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随着集成电路和移动终端的迅猛发展,多媒体时代下对消费类电子产品性能的要求越来越高。同时在续航能力的约束以及用户体验的要求下,功耗无疑是芯片设计最主要的考虑因素。电压频率调节(Dynamic Voltage and Frequrncy Scaling, DVFS)技术和自适应电压调节(Adaptive Volttage Scaling, AVS)技术应运而生。而传统AVS技术调节时间相对较慢,且单一调节模式功耗收益有限。本文设计并实现了DVFS和AVS联合调节策略及其验证电路,其中DVFS技术可以实现相对较快的电压频率切换,联合使用DVFS和AVS技术从两个层次上减小性能裕量,因此可以得到更大的功耗收益。其中(1)通过软件调度硬件实现的方式,由上层调节信号控制电路底层电源选择电路模块进行电压快速切换实现电源电压粗调。(2)通过监控与关键路径延迟最接近的复制路径的时序状况,实现自适应电源电压调节。此外,为了使AVS调节更为准确,设计了硅后自校准电路,并采用双元单元替换的方式构造了复制关键路径,使其与实际关键路径尽可能的接近。同时还设计并实现了AVS控制模块实现电源电压细调。本文采用SMIC 40nm CMOS工艺,完成了整个电路的设计,同时搭建了一个小型系统芯片(System on Chip, SoC)来验证本文的联合调节策略,可实现两种工作模式,分别为1.1V/250MHz和0.6V/20MHz。通过HSIM与VCS混合仿真平台下的验证,标准电压1.1V下,在典型情况(TT工艺角、25℃)下工作电压可降低至0.84V,相比于初始工作电压(TT工艺角、1.1V、25℃)可以降低28.1%的功耗。低电压0.6V下,在典型情况(TT工艺角、0.6V、25℃)可以降低24.3%的功耗,达到了良好的功耗优化效果。同时采用电源选择电路模块实现切换时可以达到转换速度为小于600ns,并且转换效率为80%,达到了快速切换的目的,且AVS调节模块所增加的面积仅为2%,面积代价小。