【摘 要】
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物联网节点为了降低功耗,在芯片中引入动态电压频率调节（Dynamic Voltage Frequency Scaling,DVFS）技术,在满足芯片不同状态下性能需求的同时降低功耗。在物联网芯片中实现DVFS技术面临很多挑战,传统的振荡器结构在DVFS应用中有着频率切换时间长、启动速度慢等缺点。为了提高启动与频率切换速度、减少工艺、电压、温度对频率的影响,本文设计了一种基于数字分频选相的低功耗数控
【基金项目】
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国产嵌入式CPU低功耗关键技术研发项目（项目号:2017ZX01030101-002）；
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物联网节点为了降低功耗,在芯片中引入动态电压频率调节（Dynamic Voltage Frequency Scaling,DVFS）技术,在满足芯片不同状态下性能需求的同时降低功耗。在物联网芯片中实现DVFS技术面临很多挑战,传统的振荡器结构在DVFS应用中有着频率切换时间长、启动速度慢等缺点。为了提高启动与频率切换速度、减少工艺、电压、温度对频率的影响,本文设计了一种基于数字分频选相的低功耗数控振荡器。本文以物联网芯片中普遍存在的实时时钟作为参考时钟,使用32相位的高频环振时钟对参考时钟进行采样,利用除法器与时钟分频电路完成参考时钟的采样与分频操作,将采样电路得到的分频值转变成满足相位选择电路时序的控制字,最后使用两个相位选择单元对环振的输出相位进行选择,实现时钟输出。采样电路使用除法器分频、单周期分频与32周期分频三种方式,根据运行环境自动切换,频率切换时间不超过1个参考时钟周期,并采用门控时钟技术以降低功耗。本文基于TSMC40nm工艺完成数控振荡器设计和后仿真,面积开销为3900μm2。后仿真结果表明:在TT、FF、SS三种工艺角下,当温度在-20～80℃范围内,电压在0.7V～1V变化时,频率误差均不超过1.3%。在TT-0.9V-25℃的条件下,振荡器最大输出频率为139MHz,功耗为199.4μW,能效为1.44p J/cycle,在TT-0.7V-25℃的条件下,最大输出频率为105MHz,功耗为113.6μW,能效为1.08 p J/cycle。仿真结果显示本设计达到了课题指标要求。
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