83CMOS静态门电路的功耗ppt课件

1、CMOS静态门电路的功耗静态门电路的功耗内容提要n功耗的组成n静态功耗及减小措施举例n动态功耗及减小措施举例nCMOS静态门电路的小结CLVddVDD0tV1.1.当输入信号为当输入信号为0 0时：时：输出坚持输出坚持1不变，没有电荷转移不变，没有电荷转移3.3.当输入信号从当输入信号从0 01(1(发生跳变发生跳变) )时：时：输出从输出从“1转变为转变为“0, 有电荷转移有电荷转移012.2.当输入信号为当输入信号为VDDVDD时：时：输出坚持输出坚持0不变，没有电荷转移不变，没有电荷转移CMOS反相器的功耗反相器的功耗动态功耗动态功耗静态功耗静态功耗CMOS反相器的功耗反相器的功耗功耗组

2、成：功耗组成： 1. 静态功耗静态功耗 2. 动态功耗动态功耗1.静态功耗静态功耗PS输入输入输出输出输出输出在输入为在输入为0或或1VDD)时，两个时，两个MOS管中总是一个截止管中总是一个截止一个导通，因此没有从一个导通，因此没有从VDD到到VSS的直流通路，也没有的直流通路，也没有电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为电流流入栅极，因此其静态电流和功耗几乎为0。VinVout常规常规对于深亚微米器件，存在走漏电流对于深亚微米器件，存在走漏电流IleakageVDD IleakageVout漏极分散结漏电流漏极分散结漏电流亚阈值漏电流亚阈值漏电流栅极漏电流栅极漏电流随着特征尺寸的减小，走

3、漏电流功耗变得不可忽视，随着特征尺寸的减小，走漏电流功耗变得不可忽视，减小走漏电流功耗是目前的研讨热点之一。减小走漏电流功耗是目前的研讨热点之一。Ipn=AJS 由越过沟道区的少数载流子分由越过沟道区的少数载流子分散电流引起的散电流引起的 反向偏置二极管漏电流反向偏置二极管漏电流亚阈值漏电流亚阈值漏电流源极源极(S)漏极漏极(D)栅极栅极(G)VGVDID由少数载流子的分散引起，类由少数载流子的分散引起，类似横向晶体管似横向晶体管)1(/ )()/(kTDSqVoffsetTGSenkTVVVqssubeII0.10.1之间之间亚阈值振幅系数亚阈值振幅系数VT降低，降低，Isub增大增大但但V

4、T添加，速度减慢添加，速度减慢存在速度和存在速度和功耗的折中功耗的折中思索思索降低待机功耗的方法举例：降低待机功耗的方法举例： 正常任务时采用低阈正常任务时采用低阈值电压，以减少值电压，以减少CMOS电路的延迟时间电路的延迟时间 待机时采用高阈值待机时采用高阈值电压，以减少电压，以减少CMOS电路的走漏电流电路的走漏电流坚持速度性能的根底上，坚持速度性能的根底上，大幅度降低功耗大幅度降低功耗高Vt低VtVDDVSSSL低阈值逻辑电路低阈值逻辑电路电路任务时电路任务时导通，待机导通，待机时截止时截止2.动态功耗动态功耗PDVILVIH0VDDVDD(1)(2)(3)(4)(5)N截止截止P非饱非

5、饱和和N饱和饱和P非饱非饱和和N非饱非饱和和P饱和饱和N非饱非饱和和P截止截止 1. 短路电流功耗：在输入从短路电流功耗：在输入从0到到1或者从或者从1到到0瞬变过程中，瞬变过程中，NMOS管和管和PMOS管都处于导通管都处于导通形状，此时存在一个窄的从形状，此时存在一个窄的从VDD到到VSS的电流脉冲，由此引起的的电流脉冲，由此引起的功耗叫短路电流功耗。功耗叫短路电流功耗。 CLVdd通常开关频率较低通常开关频率较低时为动态功耗的主时为动态功耗的主要组成部分要组成部分2. 瞬态功耗：在电路开关动作瞬态功耗：在电路开关动作时，对输出端负载电容进展放时，对输出端负载电容进展放电引起的功耗。电引起

6、的功耗。短路电流功耗短路电流功耗VinVoutCLVdd0max1( ),12ptdpDDpdpdppDDrfPi VdttiPPf VItt假设交变电流 的波形为三角形，可近似为：（）VoutiCtpVinVoutCLVddE=CLVDD2Pdyn=E*f=CLVDD2fl 为减小功耗需求减小为减小功耗需求减小CL ,VDD CL ,VDD 和和f fl 动态翻转的能量和功耗：与驱动器件的电阻无关动态翻转的能量和功耗：与驱动器件的电阻无关每次翻转耗费的能量每次翻转耗费的能量E反相器的平反相器的平均转换频率均转换频率电路中通常用时钟频率fclkPdyn=CLVDD2fclk开关活动因子开关活动

7、因子clkout=25%=25%降低动态功耗的根本原那么降低动态功耗的根本原那么 降低电源电压降低电源电压 降低开关活动性降低开关活动性 减少实践电容减少实践电容尽量降低电路门数尽量降低电路门数双电源双电源LSI设计技术设计技术F/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FF/FFF_AFF_B对于非关键途径采用低对于非关键途径采用低电源电压电源电压降低电源电压举例降低电源电压举例小振幅数据通路技术小振幅数据通路技术 数据通路信号的振幅减低数据通路信号的振幅减低 在数据表现方式上下功夫，减少信号的迁移几率在数据表现方式上下功夫，减少信号的迁移几率 在不变卦系统构造的根底上，采用公用数据通路在不变卦系统构造的根底上，采用公用数据通路(LVDS)， 以减少电路规模以减少电路规模低电压差分信号低电压差分信号降低电源电压举例降低电源电压举例减少毛刺和竞争冒险减少毛刺和竞争冒险降低开关活动性举例降低开关活动性举例设计时，使各支路的延时尽能够平衡设计时，使各支路的延时尽能够平衡CMOS静态逻辑门的小结 MOS反相器的静态特性反相器的静态特性u 逻辑门的输入输出电平逻辑门的输入输出电平u 逻辑门的噪声容限逻辑门的噪声容限u 逻辑门的逻辑阈值逻辑门的逻辑阈值 MO