基于ivc技术的静态功耗优化方法研究

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1、哈尔滨]=：程大学硕士学位论文第2章CMOS电路低功耗技术研究2．1CMOS电路的功耗组成目前集成电路所采用的CMOS电路是非常省电的，这是由于它成对地采用PMOS管和NMOS管，当一个PMOS管导通时，其对应的NMOS管必然截止；或当一个NMOS管导通时，其对应的PMOS管同样必然截止。因此当CMOS电路状态稳定后，整个电路不存在工作电流，仅当电路工作状态发生变化时，才有为时短暂的电流k胁出现。由电路工作状态发生变化所产生的电路功耗称为动态功耗R谢。z玩×厶叫。(其中V,td是供电电压)。(1)动态功耗’

2、一，口咖由三部分组成：①当电路正常逻辑操作时，由于电路状态的改变，电路中电容的充、放电所需要的工作电流厶。一c161，它的产生是必然；②当电路状态改变时，某些配对PMOS管和NMOS管的导通状态产生重叠，从而在电源线和地线之间形成一些为时更为短暂的不必要通路，就会产生短路电流厶。．s阴。⑧在电路工作时，由于不同路径的时延必然存在差异，从而在一些逻辑门的输出信号上产生一些毛刺，称为电路的竞争冒险(glitch)，它们所产生的电流称竞争冒险电流k—G161。由于在设计和生产中不断进行改进，竞争冒险电流厶。一G在

3、厶叫。中所占的比例还是比较小的，可以忽略。所以在进行功耗分析时，我们可以粗略的将厶耐。引起的动态功耗‰z。表示为：eaaive=助X[ac—C+‰地c—S(2一1)现举例说明这两种动态功耗：●跳变功耗跳变功耗是当电路正常逻辑操作时，由于电路状态的改变，电路中电容的充、放电所需要的工作电流厶一c所产生的。以反相器为例，如图2．1所示，设玩是周期为T的方波(上升和下降时间很小，忽略不计)，当输入端玩从高电平变为低电平时，P管逐渐打开，而N管逐渐闭合，所以电源端Vda给电容c工充电，玩，逐渐变为Vdd；当玩从低电

4、平变为高电平时，N管逐渐打开，而P4哈尔滨-丁程大学硕士学位论文管逐渐闭合，电容Q开始放电到地，从而形成跳变功耗。跳变功耗的公式如式(2—2)所示。VddVin图2．1跳变功耗模型上)4c—C=玩×厶。一C=手T．f12㈨‰出+亭Z㈨衄一％渺=争弘，矗‰+争Z0％一‰矽％一‰，=CⅣ‰

5、T一尥屹(2—2)一个周期包含两个跳变。输出端从0变为1时，电源端损失能量为Q吃／2，通过P管时，能量消耗于阻性通路，以热量形式释放；当输出端从1变为0时，存储在电容Q上的c工吃／2通过N管时转化成热能。因此跳变功耗主要研究

6、器件工艺的工作电压如何降低，单元器件负载电容如何减小，部件工作频率如何降低，电路活动因子如何减小等。●短路功耗短路功耗是由短路电流所产生的。如图2．2所示，Vin在高、低电平间不断变化的过程中，当‰<玩<肠一I％l时(‰为N型管导通电压值，‰为P型管导通电压值)，N管和P管都导通，从而有Vdd至OGround的通路，形成短路5哈尔滨工程大学硕士学位论文电流。短路功耗的公式如式(2-3)所示。P∞c—S=V,埘xLc—S=∥∥甜—K)3v／12TVinVdd_—叫}f●■＼‘k上。}_——一4i(2-3)—_

7、i图2．2短路功耗模型其中f为电平信号从开始变化到稳定的时间，口由电路的工艺决定，玩和1I,分别表示器件电源电压和阈值电压，T表示电路的跳变周期。式(2-3)是假设c工对短路电流没有影响下推导出的，实际上当c工变大时所需要放电时间延长，如果比输入端的上升和下降时间长得多，它就不能完全放电，故功耗也会减少。反之，c￡很小，就会导致相对于输入端．的上升和下降时间太短，功耗会增大，所以半导体器件都设计成输入和输出端的上升和下降时间相当。降低短路功耗主要包括如何降低器件工作电压，如何提高晶体管导通阈值电压，以及如何

8、改善电路工艺等。(2)静态功耗与动态功耗相比，静态功耗的影响比较小，但是随着深亚微米CMOS工艺的发展，器件的阈值电压越来越小，漏电流的影响不容忽视。当一个CMOS逻辑门工作状态稳定后，从理论上讲它不会产生任何电流，但随着工艺的不断提高，实际上还是存在漏电流儿出水，其所产生的电路功耗称为静态功耗A砒萨；玩灿。姆17t8,9’10，111。如图2．3所示，由三部分组成：①当栅源电压Vos低于阈值电压踟时，源漏极之间沟道中所残留的电流，称为亚阈值漏电流血一5【8．91。②当栅极与沟道之间的绝缘层(一般是二氧化硅

9、)厚度％小于20埃哈尔滨工程大学硕士学位论文后，绝缘层仅有几层原子的厚度，绝缘层过薄使得栅极绝缘层的绝缘效果急速变差，在栅极与源、漏、衬底之间就会出现漏电流，称为栅极漏电流血一G⋯，】。③进人纳米工艺时代后，器件的量子效应开始显现出来，源、漏极和衬底之间，就会出现反偏结BTBT漏电流(reversebiaseddrain——substrateandsource—‘substratejunctionBand—。To