集成電路設(shè)計課件：4 CMOS組合邏輯門的設(shè)計：低功耗

1、CMOS組合邏輯門的設(shè)計低功耗1引言低功耗邏輯電路設(shè)計意義無源1mAUSB供電3-10mA電池供電5mA待機電源供電300W2知識點回顧：常用的組合邏輯門與非門3知識點回顧：常用的組合邏輯門或非門4邏輯電路功耗構(gòu)成反相器功耗：1.靜態(tài)功耗：由器件漏電流Ilk引起的功耗，0.18微米工藝以上漏流可以忽略2.動態(tài)功耗由兩部分構(gòu)成 2.1開關(guān)功耗：對負載電容充放電產(chǎn)生的功耗，一般來說開關(guān)功耗占比例最大 2.2內(nèi)部功耗：即短路功耗，對內(nèi)部電容充放電產(chǎn)生的功耗：開關(guān)頻率5邏輯電路靜態(tài)開關(guān)頻率靜態(tài)開關(guān)概率01 = Pout=0 Pout=1 = P0 (1-P0)假設(shè)輸入是獨立的并均勻分布，任意N個扇入的

2、靜態(tài)門兩輸入靜態(tài)NAND門的01 =3/166信號統(tǒng)計特性一個邏輯門的開關(guān)活動性與輸入信號統(tǒng)計特性密切相關(guān)令Pa和Pb 為輸入A和B分別等于1的概率01 = P0 P1 = (1-(1-Pa)(1-Pb) (1-Pa)(1-Pb) CLABBAPaPb01017靜態(tài)邏輯門的功耗對于基本邏輯門(AND,OR,XOR)推導(dǎo)出01的輸出翻轉(zhuǎn)概率。For C: P01 = P0 P1 = (1-PA) PA= 0.5 0.5 = 0.25For Z: P01 = P0 P1 = (1-PCPB) PCPB= (1 (0.5 0.5) (0.5 0.5) = 3/16P01 = Pout=0 Pout=

3、1NOR(1 - (1 - PA)(1 - PB) (1 - PA)(1 - PB)OR(1 - PA)(1 - PB) (1 - (1 - PA)(1 - PB)NANDPAPB (1 - PAPB)AND(1 - PAPB) PAPBXOR(1 - (PA + PB- 2PAPB) (PA + PB- 2PAPB)BAZC0.50.5BAZC8信號間的相關(guān)性由于信號在空間和時間上都存在相關(guān)性，這一事實使開關(guān)活動性的估計更為復(fù)雜必須考慮信號間的相關(guān)性p(Z=1) = p(B=1) & p(C=1|B=1)=0重新會聚的扇出BAZC0.50.59動態(tài)或虛假翻轉(zhuǎn)起因：門之間的非零傳播延時概念：在

4、一個時鐘周期內(nèi)一個節(jié)點在穩(wěn)定到正確的邏輯電平之前可以出現(xiàn)多次翻轉(zhuǎn)ABCCZ101000Unit DelayABXZCX毛刺10毛刺與功耗Out1 Out2 Out3 Out4 Out51NAND門邏輯鏈中的毛刺毛刺構(gòu)成了功耗的很大一部分11降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)1、邏輯重組改變邏輯電路的拓撲結(jié)構(gòu)可以降低它的功耗結(jié)論：對于隨機輸入，鏈形實現(xiàn)比樹形實現(xiàn)總體上具有較低的開關(guān)活動性（忽略毛刺）ABCDFABCDO2FO1O2O10.50.53/160.50.50.50.50.50.57/6415/2563/163/1615/256AND: P01 = P0 P1 = (1 - PAPB) PAPB1

5、2降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)2、輸入排序ABCF0.50.20.1BCAXF0.20.10.5結(jié)論：推遲輸入具有較高翻轉(zhuǎn)率的信號 (即信號概率接近0.5的信號)(1-0.5 0.2) (0.5 0.2)=0.09(1-0.2 0.1) (0.2 0.1)=0.019613降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)3、分時復(fù)用資源A.并行數(shù)據(jù)傳送 B.串聯(lián)數(shù)據(jù)傳送并行傳送及分時復(fù)用的數(shù)據(jù)總線CtACtBC0101tAB結(jié)論：避免對具有獨特數(shù)據(jù)特性的數(shù)據(jù)流采用分時復(fù)用14降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)4、通過均衡信號路徑來減少毛刺電路中產(chǎn)生毛刺主要是由于在電路中路徑長度失配引起的信號時序上的這一不失配一般都是由于相對于電路的原始輸入信號路徑的長度不同而引起的00102000112000A.對毛刺敏感的電路 B.消除毛刺的電路結(jié)論：使信號路徑長度匹配可以減少毛刺15降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)5、利用無關(guān)項和卡諾圖簡化邏輯并減少門數(shù)16降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)6、選擇最優(yōu)的電路實現(xiàn)形式17降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)7、使用鎖存器防止毛刺傳播18降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)8、操作數(shù)隔離帶操作數(shù)隔離不帶操作數(shù)隔離19降低開關(guān)活動性的設(shè)計技術(shù)9、低電壓EEPROM：1.8VROM： 1.8V /1.2