柵極上，所以測得電壓Vmon的降低引起PMOS電晶體P10的柵源電壓升高。因此，流過電路檢測通路中的電阻R10和R11的電流量增加，而降低的內部電源電壓Int_VDD則增加到預定電平。
最大功率確定單元200根據外部提供的功率控制信號Vctl而確定最大電流消耗量，並將該最大電流消耗量轉換成對應的最大容許電壓Vmax。
最大功率確定單元200包括電流消耗量確定單元220和最大容許電壓產生單元240。電流消耗量確定單元220確定功能塊500的最大電流消耗量，而最大容許電壓產生單元240產生最大容許電壓Vmax。
圖2中，電流消耗量確定單元220包括多個並聯連接的電晶體P20、P21和P22，最大容許電壓產生單元240包括電阻R21，其將流過電流消耗量確定單元220中的選擇性導通的電晶體的電流轉換成電壓。
電晶體P20、P21和P22可以響應於功率控制信號Vctl而獨立工作。另外，各個電晶體P20、P21和P22的尺寸(例如，電晶體通道寬度(W)與電晶體通道長度(L)的比率(W/L))可以彼此不同。例如，電晶體P21的寬度與長度(W/L)比是電晶體P20的W/L比的二倍。另外，電晶體P22的W/L比是電晶體P20的W/L比的四倍。
為了擴大可選最大功率消耗量的範圍，具有不同電晶體尺寸(例如不同W/L比)的至少一個電晶體可以附加設置為與電流消耗量確定單元220並聯。
如電流消耗量確定單元220所示，電晶體P20、P21和P22響應於功率控制信號Vctl而被選擇性地導通。流過電阻R21的電流量由導通電晶體的源柵電壓、導通電晶體的W/L比和導通電晶體的數量來確定。因此，導通電晶體用作電流源。從電流源(例如導通電晶體)提供的電流流過最大容許電壓產生單元240以產生預定電壓電平。
最大容許電壓產生單元240包括至少一個負載。圖2中，最大容許電壓產生單元240包括電阻R21。因此，流過電阻R21的電流確定該最大容許電壓Vmax。
另外，最大功率確定單元200還可包括初始容許電壓確定單元260。圖2中，該初始容許電壓確定單元260包括電阻R20。電阻R20連接在內部電源電壓Int_VDD和電阻R21之間。當電流消耗量確定單元220的電晶體P20、P21和P22通過功率控制信號Vctl而被全部關斷時，該最大容許電壓Vmax由電阻R20和R21之間的電阻比確定。這裡，所確定的最大容許電壓Vmax被定義為最大容許電壓的初始值。
該時鐘控制單元300包括比較電壓發生器320和第二電壓比較單元340。該比較電壓發生器320包括電晶體P30，其是電流檢測單元140的電晶體P10的電流反射鏡。也就是，電晶體P10的柵極與比較電壓發生器320的電晶體P30的柵極耦接，兩個電晶體P10和P30的柵源電壓是相同的。因此，電晶體P30的源極到漏極的電流由兩個電晶體P10和P30之間的尺寸比確定。通過對電流檢測單元140的電晶體P10中的電流進行鏡像，可以產生電晶體P30的源極到漏極的電流。
因此，比較電壓發生器320的電晶體P30用作壓控電流源。另外，比較電壓發生器320包括電阻R30，用於將壓控電流源(例如電晶體P30)提供的電流轉換成電壓。值得注意的是，比較電壓發生器320可以包括兩個或多個電阻，以將壓控電流源提供的電流轉換成電壓。
因此，在大信號分析中，比較電壓發生器320的偏置電流與經過電流檢測單元140中的電晶體P10的源極到漏極的偏置電流成正比。當電晶體P10的偏置電流增加時，電晶體P30的偏置電流也與電晶體P10的偏置電流成正比地增加。兩個電晶體P10和P30之間的偏置電流比由電晶體P10和P30的尺寸比(例如W/L比)確定。
