CMOS靜態(tài)門電路的功耗PPT課件

1、2021-12-8第1頁/共22頁2021-12-8CMOS靜態(tài)門電路的功耗靜態(tài)門電路的功耗第2頁/共22頁2021-12-8內(nèi)容提要 功耗的組成 靜態(tài)功耗及減小措施舉例 動態(tài)功耗及減小措施舉例 CMOS靜態(tài)門電路的小結(jié)第3頁/共22頁2021-12-8CLVddVDD0tV1.當(dāng)輸入信號為0時：輸出保持1不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移3.當(dāng)輸入信號從01(發(fā)生跳變)時：輸出從“1”轉(zhuǎn)變?yōu)椤?”, 有電荷轉(zhuǎn)移012.當(dāng)輸入信號為VDD時：輸出保持0不變，沒有電荷轉(zhuǎn)移CMOS反相器的功耗動態(tài)功耗靜態(tài)功耗第4頁/共22頁2021-12-8CMOS反相器的功耗功耗組成： 1. 靜態(tài)功耗 2. 動態(tài)功耗1.靜態(tài)功

2、耗PS輸入輸出輸出在輸入為0或1（VDD)時，兩個MOS管中總是一個截止一個導(dǎo)通，因此沒有從VDD到VSS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0。VinVout常規(guī)第5頁/共22頁2021-12-8對于深亞微米器件，存在泄漏電流IleakageVDD IleakageVout漏極擴散結(jié)漏電流亞閾值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，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)載流子擴散電流引起的 第6頁/共22頁2021-12-8反向偏置二極管漏電流第7頁/共22頁2021-12-8亞閾值漏電流源極(S)漏極(D)柵極

3、(G)VGVDID由少數(shù)載流子的擴散引起，類似橫向晶體管)1(/ )()/(kTDSqVoffsetTGSenkTVVVqssubeII之間亞閾值振幅系數(shù)VT降低，Isub增大但VT增加，速度減慢存在速度和功耗的折中考慮第8頁/共22頁2021-12-8降低待機功耗的方法舉例： 正常工作時采用低閾值電壓，以減少CMOS電路的延遲時間 待機時采用高閾值電壓，以減少CMOS電路的泄漏電流保持速度性能的基礎(chǔ)上，大幅度降低功耗第9頁/共22頁2021-12-8高Vt低VtVDDVSSSL低閾值邏輯電路電路工作時導(dǎo)通，待機時截止第10頁/共22頁2021-12-82.動態(tài)功耗PDVILVIH0VDDVD

4、D(1)(2)(3)(4)(5)N截止P非飽和N飽和P非飽和N非飽和P飽和N非飽和P截止 1. 短路電流功耗：在輸入從0到1或者從1到0瞬變過程中，NMOS管和PMOS管都處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時存在一個窄的從VDD到VSS的電流脈沖，由此引起的功耗叫短路電流功耗。 CLVdd通常（開關(guān)頻率較低時）為動態(tài)功耗的主要組成部分2. 瞬態(tài)功耗：在電路開關(guān)動作時，對輸出端負載電容進行放電引起的功耗。第11頁/共22頁2021-12-8短路電流功耗VinVoutCLVddVoutiCtp第12頁/共22頁2021-12-8VinVoutCLVddE=CLVDD2Pdyn=E*f=CLVDD2fl 為減小功耗需

5、要減小CL ,VDD 和fl 動態(tài)（翻轉(zhuǎn)）的能量和功耗：與驅(qū)動器件的電阻無關(guān)每次翻轉(zhuǎn)消耗的能量E反相器的平均轉(zhuǎn)換頻率第13頁/共22頁2021-12-8電路中通常用時鐘頻率fclkPdyn=CLVDD2fclk開關(guān)活動因子clkout=25%第14頁/共22頁2021-12-8降低動態(tài)功耗的基本原則 降低電源電壓 降低開關(guān)活動性 減少實際電容盡量降低電路門數(shù)第15頁/共22頁2021-12-8雙電源LSI設(shè)計技術(shù)F/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FFF_AFF_B對于非關(guān)鍵路徑采用低電源電壓降低電源電壓舉例第16頁/共22頁2021-12-8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 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(LVDS)， 以減少電路規(guī)模低電壓差分信號降低電源電壓舉例第17頁/共22頁2021-12-8減少毛刺和競爭冒險降低開關(guān)活動性舉例設(shè)計時，使各支路的延時盡可能平衡第18頁/共22頁2021-12-8第19頁/共22頁2021-12-8CMOS靜態(tài)邏輯門的小結(jié) MOS反相器的靜態(tài)特性u 邏輯門的輸入輸出電平u 邏輯門的噪聲容限u 邏輯門的邏輯閾值 MOS反相器的動態(tài)特性u 邏輯門的開關(guān)