第六講動(dòng)態(tài)CMOS組合電路課件

動(dòng)態(tài)CMOS與靜態(tài)邏輯的比較在靜態(tài)電路中在任何時(shí)候（除去翻轉(zhuǎn)時(shí)）輸出總是通過(guò)低阻路徑連至GND或VDD扇入（fan-in）為n時(shí)要求2n個(gè)(n個(gè)N-型+n個(gè)P-型)晶體管動(dòng)態(tài)電路依靠把信號(hào)值暫時(shí)存放在高阻抗節(jié)點(diǎn)的電容上。需要n+2個(gè)(n+1個(gè)N-型+1個(gè)P-型)晶體管TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)邏輯門In1In2PDNIn3MeMpClkClkOutCLOutClkClkABCMpMeonoff1offon((AB)+C)兩個(gè)操作階段

預(yù)充電

(CLK=0)

求值

(CLK=1)TJU.ASICCenter---ArnoldShi對(duì)輸入輸出的要求一旦動(dòng)態(tài)門的輸出被放電，它直到下一個(gè)預(yù)充電階段之前不可能再次被充電。動(dòng)態(tài)門的輸入在求值期間最多只能有一次翻轉(zhuǎn)。（對(duì)nlogic為低至高過(guò)渡）在求值期間或求值之后輸出可以處于高阻態(tài)(PDNoff),狀態(tài)存放在負(fù)載電容CL

上。TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)門的LogicEffort2/33/32/3TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)門的特點(diǎn)（以N-logic為例）邏輯功能僅由PDN實(shí)現(xiàn)（緊湊）晶體管的數(shù)目是N+2（靜態(tài)互補(bǔ)CMOS需2N個(gè)晶體管）輸入電容與偽NMOS邏輯相同全擺幅輸出(VOL=GND及VOH=VDD)無(wú)比邏輯–器件尺寸不影響邏輯電平上拉速度改善，下拉時(shí)間變慢快速的開關(guān)速度，(NOR門的邏輯努力是2/3，比靜態(tài)門5/3小許多)輸入電容Cin小，作為負(fù)載被驅(qū)動(dòng)時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載電容小無(wú)短路電流Isc,因此由PDN提供的電流均用來(lái)使CL放電輸入只允許在預(yù)充電階段變化，在求值階段必須保持穩(wěn)定對(duì)nlogic，輸入最多只能有一次低至高的過(guò)渡簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)CMOS邏輯級(jí)不能串聯(lián)TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)門的特點(diǎn)（續(xù)）需要預(yù)充電/求值時(shí)鐘總功耗通常高于靜態(tài)CMOS：VDD和GND之間不存在靜態(tài)電流通路，無(wú)靜態(tài)功耗(無(wú)Psc),

無(wú)glitching（毛刺）較高的翻轉(zhuǎn)概率,不論動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)放電與否，時(shí)鐘總在翻轉(zhuǎn)需要額外的對(duì)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)一旦輸入信號(hào)超過(guò)VTn

，PDN就開始工作，因此VM,VIH

和VIL等于VTn噪聲容限(NML)小，對(duì)噪聲敏感對(duì)漏電敏感有電荷分享問(wèn)題TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)中的問(wèn)題1:電荷泄漏CLClkClkOutAMpMe漏電流來(lái)源CLKVOutPrechargeEvaluate主要是因?yàn)閬嗛撝祵?dǎo)電和反偏二極管TJU.ASICCenter---ArnoldShi解決漏電電流的方法：補(bǔ)償漏電CLClkClkMeMpABOutMkp與傳輸門邏輯中的電平恢復(fù)方法相同電平保持晶體管KeeperTJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)中的問(wèn)題2：電荷分享CLClkClkCACBB=0AOutMpMe原先存放在CL

