第11講絕熱電路類型等

第11講絕熱電路類型等第一頁，共29頁。一、靜態(tài)CMOS反相器的能耗C充電時：電源的能耗第二頁，共29頁。功耗從哪兒來？

功耗一般分兩種(1)開關(guān)的動態(tài)功耗，1電容充放電2P/NMOS同時打開形成的瞬間短路電流(2)來自漏電的靜態(tài)功耗1擴散區(qū)和襯底形成二極管的反偏電流2關(guān)斷晶體管中通過柵氧的電流

芯片的漏電會隨溫度變化，所以當芯片發(fā)熱時，靜態(tài)功耗指數(shù)上升，漏電流也會隨特征尺寸減少而增加。

公式：Ptotal=Pdynamic+Pshort+

Pleakage

第三頁，共29頁。一、傳統(tǒng)CMOS的能耗每周期能耗減小能耗方法：第一，多閾值泄漏優(yōu)化（mutiplethresholdleakageoptimization）。庫文件一般有三版：低Vth(快，大漏電)，標準Vth,高Vth(慢，低漏電)。工具一般盡量用高Vthcell,而由于timing限制則需用低Vthcell.很明顯，選庫很重要。

第二，多個電壓域（multiplevoltagedomains）。不同工作電壓需要庫的支持。不同電壓區(qū)域的劃分則需要前后端設(shè)計的協(xié)作。

第三，基于門控時鐘的本地鎖存。這是在成組的flop之前加上特定的時鐘門控鎖存.

第四頁，共29頁。

第四，分類門級優(yōu)化（Classicalgateleveloptimization）。改變單元尺寸，去除不必要的buffer,合并門，加入buffer減少skew,調(diào)整邏輯等等。影響系統(tǒng)功耗的主要因素有工作電壓、負載電容、門電路的開關(guān)次數(shù)和時鐘數(shù)。這些參數(shù)就是進行SOC系統(tǒng)低功耗設(shè)計的出發(fā)點。第五頁，共29頁。二、

絕熱計算原理電路能量的循環(huán)利用代替散熱,采用交流電源電能轉(zhuǎn)換為熱能

電能向磁能的轉(zhuǎn)換使用的功率時鐘在上升或下降中具有漸變過程,它的能量傳輸方式是電源->信號節(jié)點->電源絕熱電路通過回收結(jié)點電容上的電荷至電源實現(xiàn)了能量的重復利用。第六頁，共29頁。首先對CMOS電路充電與放電過程中的能耗進行分析。以充電過程為例，在0->T的時間內(nèi)，結(jié)點電容的電壓Vc（t）從低電平Vc（t）=0開始充電至高電平Vc（t）=Vdd。假定電源電壓為時間的函數(shù)Vd（t）,并有Vd（t）=Vdd。此外，流過MOS網(wǎng)絡(luò)的充電電流也為時間的函數(shù)I(t),則這一過程轉(zhuǎn)化為熱能的能量為：（1）絕熱計算過程：第七頁，共29頁。式（1）中E1為這一過程注入電路的總能量，E2為充電結(jié)束時結(jié)點電容最終存儲的能量。由于電容器中的電流I(t)和電壓Vc(t)之間有如下關(guān)系：（2）

因此可通過積分得到

如果把（2）式代入（1），我們可以得到：

（3）在采用直流電源的CMOS電路中采用常量：則有（4）由式（1）可以得出，該結(jié)點在充電過程中的能量損耗為：然第八頁，共29頁。而，如果0->T的時間內(nèi)，Vd(t)逐漸上升至Vdd，且這一上升過程足夠緩慢以致電容器上的電壓Vc(t)能基本跟隨Vd(t)的變化，即Vc(t)=Vd(t)，則由式（3）可得因此，于是式（1）中。這表示該結(jié)點在對應(yīng)的充電過程中幾乎沒有能量轉(zhuǎn)化為熱能。同理可對結(jié)點電容的放電過程進行類似的分析。由以上分析得出的結(jié)論是：只要在電路中飯使用漸升、漸降的電源，并使結(jié)點電容在電壓的充、放電過程中能跟隨電源的變化，則此過程中轉(zhuǎn)化為熱量的能量就可以減少至0，此即所謂絕熱開關(guān)過程。第九頁，共29頁。根據(jù)絕熱電路的上述工作原理，它的輸出將通過導通的MOS器件跟隨功率時鐘的變化而成為一種鐘控信號。因此，對該MOS器件的控制信號具有一定要求，它作為電路的輸入信號也應(yīng)具有鐘控信號的形式。如果它與本級功率時鐘具有相同的相位，則就不能很好的控制該MOS器件的開通以實現(xiàn)輸入功率時鐘的無損耗傳輸。第十頁，共29頁。三、幾種典型的絕熱電路

1、ECRL/2N-2P有效電荷回收邏輯(ECRL)以前的絕熱電路在預(yù)充電時傳遞能量，在賦值期恢復能量。但是現(xiàn)在絕大多數(shù)被推薦的絕熱電路使用二極管或類似二極管的設(shè)備來預(yù)充電。但是在二極管間的電壓下降會導致不可避免的能量消耗。有效的電荷恢復邏輯（ECRL）又稱2N2P電路，采用一種新的方法，這種方法同時執(zhí)行預(yù)充電和賦值。ECRL去除了預(yù)充電的二極管，而且比其它的絕熱電路能耗要小得多。ECRL轉(zhuǎn)換器鏈和CLA都是采用這種方法來構(gòu)造的第十一頁，共29頁。ECRL的一般示意圖如下：邏輯賦值電路由兩個nMOS管邏輯(F和Fb)構(gòu)成，能量恢復電路由兩個pMOS管(P1，P2)構(gòu)成。輸出節(jié)點的能量通過P1或P2恢復到電源。缺點：無箝位nMOS管用于避免輸出節(jié)點懸空。

