第六讲动态CMOS组合电路课件

动态CMOS与静态逻辑的比较在静态电路中在任何时候（除去翻转时）输出总是通过低阻路径连至GND或VDD扇入（fan-in）为n时要求2n个(n个N-型+n个P-型)晶体管动态电路依靠把信号值暂时存放在高阻抗节点的电容上。需要n+2个(n+1个N-型+1个P-型)晶体管TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态逻辑门In1In2PDNIn3MeMpClkClkOutCLOutClkClkABCMpMeonoff1offon((AB)+C)两个操作阶段

预充电

(CLK=0)

求值

(CLK=1)TJU.ASICCenter---ArnoldShi对输入输出的要求一旦动态门的输出被放电，它直到下一个预充电阶段之前不可能再次被充电。动态门的输入在求值期间最多只能有一次翻转。（对nlogic为低至高过渡）在求值期间或求值之后输出可以处于高阻态(PDNoff),状态存放在负载电容CL

上。TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态门的LogicEffort2/33/32/3TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态门的特点（以N-logic为例）逻辑功能仅由PDN实现（紧凑）晶体管的数目是N+2（静态互补CMOS需2N个晶体管）输入电容与伪NMOS逻辑相同全摆幅输出(VOL=GND及VOH=VDD)无比逻辑–器件尺寸不影响逻辑电平上拉速度改善，下拉时间变慢快速的开关速度，(NOR门的逻辑努力是2/3，比静态门5/3小许多)输入电容Cin小，作为负载被驱动时，对驱动器的负载电容小无短路电流Isc,因此由PDN提供的电流均用来使CL放电输入只允许在预充电阶段变化，在求值阶段必须保持稳定对nlogic，输入最多只能有一次低至高的过渡简单的动态CMOS逻辑级不能串联TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态门的特点（续）需要预充电/求值时钟总功耗通常高于静态CMOS：VDD和GND之间不存在静态电流通路，无静态功耗(无Psc),

无glitching（毛刺）较高的翻转概率,不论动态节点放电与否，时钟总在翻转需要额外的对时钟网络的驱动一旦输入信号超过VTn

，PDN就开始工作，因此VM,VIH

和VIL等于VTn噪声容限(NML)小，对噪声敏感对漏电敏感有电荷分享问题TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态电路设计中的问题1:电荷泄漏CLClkClkOutAMpMe漏电流来源CLKVOutPrechargeEvaluate主要是因为亚阈值导电和反偏二极管TJU.ASICCenter---ArnoldShi解决漏电电流的方法：补偿漏电CLClkClkMeMpABOutMkp与传输门逻辑中的电平恢复方法相同电平保持晶体管KeeperTJU.ASICCenter---ArnoldShi动态电路设计中的问题2：电荷分享CLClkClkCACBB=0AOutMpMe原先存放在CL

