第六章 CMOS靜態(tài)門電路(3)-功耗

1、夏煒煒夏煒煒揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院E-mail：2022-5-16CMOS靜態(tài)門電路的功耗靜態(tài)門電路的功耗2022-5-16內(nèi)容提要n功耗的組成n靜態(tài)功耗及減小措施舉例n動態(tài)功耗及減小措施舉例nCMOS靜態(tài)門電路的小結(jié)2022-5-16CLVddVDD0tV1.1.當(dāng)輸入信號為當(dāng)輸入信號為0 0時：時：輸出保持輸出保持1不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移3.3.當(dāng)輸入信號從當(dāng)輸入信號從0 01(1(發(fā)生跳變發(fā)生跳變) )時：時：輸出從輸出從“1”轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)椤?”, 有電荷轉(zhuǎn)有電荷轉(zhuǎn)移移012.2.當(dāng)輸入信號為當(dāng)輸入信號為V VDDDD時：時：輸出保持輸出保持0

2、不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移CMOS反相器的功耗反相器的功耗動態(tài)功耗動態(tài)功耗靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗2022-5-16CMOS反相器的功耗反相器的功耗功耗組成：功耗組成： 1. 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗 2. 動態(tài)功耗動態(tài)功耗1.靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗PS輸入輸入輸出輸出輸出輸出在輸入為在輸入為0或或1（VDD)時，兩個時，兩個MOS管中總是一個截止管中總是一個截止一個導(dǎo)通，因此沒有從一個導(dǎo)通，因此沒有從VDD到到VSS的直流通路，也沒有電的直流通路，也沒有電流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為流流入柵極，因此其靜態(tài)電流和功耗幾乎為0。VinVout常規(guī)常規(guī)2022-5-16對于深亞微米器件，存在泄漏電流

3、對于深亞微米器件，存在泄漏電流IleakageVDD IleakageVout漏極擴散結(jié)漏電流漏極擴散結(jié)漏電流亞閾值漏電流亞閾值漏電流柵極漏電流柵極漏電流隨著特征尺寸的減小，泄漏電流功耗變得不可忽視，隨著特征尺寸的減小，泄漏電流功耗變得不可忽視，減小泄漏電流功耗是目前的研究熱點之一。減小泄漏電流功耗是目前的研究熱點之一。Ipn=AJS 由越過溝道區(qū)的少數(shù)載流子擴由越過溝道區(qū)的少數(shù)載流子擴散電流引起的散電流引起的 2022-5-16反向偏置二極管漏電流反向偏置二極管漏電流2022-5-16亞閾值漏電流亞閾值漏電流源極源極(S)漏極漏極(D)柵極柵極(G)VGVDID由少數(shù)載流子的擴散引起，類由少

4、數(shù)載流子的擴散引起，類似橫向晶體管似橫向晶體管)1(/ )()/(kTDSqVoffsetTGSenkTVVVqssubeII0.10.1之間之間亞閾值振幅系數(shù)亞閾值振幅系數(shù)VT降低，降低，Isub增大增大但但VT增加，速度減慢增加，速度減慢存在速度和存在速度和功耗的折中功耗的折中考慮考慮2022-5-16降低待機功耗的方法舉例：降低待機功耗的方法舉例：MTCMOS(Multi-Threshold-Voltage CMOS)技術(shù)技術(shù) 正常工作時采用低閾正常工作時采用低閾值電壓，以減少值電壓，以減少CMOS電路的延遲時間電路的延遲時間 待機時采用高閾值待機時采用高閾值電壓，以減少電壓，以減少CM

