第六讲动态CMOS组合电路.ppt

TJIC第六讲动态第六讲动态第六讲动态第六讲动态CMOSCMOSCMOSCMOS组合电路组合电路组合电路组合电路天津大学电信学院电子科学与技术系史再峰TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态动态CMOSCMOS与静态逻辑的比较与静态逻辑的比较v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 GND 或VDDVDD扇入（fan-infan-in）为n n 时要求2 2n n 个(n n个N-N-型+n n个P-P-型)晶体管v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 n+2+2个(n n+1+1个N-N-型+1+1 个P-P-型)晶体管TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态逻辑门动态逻辑门In1In2PDNIn3MeMpClkClkOutCLOutClkClkABCMpMeonoff1offon(AB)+C)两个操作阶段 预充电(CLK=0)求值 (CLK=1)TJU.ASIC Center-Arnold Shi对输入输出的要求对输入输出的要求v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。v动态门的输入在求值期间最多只能有一次翻转。（对nlogic nlogic 为低至高过渡）v在求值期间或求值之后输出可以处于高阻态(PDN off),(PDN off),状态存放在负载电容C CL L 上。TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态门的动态门的Logic EffortLogic Effort2/33/32/3TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态门的特点（以动态门的特点（以N N-logic-logic为例）为例）v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v全摆幅输出(VOL=GND 及VOH=VDD)v无比逻辑器件尺寸不影响逻辑电平v上拉速度改善，下拉时间变慢v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v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v简单的动态CMOS 逻辑级不能串联TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态门的特点（续）动态门的特点（续）v需要预充电/求值时钟v总功耗通常高于静态CMOSCMOS：VDD VDD 和GNDGND之间不存在静态电流通路，无静态功耗(无Psc),Psc),无glitchingglitching（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V VTnTn ，PDN PDN 就开始工作，因此V VM M,V,VIHIH 和V VILIL等于V VTnTnv噪声容限(NML)(NML)小，对噪声敏感v对漏电敏感v有电荷分享问题TJU.ASIC Center-Arnold Shi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.ASIC Center-Arnold Shi解决漏电电流的方法：补偿漏电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.ASIC Center-Arnold Shi动态电路设计中的问题动态电路设计中的问题2 2：电荷分享：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.ASIC Center-Arnold Shi电荷分享的例子电荷分享的例子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.ASIC Center-Arnold Shi电荷分享时的两种情形电荷分享时的两种情形B=0ClkXCLCaCbAOutMpMaVDDMbClkMe情形情形1 1，MaMa处于亚阈值状态处于亚阈值状态TJU.ASIC Center-Arnold Shi电荷分享的解决办法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）（代价：增加了面积与功耗）TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态电路设计中的问题动态电路设计中的问题3:3:回栅耦合回栅耦合CL1ClkClkB=0A=0Out1MpMeOut2CL2In动态动态 NANDNAND静态静态NANDNAND=1=0回栅耦合（Backgate Coupling，背栅耦合）TJU.ASIC Center-Arnold Shi回栅耦合效应回栅耦合效应VoltageTime,nsClkInOut1Out2时钟馈通背栅耦合TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态电路设计中的问题动态电路设计中的问题4:4:时钟馈通时钟馈通CLClkClkBAOutMpMe由于栅至漏之间的电容，在OutOut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 VDD 以上。时钟的快速上升（和下降沿）耦合至OutOut.Clock FeedthroughTJU.ASIC Center-Arnold Shi时钟馈通效应时钟馈通效应ClkClkIn1In2In3In4OutIn&ClkOutTime,nsVoltageClock feedthrough时钟馈通TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态门的其他效应动态门的其他效应v电容耦合v衬底耦合v最小电荷注入v电源接地噪声(ground bounce地弹效应)TJU.ASIC Center-Arnold Shi动态门的级联动态门的级联ClkClkOut1InMpMeMpMeClkClkOut2VtClkInOut1Out2VVTn输入端只允许01的过渡（NMOS Logic）简单的动态CMOS 逻辑级不能串联TJU.ASIC Center-Arnold Shi多米诺（多米诺（DominoDomino）逻辑）逻辑In1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PDNIn5MeMpClkClkOut2Mkp1 11 00 00 1一个多米诺（DominoDomino）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.ASIC Center-Arnold Shi多米诺（DominoDomino）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.ASIC Center-Arnold Shi多米诺逻辑（Domino LogicDomino Logic）的特点v逻辑求值的传播如同多米诺骨牌的倾倒v求值阶段的时间决定了（允许的）逻辑深度v只能实现非反相的逻辑（所有的门均为非反相）v只有一个过渡被优化v门为无比逻辑，但电平恢复电路为有比逻辑v节点必须在预充电期间被预充电（这可能限制了PMOSPMOS的最小尺寸）v求值期间，输入必须稳定，对nlogicnlogic只能有一个上升的过渡TJU.ASIC Center-Arnold Shi多米诺逻辑（Domino LogicDomino Logic）的特点续v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1 0 1 0 的过渡加大反相器的PMOSPMOS管可使反相器的VM VM 上移输入电容减小：因而logical effortlogical effort较小可根据扇出（Fan-outFan-out）情况优化设计反相器v增加电平恢复电路可以减少漏电和电荷分享问题TJU.ASIC Center-Arnold Shi无求值管多米诺（Footless DominoFootless Domino）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.ASIC Center-Arnold ShiFootless DominoFootless DominoThe first gate in the chain needs a foot switchPrecharge is rippling short-circuit currentA solution is to delay the clock for each stageTJU.ASIC Center-Arnold Shi差分型差分型(双轨双轨)多米诺逻辑多米诺逻辑ABMeMpClkClkOut=AB!A!BMkpClkOut=ABMkpMp解决了多米诺逻辑的非反相问题1 01 0onoffTJU.ASIC Center-Arnold Shi多米诺骨牌世界记录多米诺骨牌世界记录v2005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。v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。v18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.ASIC Center-Arnold Shinpnp-CMOS-CMOSIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(to PDN)1 11 00 00 1Only 0 1 transitions allowed at inputs of PDN Only 1 0 transitions allowed at inputs of PUNTJU.ASIC Center-Arnold ShiNORA LogicNORA LogicIn1In2PDNIn3MeMpClkClkOut1In4PUNIn5MeMpClkClkOut2(to PDN)1 11 00 00 1to otherPDNsto otherPUNsWARNING:Very sensitive to noise!TJU.ASIC Center-Arnold Shi实验实验2 2v实验目的练习和优化大扇入组合逻辑电路的设计v实验内容设计8输入与非门重组逻辑结构后得到另外一种形式的8输入与非门比较和分析两电路的延时信息等特性,要求有必要的运算和仿真结果14周上交实验报告,要求用统一的实验报告用纸TJU.ASIC Center-Arnold Shi