當測得電壓Vmon下降時，電晶體P30的源柵電壓升高，經過電晶體P30的源極到漏極的偏置電流也增加。根據增加的偏置電流，施加到第二電壓比較單元340的比較器CMP2的負輸入端的電壓也增加。另外，將施加到比較器CMP2的負輸入端的電壓與施加到比較器CMP2的正輸入端的最大容許電壓Vmax進行比較，以產生頻率控制信號Fctl。基於這個頻率控制信號Fctl，時鐘信號PACLK具有預定頻率。
圖2中，時鐘發生單元400包括其中串聯了三個變換器的環形振蕩器。可替換地，時鐘發生單元400可包括壓控振蕩器(VCO)，以產生根據電壓控制進行調節的頻率。
時鐘產生單元400產生時鐘信號PACLK，該時鐘信號具有根據頻率控制信號Fctl進行調節的頻率，並將該時鐘信號PACLK提供給功能塊500。
基於內部電源電壓Int_VDD而為功能塊500提供電力，以執行預定功能。
圖3A是圖示了根據本發明示範實施例的最大功率確定單元200的電路圖，而圖3B是圖示了根據本發明另一示範實施例的最大功率確定單元200的電路圖。
參考圖3A，該最大功率確定單元200包括具有至少一個電流源的電流消耗量確定單元220a。圖3A中，該電流消耗量確定單元220a包括作為電流源的PMOS電晶體P23。可替換地，該電流消耗量確定單元220a包括多個並排並且彼此耦接的電晶體。
最大功率確定單元200還包括最大容許電壓發生單元240a。該最大容許電壓發生單元240a包括串聯耦接的電阻R22、R23和R24以及分別與電阻R22、R23和R24並聯耦接的電晶體N22、N23和N24。
電晶體P23具有根據功率控制信號Vctl而變化的負載阻抗。換句話說，電晶體P23的負載阻抗由功率控制信號Vctl選擇性地導通的電晶體N22、N23和N24進行調節。
該最大功率確定單元200還可包括初始容許電壓確定單元260a，用於確定最大容許電壓的初始值。圖3A中，該初始容許電壓確定單元260a包括電阻R20a和R21a。電阻R20a耦接在內部電源電壓Int_VDD與最大容許電壓發生單元240a之間，電阻R21a耦接在最大容許電壓發生單元240a和地之間。
初始容許電壓確定單元260a防止最大容許電壓Vmax通過根據功率控制信號Vctl而選擇性地導通或關斷的電流消耗量確定單元220a的電晶體P23以及最大容許電壓發生單元240a的電晶體N22、N23和N24而耦接到內部電源電壓Int_VDD或地。
另外，雖然功率控制信號Vctl處於浮動狀態，但是最大容許電壓Vmax有預定電壓電平。也就是，最大容許電壓Vmax可在電晶體P23、N22、N23和N24基於功率控制信號Vctl開始工作之前就具有預定電壓電平。這裡，最大容許電壓Vmax被定義為最大容許電壓的初始值。
參考圖3B，最大功率確定單元200包括電流消耗量確定單元220b，其具有至少一個電流源。圖3B中，電流消耗量確定單元220b包括作為電流源的NMOS電晶體N25。可替換地，電流消耗量確定單元220b還包括多個並排並且彼此耦接的電晶體。
最大容許電壓發生單元240b包括串聯耦接的電阻R25、R26和R27以及分別與電阻R25、R26和R27並聯耦接的電晶體P25、P26和P27。電晶體N25具有根據功率控制信號Vctl變化的負載阻抗。換句話說，電晶體N25的負載阻抗由功率控制信號Vctl選擇性地導通的電晶體P25、P26和P27進行調節。
最大功率確定單元200還可包括初始容許電壓確定單元260b。圖3b中，該初始容許電壓確定單元260b包括電阻R20b和R21b。電阻R21b耦接在內部電源電壓Int_VDD與電流消耗量確定單元220b之間，電阻R20b耦接在最大容許電壓發生單元240b和地之間。