上的电荷由CL

和CA

重新分布（分享），导致鲁棒性降低。TJU.ASICCenter---ArnoldShi电荷分享的例子CL=50fFClkClkAABBB!BCCOutCa=15fFCc=15fFCb=15fFCd=10fF假定VDD=2.5V，电荷分享最坏情况下电压变化为0.94VTJU.ASICCenter---ArnoldShi电荷分享时的两种情形B=0ClkXCLCaCbAOutMpMaVDDMbClkMe情形1，Ma处于亚阈值状态TJU.ASICCenter---ArnoldShi电荷分享的解决办法ClkClkMeMpABOutMkpClk采用时钟驱动的晶体管预充电内部节点（代价：增加了面积与功耗）TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态电路设计中的问题3:回栅耦合CL1ClkClkB=0A=0Out1MpMeOut2CL2In动态NAND静态NAND=1=0回栅耦合（BackgateCoupling，背栅耦合）TJU.ASICCenter---ArnoldShi回栅耦合效应VoltageTime,nsClkInOut1Out2时钟馈通背栅耦合TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态电路设计中的问题4:时钟馈通CLClkClkBAOutMpMe由于栅至漏之间的电容，在Out和预充电器件时钟输入端之间存在耦合。于是输出电压可能上升至VDD以上。时钟的快速上升（和下降沿）耦合至Out.ClockFeedthroughTJU.ASICCenter---ArnoldShi时钟馈通效应ClkClkIn1In2In3In4OutIn&ClkOutTime,nsVoltageClockfeedthrough时钟馈通TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态门的其他效应电容耦合衬底耦合最小电荷注入电源接地噪声(groundbounce地弹效应)TJU.ASICCenter---ArnoldShi动态门的级联ClkClkOut1InMpMeMpMeClkClkOut2VtClkInOut1Out2VVTn输入端只允许0→1的过渡（NMOSLogic）简单的动态CMOS逻辑级不能串联TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米诺（Domino）逻辑In1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PDNIn5MeMpClkClkOut2Mkp11100001一个多米诺（Domino）逻辑块由一个n型动态逻辑块后面接一个静态反相器构成；由于多米诺模块输出由一个低阻抗的静态反相器驱动，提高了抗噪声能力TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米诺（Domino）逻辑链ClkClkIniPDNInjIniInjPDNIniPDNInjIniPDNInj多米诺逻辑可以串联，串联的数目取决于在求值的时钟阶段，相串联的各级动态逻辑能来得及一个接一个地求值完毕。类似于多米诺骨牌!TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米诺逻辑（DominoLogic）的特点逻辑求值的传播如同多米诺骨牌的倾倒求值阶段的时间决定了（允许的）逻辑深度只能实现非反相的逻辑（所有的门均为非反相）只有一个过渡被优化门为无比逻辑，但电平恢复电路为有比逻辑节点必须在预充电期间被预充电（这可能限制了PMOS的最小尺寸）求值期间，输入必须稳定，对nlogic只能有一个上升的过渡TJU.ASICCenter---ArnoldShi多米诺逻辑（DominoLogic）的特点续速度非常快：静态反相器可以设计成不对称：因为在反相器的输入端只有10的过渡加大反相器的PMOS管可使反相器的VM上移输入电容减小：因而logicaleffort较小可根据扇出（Fan-out）情况优化设计反相器增加电平恢复电路可以减少漏电和电荷分享问题TJU.ASICCenter---ArnoldShi无求值管多米诺（FootlessDomino）MpMeVDDPDNClkIn1In2In3Out1ClkMpMeVDDPDNClkIn4ClkOut2MrVDD预充电期间Inputs=0预充电期间若Inputs=0则可以取消求值管(直接与地短路)!TJU.ASICCenter---ArnoldShiFootlessDominoThefirstgateinthechainneedsafootswitch

Prechargeisrippling–short-circuitcurrentAsolutionistodelaytheclockforeachstageTJU.ASICCenter---ArnoldShi差分型(双轨)多米诺逻辑ABMeMpClkClkOut=AB!A!BMkpClkOut=ABMkpMp解决了多米诺逻辑的非反相问题1010onoffTJU.ASICCenter---ArnoldShi多米诺骨牌世界记录2005年11月18日在荷兰创造出新的多米诺骨牌世界记录。组织者称，他们成功地推倒了4,155,476只骨牌，打破了去年由他们创造的390万只骨牌的记录。在11月14日，一只麻雀误闯码放骨牌的大厅，撞倒了2.3万只骨牌，组织者只好请人用气枪打死了这只麻雀，却遭到动物保护组织的强烈抗议，打鸟的枪手甚至遭到死亡威胁。18日在推倒骨牌前，组织者还为这只不幸的麻雀进行了一个小型的追悼仪式TJU.ASICCenter---ArnoldShinp-CMOSIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(toPDN)11100001Only01transitionsallowedatinputsofPDNOnly10transitionsallowedatinputsofPUNTJU.ASICCenter---ArnoldShiNORALogicIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(toPDN)11100001t