第十二頁，共29頁。fDQbQDb回顧：StaticLatchbasedonRAMM1M2M3M4QM5DM6CLKM7DbM8CLKVDDQPP.260第十三頁，共29頁。

2.2N-2N2P這種絕熱邏輯類型源自于ECRL，是為了減少耦合效應(yīng)。主要優(yōu)點是交叉耦合nMOSFET開關(guān)在恢復階段的大部份時間產(chǎn)生非浮動輸出。右圖是2N-2N2P絕熱緩沖器。該電路時鐘的每個周期有四個狀態(tài)：等待期、邏輯賦值期、保持期、能量恢復期。

第十四頁，共29頁。第十五頁，共29頁。四相絕熱二進制計數(shù)器第十六頁，共29頁。3.正反饋絕熱邏輯(PFAL)

二個N樹型實現(xiàn)邏輯功能，這種邏輯類型也產(chǎn)生正負輸出量。與ECRL的主要差異是PFAL采用二個pMOSFET和二個nMOSFET鎖存器.而ECRL只采用二個pMOSFET，還有PFAL的功能塊是并聯(lián)的傳輸pMOSFET。因此當電容充電時等效阻抗更小。在復原階段,負載電容返回給供給電壓的能量減少。

第十七頁，共29頁。第十八頁，共29頁。4、PAL-2N上圖是SR觸發(fā)器賦值樹由N3,N4組成，N7是Q反饋路徑上的晶體管，互補的賦值樹由N5,N6組成，N8是QB反饋路徑上的晶體管，控制反饋晶體管N7,N8的是時鐘Vclk。

在賦值階段，當Vclk達到Vtn，N7,N8開啟，依據(jù)邏輯Q和QB,對N4,N6上的門電容充電，考慮到Q=1,QB=0，N4門電壓將被充電至Vdd-Vtn.。Vclk在恢復階段下降，N4門電容通過N7放電，當N7關(guān)閉后，能量就動態(tài)的存儲在門里。HSPICE仿真可以看到這個門電壓大約1V（電源電源為5V）,足夠在第二個賦值階段開啟N4。對N6來說Q=0,QB=1，可同樣運行。第十九頁，共29頁。真正的輸出賦值樹是當S=1,Q=1(前一狀態(tài))時，互補的輸出賦值樹是當R=1,QB=1(前一狀態(tài)),S和R不能同時為1。盡管如此，還有一特殊情況，S=1,QB=1(前一狀態(tài))(或者R=1,Q=1(前一狀態(tài)))這種情況下，在賦值階段，N3,N6（N4,N5）都開啟，但N6與N3相比較弱，所以Q充電更快點。第二十頁，共29頁。5、CAL基本CAL緩沖器/反相器如上圖（a）所示。該電路由兩部分組成：邏輯賦值電路和能量恢復電路。邏輯賦值電路由兩個nMOS管(N1，N2)構(gòu)成，能量恢復電路由兩個pMOS管(P1，P2)構(gòu)成，CX是用于控制N1,N2而引入的輔助時鐘信號，箝位nMOS管(N3，N4)用于避免輸出節(jié)點懸空。而輸出節(jié)點的能量通過P1或P2恢復到電源。第二十一頁，共29頁。級聯(lián)CAL邏輯電路僅僅需要同一個功率時鐘CLK，而輔助時鐘(CX和CXb)交替控制每一級邏輯電路，如圖(b)所示。CAL電路的波形如圖(c)所示，輔助時鐘CX和CXb交替控制邏輯賦值，其頻率是功率時鐘CLK頻率的一半。

第二十二頁，共29頁。復雜的門電路可以用nMOS的組合邏輯塊代替CAL邏輯電路中的輸入nMOS管（N1和N2）來實現(xiàn)，上圖（a）所示為2輸入與門，(b)2輸入或門，(c)2輸入異或門和與或門。圖中，為了方便，僅僅畫出了N邏輯輸入模塊復雜數(shù)字系統(tǒng)可以通過基本門電路實現(xiàn)。通過這些門電路可設(shè)計CAL加法器，CAL觸發(fā)器等。第二十三頁，共29頁。四、功率時鐘產(chǎn)生器

1、單相

右圖是：功率時鐘產(chǎn)生器圖及其波形。原理是：當CK為高時,PCK為零，當CK為低時，RC振蕩，PCK慢慢變高，功率時鐘產(chǎn)生。

第二十四頁，共29頁。2、兩相

原理：當PC1為低，PC3為高時，CLK1拉高；當PC3為低，PC1為高時，CLK3拉高；當PC1,PC3都為高時，P1,P3截止，兩絕熱模塊，L和地形成振蕩，功率時鐘由此產(chǎn)生。

第二十五頁，共29頁。3、電容抽取

,故

如果頻率很小，即W很小，那么R可以忽略不計，電壓的有效值

故

第二十六頁，共29頁。五、絕熱電路的應(yīng)用

在低功耗設(shè)計技術(shù)的緊急需求背景下，一種新型低功耗電路設(shè)計技術(shù)—絕熱計算(AdiabaticComputing)或稱能量恢復（EnergyRecovery）電路設(shè)計技術(shù)應(yīng)運而生，對它的研究方興未艾。這一技術(shù)的核心思想是通過延長電荷的傳輸時間以及恢復和重新利用信號能量來實現(xiàn)低能耗運算。而在傳統(tǒng)設(shè)計中，這些能量將以熱能的形式消耗掉。因此它可以成為傳統(tǒng)降低功耗方法（如降低電源電壓，減少開關(guān)電容等）的補充，也可以是在傳統(tǒng)方法進入極限或無能為力