初始容許電壓確定單元260b防止最大容許電壓Vmax通過根據功率控制信號Vctl而選擇性地導通或關斷的電流消耗量確定單元220b的電晶體N25以及最大容許電壓發生單元240b的電晶體P25、P26和P27而耦接到內部電源電壓Int_VDD或地。另外，雖然功率控制信號Vctl處於浮動狀態，但是最大容許電壓Vmax有預定電壓電平。因此，最大容許電壓Vmax可以在電晶體基於功率控制信號Vctl開始工作之前，就具有預定電壓電平。這裡，最大容許電壓Vmax被定義為最大容許電壓的初始值。
圖4A是圖示了根據本發明示範實施例的時鐘控制單元300的電路圖，而圖4B是圖示了根據本發明另一示範實施例的時鐘控制單元300的電路圖。
參考圖4A，該時鐘控制單元300包括比較電壓發生器320a和包括比較器CMP2的第二電壓比較單元340a。該比較電壓發生器320a包括電晶體P30、N31、N32和N33以及電阻R31、R32和R33。電晶體P30可以工作在飽和區中。電晶體N31、N32和N33用於調節電晶體P30的負載阻抗。
電晶體N31、N32和N33由負載控制信號Vload選擇性地導通，其中該負載控制信號Vload從外部輸入以調節電晶體P30的負載阻抗。所調節的電晶體P30的負載阻抗控制施加到電晶體P30的漏極的比較電壓Vcomp。
參考圖4B，時鐘控制單元300包括比較電壓發生器320b、包括比較器CMP2的第二電壓比較單元340b、和電流源選擇單元350。該電流源選擇單元350包括電晶體P34、P35和P36。電晶體P34、P35和P36由選擇信號Vsel選擇性地導通。比較電壓發生器320b的電晶體P31、P32和P33經由電晶體P31、P32和P33中選擇性導通的電晶體而與外部電源電壓Ext_VDD相連。與外部電源電壓Ext_VDD電氣耦接的電晶體可以對經過圖2中電晶體P20的電流進行鏡像。
可替換地，在圖4B中可以使用用於調節圖4A中負載阻抗的電晶體。也就是，由負載控制信號Vload控制的電晶體N31、N32和N33以及電阻R31、R32和R33可以代替圖4B中的電阻R34。
根據本發明的示範實施例，測得電壓Vmon的電平被調節並提供給第二比較器CMP2。當調節後的測得電壓Vmon具有超過最大容許電壓Vmax的電壓電平時，由比較器CMP2產生的頻率控制信號Fctl的電平會降低。根據頻率控制信號Fctl的電平的降低，時鐘信號PACLK的頻率降低，並因此超過最大容許電壓Vmax的功能塊500的功率消耗量也會降低。
根據本發明的示範實施例，時鐘信號的頻率可以控制在確定的最大電流消耗量之內，這樣施加到功能塊的時鐘信號頻率可以根據功能塊的功率消耗量得到精確控制，同時基本上維持了內部電壓。另外，考慮到功能塊的性能和功率消耗量，可有效控制功能塊的電流消耗量。
儘管已描述了本發明的示範實施例，但是應理解由所附權利要求限定的本發明不限於以上描述提出的特定細節，在不脫離權利要求要求保護的精神或範圍的情況下，許多明顯變化都是可能的。
權利要求
1.一種用於產生時鐘信號的集成電路，包括電壓轉換單元，配置成將外部電源電壓轉換成內部電源電壓，檢測功能塊電流消耗量的變化，並產生測得電壓，其中該功能塊使用內部電源電壓消耗電流量；最大功率確定單元，配置成確定功能塊的最大電流消耗量，並將該最大電流消耗量轉換成對應的最大容許電壓；時鐘控制單元，配置成基於測得電壓和該最大容許電壓之間的比較結果，而產生至少一個頻率控制信號；和時鐘發生器，配置成產生時鐘信號，其中該時鐘信號的頻率根據該頻率控制信號進行調節。
2.根據權利要求1的集成電路，其中該電壓轉換單元包括電流檢測單元，配置成產生第一比較電壓和內部電源電壓；和第一比較器，配置成將該第一比較電壓與輸入參考電壓進行比較，以產生該測得電壓。
3.根據權利要求2的集成電路，其中該電流檢測單元包括電流檢測通路，配置成在功能塊的電流消耗量增加時降低第一比較電壓的電壓電平；和電流源，配置成為該電流檢測通路和功能塊提供電流。
