时钟芯片的低功耗设计研究

　　时钟芯片广泛地应用于各种需要记录特定时间的设备中。对于便携式设备，时钟芯片的功耗对维持整个系统的正常时间记录是非常重要的。芯片具有较低的功耗，可以满足更长的工作时间要求。在嵌入式系统中，时钟芯片是工作频率较高的电路，降低其功耗，对于整个系统的功耗降低有着显著的作用。

　　在低功耗ASIC设计中，前端的逻辑设计和后端的物理设计结合得越来越密切。系统的低功耗设计必须从设计的各个层次上加以考虑，以实现整体优化设计。在前端逻辑设计中，从分析功耗物理特性入手，进行功耗估计，为低功耗的整体设计提供理论依据，然后在后端的电路实现上加以控制，这样就可以更好地达到降低芯片功耗的目的。而且还可以降低设计成本，缩短设计周期。

　　本文采用自顶而目的设计原则，从体系结构到电路实现上分层次探讨了时钟芯片的功耗来源，并采取相应的控制手段实现芯片的低功耗设计。

　　1 时钟电路功耗分析

　　1.1 CMOS电路功耗分析

　　对于CMOS集成电路，影响功耗的因素主要包括三个部门：动态功耗、短路功耗和静态功耗。由于动态功耗占CMOS电路总功耗的80%以上，因此在功耗设计上主要考虑如何降低这部分功耗。

　　动态功耗Pd可用下式表示：

　　Pd=C L V DD2f0→1 （1）

　　式中，CL为输出节点的总负载电容；VDD为工作电压，也是CMOS电路的逻辑摆幅；f0→1为开关活性因子。下面就来分析与时钟芯片功耗设计密切相关的两个因素。

　　1.1.1 功耗与工作电压VDD的关系

　　从（1）式中可以看出，降低工作电压会使功耗呈平方律下降，因此绝大多数低功耗设计都首先考虑采用尽可能低的工作电压。但对于确定的工艺，如果电源电压过低，将会导致电路性能下降。当电源电压降低到接近PMOS和NMOS晶体管的阈值电压值之和时，延迟时间急剧增大，器件的工作速度下降，功耗反而增加。

　　1.1.2 功耗与开关活性因子f0→1的关系

　　对于CMOS逻辑器件，只有当输出节点出现0到1的逻辑转换时，才从电源吸引能量。因此影响开关活性因子的因素有两个，一个是输入信号变化频率，另一个是电路的逻辑类型、所实现的功能和整个网络的拓扑结构。对于开关活性因子？0→1，可用下式表示：

　　f0→1=P 0→1 f （2）

　　式中，P0→1是器件开关的概率，即输入从0到1发生转变的概率，它和组成电路的逻辑类型有关。f为输入信号变化的频率，即器件工作频率。由（2）式可知，器件的开关概率P0→1和工作频率f与动态功耗成正比。

　　此外，COMS门的充电时间和节点负载电容等都是影响功耗的因素，需要在电路的具体实现中加以控制。

　　1.2 时钟电路低功耗分析

　　1.2μmCMOS电路的标准工作电压为5V，这对于工作频率较高的电路而言，功耗是非常大的。为降低芯片的整体功耗，考虑在开关活性因子较高的电路上采用低于给定工作电压的设计。由时钟芯片的工作原理可知，时钟信号发生器是整个芯片中工作频率最高的电路，它包括振荡电路和分频电路两部分。其中，振荡电路的工作频率与外接晶振的频率相同，器件开关因子最高，功耗最大。如果能够降低这部门MOS器件的工作电压，合理地设计主要功耗元件的特性参数，降低工作电流，就可以有效地降低功耗；分频电路，尤其是工作在前面几级的分频电路，器件的开关活性因子也很高。因此在分频电路中，同样采用降低工作电压的方法来降低功耗。通过电路功能分析可知，前面1:8分频的电路的工作频率是最高的，这部分电路的功耗占整个分频电路总功耗的80%左右，因此低功耗设计应以降低这部分电路的功耗为目标。

　　2 低功耗时钟信号发生器电路设计

　　低功耗时钟信号发生器总体设计电路图如图1所示。

　　2.1 振荡电路低功耗设计

　　振荡电路是由晶振、电容C0、C1、反向器及电阻R1构成，其中反向器与电阻R1组成包馈网络，X0、X1两个引脚用来外接晶振，如图2所示。由于反向器的工作频率和晶振的工作频率相同，而且反向器的开关概率为1，因为它是主要的功耗元件。在进行低功耗设计时，首先应考虑采用较低的工作电压，并保证在这个电压下，使器件的平均工作电流尽可能地小、RC网络的充放电时间尽可能地短。

　　对CMOS器件，根据其传输特性，在饱和区有：

　　式中，Vov是电压裕量，它表示栅源电压V GS与阈值电压VT相比高出的部分;k“是跨导参数，与迁移率成正比；I D为漏电流；W/L为器件宽长比。

当反向器的工作电压较低时，要使之具有好的电压传输特性，就要在V OV较小的情况下，尽量选择较大的宽长比W/L和较小的漏电流ID。因此，对MOS管的结构参数以及工作电流进行控制，使之在采用较低的工作电压时也能满足所要求的工作频率，这是实现低功耗振荡器设计的关键。值得注意的是，虽