第六講動態(tài)CMOS組合電路課件

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

預(yù)充電

(CLK=0)

求值

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

上。TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(tài)門的LogicEffort2/33/32/3TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(tài)門的特點（以N-logic為例）邏輯功能僅由PDN實現(xiàn)（緊湊）晶體管的數(shù)目是N+2（靜態(tài)互補CMOS需2N個晶體管）輸入電容與偽NMOS邏輯相同全擺幅輸出(VOL=GND及VOH=VDD)無比邏輯–器件尺寸不影響邏輯電平上拉速度改善，下拉時間變慢快速的開關(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，作為負載被驅(qū)動時，對驅(qū)動器的負載電容小無短路電流Isc,因此由PDN提供的電流均用來使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nlogic，輸入最多只能有一次低至高的過渡簡單的動態(tài)CMOS邏輯級不能串聯(lián)TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(tài)門的特點（續(xù)）需要預(yù)充電/求值時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，無靜態(tài)功耗(無Psc),

無glitching（毛刺）較高的翻轉(zhuǎn)概率,不論動態(tài)節(jié)點放電與否，時鐘總在翻轉(zhuǎn)需要額外的對時鐘網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動一旦輸入信號超過VTn

，PDN就開始工作，因此VM,VIH

和VIL等于VTn噪聲容限(NML)小，對噪聲敏感對漏電敏感有電荷分享問題TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(tài)電路設(shè)計中的問題1:電荷泄漏CLClkClkOutAMpMe漏電流來源CLKVOutPrechargeEvaluate主要是因為亞閾值導電和反偏二極管TJU.ASICCenter---ArnoldShi解決漏電電流的方法：補償漏電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動態(tài)電路設(shè)計中的問題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采用時鐘驅(qū)動的晶體管預(yù)充電內(nèi)部節(jié)點（代價：增加了面積與功耗）TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(tài)電路設(shè)計中的問題3:回柵耦合CL1ClkClkB=0A=0Out1MpMeOut2CL2In動態(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時鐘饋通背柵耦合TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(tài)電路設(shè)計中的問題4:時鐘饋通CLClkClkBAOutMpMe由于柵至漏之間的電容，在Out和預(yù)充電器件時鐘輸入端之間存在耦合。于是輸出電壓可能上升至VDD以上。時鐘的快速上升（和下降沿）耦合至Out.ClockFeedthroughTJU.ASICCenter---ArnoldShi時鐘饋通效應(yīng)ClkClkIn1In2In3In4OutIn&ClkOutTime,nsVoltageClockfeedthrough時鐘饋通TJU.ASICCenter---ArnoldShi動態(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動態(tài)門的級聯(lián)ClkClkOut1InMpMeMpMeClkClkOut2VtClkInOut1Out2VVTn輸入端只允許0→1的過渡（NMOSLogic）簡單的動態(tài)CMOS邏輯級不能串聯(lián)TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾（Domino）邏輯In1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PDNIn5MeMpClkClkOut2Mkp11100001一個多米諾（Domino）邏輯塊由一個n型動態(tài)邏輯塊后面接一個靜態(tài)反相器構(gòu)成；由于多米諾模塊輸出由一個低阻抗的靜態(tài)反相器驅(qū)動，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鐘階段，相串聯(lián)的各級動態(tài)邏輯能來得及一個接一個地求值完畢。類似于多米諾骨牌!TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾邏輯（DominoLogic）的特點邏輯求值的傳播如同多米諾骨牌的傾倒求值階段的時間決定了（允許的）邏輯深度只能實現(xiàn)非反相的邏輯（所有的門均為非反相）只有一個過渡被優(yōu)化門為無比邏輯，但電平恢復(fù)電路為有比邏輯節(jié)點必須在預(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nlogic只能有一個上升的過渡TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米諾邏輯（DominoLogic）的特點續(xù)速度非常快：靜態(tài)反相器可以設(shè)計成不對稱：因為在反相器的輸入端只有10的過渡加大反相器的PMOS管可使反相器的VM上移輸入電容減?。阂蚨鴏ogicaleffort較小可根據(jù)扇出（Fan-out）情況優(yōu)化設(shè)計反相器增加電平恢復(fù)電路可以減少漏電和電荷分享問題TJU.ASICCenter---ArnoldShi無求值管多米諾（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2.3萬只骨牌，組織者只好請人用氣槍打死了這只麻雀，卻遭到動物保護組織的強烈抗議，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行了一個小型的追悼儀式TJU.ASICCenter---ArnoldShinp-CMOSIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(toPDN)11100001Only01transitionsallowedatinputsofPDNOnly10transitionsallowedatinputsofPUNTJU.ASICCenter---ArnoldShiNORALogicIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(toPDN)11100001t