4.根據權利要求3的集成電路，其中根據測得電壓而對該電流源提供的電流量進行調節。
5.根據權利要求1的集成電路，其中該最大功率確定單元包括電流消耗量確定單元，配置成基於功率控制信號確定功能塊的最大電流消耗量；和最大容許電壓產生單元，配置成產生與電流消耗量確定單元的輸出電流對應的最大容許電壓。
6.根據權利要求5的集成電路，其中該電流消耗量確定單元包括多個並聯連接的電流源，其中該電流源由功率控制信號選擇性地導通。
7.根據權利要求6的集成電路，其中該最大容許電壓產生單元包括負載，用於根據從電流源中至少一個選擇性導通的電流源提供的電流，而產生最大容許電壓。
8.根據權利要求5的集成電路，其中該電流消耗量確定單元包括電流源，由該功率控制信號選擇性地導通。
9.根據權利要求8的集成電路，其中該最大容許電壓產生單元的負載阻抗根據該功率控制信號而進行調節。
10.根據權利要求9的集成電路，其中該電流消耗量確定單元還包括初始容許電壓確定單元，用於確定最大容許電壓的初始值。
11.根據權利要求1的集成電路，其中該時鐘控制單元包括比較電壓發生器，配置成根據該測得電壓而產生比較電壓；和第二比較器，配置成將該比較電壓與最大容許電壓進行比較，以產生頻率控制信號。
12.根據權利要求11的集成電路，其中該比較電壓發生器包括至少一個壓控電流源，用於基於該測得電壓而產生電流；和至少一個負載，用於基於該至少一個壓控電流源提供的電流而產生該比較電壓。
13.根據權利要求12的集成電路，其中該比較電壓發生器的負載阻抗被可變地調節。
14.根據權利要求12的集成電路，其中該最大功率確定單元還包括電流源選擇單元，其選擇性地導通至少一個壓控電流源。
15.根據權利要求1的集成電路，其中該時鐘發生器包括環形振蕩器，其中串聯連接了三個逆變器。
16.根據權利要求1的集成電路，其中該時鐘發生器包括壓控振蕩器。
17.一種產生時鐘信號的方法，包括將外部電源電壓轉換成內部電源電壓，並檢測該內部電源電壓的變化以產生測得電壓；確定最大電流消耗量，將該最大電流消耗量轉換成對應的最大容許電壓；根據該測得電壓和最大容許電壓之間的比較結果，而產生至少一個頻率控制信號；和產生時鐘信號，其中該時鐘信號的頻率根據該頻率控制信號而進行調節。
18.根據權利要求17的方法，其中所述轉換最大電流消耗量的步驟包括選擇性地導通至少一個電流源；和將來自該選擇性導通的電流源的電流提供給與該至少一個電流源耦接的負載。
19.根據權利要求18的方法，其中產生至少一個頻率控制信號的步驟包括產生與該測得電壓對應的比較電壓；將該比較電壓與該最大容許電壓進行比較；和基於該比較電壓和該最大容許電壓之間的比較結果而產生該頻率控制信號。
20.根據權利要求17的方法，其中所述將外部電源電壓轉換成內部電源電壓並檢測該內部電源電壓的變化以產生測得電壓的步驟包括產生第一比較電壓和內部電源電壓；和將該第一比較電壓與輸入參考電壓進行比較以產生該測得電壓。
全文摘要
一種產生時鐘信號的集成電路，包括電壓轉換單元、最大功率確定單元、時鐘控制單元和時鐘發生器。該電壓轉換單元將外部電源電壓轉換成內部電源電壓，並檢測功能塊電流消耗量的變化，以產生測得電壓，其中該功能塊利用內部電源電壓消耗預定電流。該最大功率確定單元確定功能塊的最大電流消耗量，並將該最大電流消耗量轉換成對應的最大容許電壓。該時鐘控制單元根據該測得電壓和最大容許電壓之間的比較結果，而產生至少一個頻率控制信號。該時鐘發生器產生根據頻率控制信號調節其頻率的時鐘信號。
文檔編號G06F1/08GK1722062SQ200510091388
公開日2006年1月18日 申請日期2005年6月29日 優先權日2004年6月29日
發明者金善券, 李炳勳 申請人:三星電子株式會社