5、OS電路的泄漏電流電路的泄漏電流保持速度性能的基礎(chǔ)上，保持速度性能的基礎(chǔ)上，大幅度降低功耗大幅度降低功耗2022-5-16高Vt低VtVDDVSSSL低閾值邏輯電路低閾值邏輯電路電路工作時電路工作時導(dǎo)通，待機導(dǎo)通，待機時截止時截止2022-5-162.動態(tài)功耗動態(tài)功耗PDVILVIH0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止截止P非飽非飽和和N飽和飽和P非飽非飽和和N非飽非飽和和P飽和飽和N非飽非飽和和P截止截止 1. 短路電流功耗短路電流功耗：在輸入從：在輸入從0到到1或者從或者從1到到0瞬變過程中，瞬變過程中，NMOS管和管和PMOS管都處于導(dǎo)通管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時存在一個窄的從

6、狀態(tài)，此時存在一個窄的從VDD到到VSS的電流脈沖，由此引起的功耗的電流脈沖，由此引起的功耗叫短路電流功耗。叫短路電流功耗。 CLVdd通常（開關(guān)頻率較低通常（開關(guān)頻率較低時）為動態(tài)功耗的主時）為動態(tài)功耗的主要組成部分要組成部分2. 瞬態(tài)功耗瞬態(tài)功耗：在電路開關(guān)動作：在電路開關(guān)動作時，對輸出端負載電容進行放時，對輸出端負載電容進行放電引起的功耗。電引起的功耗。2022-5-16短路電流功耗短路電流功耗VinVoutCLVdd0max1( ),12ptdpDDpdpdppDDrfPi VdttiPPf VItt假設(shè)交變電流 的波形為三角形，可近似為：（）VoutiCtp2022-5-16VinV

7、outCLVddE=CLVDD2Pdyn=E=E*f=CLVDD2fl 為減小功耗需要減小為減小功耗需要減小CL ,VDD 和和fl 動態(tài)（翻轉(zhuǎn)）的能量和功耗：與驅(qū)動器件的動態(tài)（翻轉(zhuǎn)）的能量和功耗：與驅(qū)動器件的電阻電阻無關(guān)無關(guān)每次翻轉(zhuǎn)消耗的能量每次翻轉(zhuǎn)消耗的能量E反相器的平反相器的平均轉(zhuǎn)換頻率均轉(zhuǎn)換頻率2022-5-16電路中通常用時鐘頻率fclkPdyn= =CLVDD2fclk開關(guān)活動因子開關(guān)活動因子clkout=25%=25%2022-5-16降低動態(tài)功耗的基本原則降低動態(tài)功耗的基本原則 降低電源電壓降低電源電壓 降低開關(guān)活動性降低開關(guān)活動性 減少實際電容減少實際電容盡量降低電路門數(shù)盡量

8、降低電路門數(shù)2022-5-16雙電源雙電源LSI設(shè)計技術(shù)設(shè)計技術(shù)F/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FFF_AFF_B對于非關(guān)鍵路徑采用低對于非關(guān)鍵路徑采用低電源電壓電源電壓降低電源電壓舉例降低電源電壓舉例2022-5-16小振幅數(shù)據(jù)通路技術(shù)小振幅數(shù)據(jù)通路技術(shù) 數(shù)據(jù)通路信號的振幅減低數(shù)據(jù)通路信號的振幅減低 在數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式上下功夫，減少信號的遷移幾率在數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式上下功夫，減少信號的遷移幾率 在不變更系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用專用數(shù)據(jù)通路在不變更系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用專用數(shù)據(jù)通路(LVDS)， 以減少電路規(guī)模以減少電路規(guī)模低電壓差分信號低電壓差分信號降低電源電壓舉例降低電源電壓舉例2022-5-16減少毛刺和競爭冒險減少毛刺和競爭冒險降低開關(guān)活動性舉例降低開關(guān)活動性舉例設(shè)計時，使各支路的延時盡可能平衡設(shè)計時，使各支路的延時盡可能平衡2022-5-162022-5-16CMOS靜態(tài)邏輯門的小結(jié) MOS反相器的靜態(tài)特性反相器的靜態(tài)特性u 邏輯門的輸入輸出電平邏輯門的輸入輸出電平u 邏輯門的噪聲容限邏輯門的噪聲容限u 邏輯門的邏輯閾值邏輯門的邏輯閾值 MOS反相器