上的電荷由CL

和CA

重新分布（分享），導(dǎo)致魯棒性降低。TJU.ASICCenter---ArnoldShi電荷分享的例子CL=50fFClkClkAABBB!BCCOutCa=15fFCc=15fFCb=15fFCd=10fF假定VDD=2.5V，電荷分享最壞情況下電壓變化為0.94VTJU.ASICCenter---ArnoldShi電荷分享時(shí)的兩種情形B=0ClkXCLCaCbAOutMpMaVDDMbClkMe情形1，Ma處于亞閾值狀態(tài)TJU.ASICCenter---ArnoldShi電荷分享的解決辦法ClkClkMeMpABOutMkpClk采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的晶體管預(yù)充電內(nèi)部節(jié)點(diǎn)（代價(jià)：增加了面積與功耗）TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)中的問(wèn)題3:回柵耦合CL1ClkClkB=0A=0Out1MpMeOut2CL2In動(dòng)態(tài)NAND靜態(tài)NAND=1=0回柵耦合（BackgateCoupling，背柵耦合）TJU.ASICCenter---ArnoldShi回柵耦合效應(yīng)VoltageTime,nsClkInOut1Out2時(shí)鐘饋通背柵耦合TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)電路設(shè)計(jì)中的問(wèn)題4:時(shí)鐘饋通CLClkClkBAOutMpMe由于柵至漏之間的電容，在Out和預(yù)充電器件時(shí)鐘輸入端之間存在耦合。于是輸出電壓可能上升至VDD以上。時(shí)鐘的快速上升（和下降沿）耦合至Out.ClockFeedthroughTJU.ASICCenter---ArnoldShi時(shí)鐘饋通效應(yīng)ClkClkIn1In2In3In4OutIn&ClkOutTime,nsVoltageClockfeedthrough時(shí)鐘饋通TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)門的其他效應(yīng)電容耦合襯底耦合最小電荷注入電源接地噪聲(groundbounce地彈效應(yīng))TJU.ASICCenter---ArnoldShi動(dòng)態(tài)門的級(jí)聯(lián)ClkClkOut1InMpMeMpMeClkClkOut2VtClkInOut1Out2VVTn輸入端只允許0→1的過(guò)渡（NMOSLogic）簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)CMOS邏輯級(jí)不能串聯(lián)TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾（Domino）邏輯In1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PDNIn5MeMpClkClkOut2Mkp11100001一個(gè)多米諾（Domino）邏輯塊由一個(gè)n型動(dòng)態(tài)邏輯塊后面接一個(gè)靜態(tài)反相器構(gòu)成；由于多米諾模塊輸出由一個(gè)低阻抗的靜態(tài)反相器驅(qū)動(dòng)，提高了抗噪聲能力TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾（Domino）邏輯鏈ClkClkIniPDNInjIniInjPDNIniPDNInjIniPDNInj多米諾邏輯可以串聯(lián)，串聯(lián)的數(shù)目取決于在求值的時(shí)鐘階段，相串聯(lián)的各級(jí)動(dòng)態(tài)邏輯能來(lái)得及一個(gè)接一個(gè)地求值完畢。類似于多米諾骨牌!TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾邏輯（DominoLogic）的特點(diǎn)邏輯求值的傳播如同多米諾骨牌的傾倒求值階段的時(shí)間決定了（允許的）邏輯深度只能實(shí)現(xiàn)非反相的邏輯（所有的門均為非反相）只有一個(gè)過(guò)渡被優(yōu)化門為無(wú)比邏輯，但電平恢復(fù)電路為有比邏輯節(jié)點(diǎn)必須在預(yù)充電期間被預(yù)充電（這可能限制了PMOS的最小尺寸）求值期間，輸入必須穩(wěn)定，對(duì)nlogic只能有一個(gè)上升的過(guò)渡TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾邏輯（DominoLogic）的特點(diǎn)續(xù)速度非?？欤红o態(tài)反相器可以設(shè)計(jì)成不對(duì)稱：因?yàn)樵诜聪嗥鞯妮斎攵酥挥?0的過(guò)渡加大反相器的PMOS管可使反相器的VM上移輸入電容減小：因而logicaleffort較小可根據(jù)扇出（Fan-out）情況優(yōu)化設(shè)計(jì)反相器增加電平恢復(fù)電路可以減少漏電和電荷分享問(wèn)題TJU.ASICCenter---ArnoldShi無(wú)求值管多米諾（FootlessDomino）MpMeVDDPDNClkIn1In2In3Out1ClkMpMeVDDPDNClkIn4ClkOut2MrVDD預(yù)充電期間Inputs=0預(yù)充電期間若Inputs=0則可以取消求值管(直接與地短路)!TJU.ASICCenter---ArnoldShiFootlessDominoThefirstgateinthechainneedsafootswitch

Prechargeisrippling–short-circuitcurrentAsolutionistodelaytheclockforeachstageTJU.ASICCenter---ArnoldShi差分型(雙軌)多米諾邏輯ABMeMpClkClkOut=AB!A!BMkpClkOut=ABMkpMp解決了多米諾邏輯的非反相問(wèn)題1010onoffTJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾骨牌世界記錄2005年11月18日在荷蘭創(chuàng)造出新的多米諾骨牌世界記錄。組織者稱，他們成功地推倒了4,155,476只骨牌，打破了去年由他們創(chuàng)造的390萬(wàn)只骨牌的記錄。在11月14日，一只麻雀誤闖碼放骨牌的大廳，撞倒了2.3萬(wàn)只骨牌，組織者只好請(qǐng)人用氣槍打死了這只麻雀，卻遭到動(dòng)物保護(hù)組織的強(qiáng)烈抗議，打鳥的槍手甚至遭到死亡威脅。18日在推倒骨牌前，組織者還為這只不幸的麻雀進(jìn)行了一個(gè)小型的追悼?jī)x式TJU.ASICCenter---ArnoldShinp-CMOSIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(toPDN)11100001Only01transitionsallowedatinputsofPDNOnly10transitionsallowedatinputsofPUNTJU.ASICCenter---ArnoldShiNORALogicIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(toPDN)11100001t