CMOS邏輯電路的高級技術(shù)2

第六章：CMOS邏輯門電路的高級技術(shù)劉威wliu@Review:StaticComplementaryCMOSVDDF(In1,In2,…InN)In1In2InNIn1In2InNPUNPDNPUNandPDNareduallogicnetworks……靜態(tài)互補(bǔ)

CMOS–除開關(guān)時間以外,沒有VDD到GND的直接低阻通道噪聲容限高邏輯擺幅大VOHandVOLareatVDDandGND,respectively低輸出阻抗,高輸入阻抗沒有VDDandGND直接通道(無靜態(tài)功耗)延遲時間是和負(fù)載電容和晶體管電阻相關(guān)上升和下降時間相差不大(合理設(shè)計)動態(tài)

CMOS–通過將電荷存儲在高阻結(jié)點(diǎn)來完成邏輯功能非常簡單,速度更快高級邏輯門技術(shù)（與靜態(tài)互補(bǔ)CMOS邏輯相比）除了使用靜態(tài)互補(bǔ)邏輯門，在集成電路中大量使用其他結(jié)構(gòu)的邏輯門，來對速度面積等性能進(jìn)行優(yōu)化。邏輯門實現(xiàn)2－－

1?；パa(bǔ)CMOS邏輯

2。傳輸管邏輯

3。動態(tài)CMOS邏輯邏輯門實現(xiàn)2－－

1?；パa(bǔ)CMOS邏輯

2。傳輸管邏輯

3。動態(tài)CMOS邏輯串連/并聯(lián)工作NMOS晶體管輸入驅(qū)動?xùn)藕驮?漏。當(dāng)輸入為高電平時，NMOS開關(guān)關(guān)閉。Remember-NMOS晶體管強(qiáng)0弱1ABXYX=YifAandBXYABX=YifAorB串連/并聯(lián)工作PMOS晶體管輸入驅(qū)動?xùn)藕驮?漏。當(dāng)輸入為低電平時，PMOS開關(guān)關(guān)閉。Remember-PMOS晶體管通過強(qiáng)1，弱0。ABXYX=YifAandB=A+BXYABX=YifAorB=ABPassTransistor(PT)Logic（傳輸管邏輯）ABFB0互補(bǔ)CMOS邏輯需要2N個晶體管，傳輸管只需要N個

無靜態(tài)功耗

無比器件雙向工作A0BBFPassTransistor(PT)Logic（傳輸管邏輯）ABFB0A0BB=ABF=AB互補(bǔ)CMOS邏輯需要6個晶體管實現(xiàn)與邏輯，占用芯片面積是傳輸管與邏輯的6倍，傳輸管只需要2個晶體管。

無靜態(tài)功耗

無比器件雙向工作DifferentialPTLogic(CPL)（差分傳輸管邏輯）ABABPTNetworkFABABInversePTNetworkFFFF=ABAABF=ABBBBAND/NANDAABF=A+BBF=A+BBBOR/NORAAF=ABF=ABBBXOR/XNORAACPLFullAdderAABBCinCin!SumSumCout!CoutAABBBBCinCinCinCinCPLFullAdderAABBCinCin!SumSumCout!CoutAABBBBCinCinCinCinXOR/XNORXOR/XNORAND/NANDAND/NANDOR/NORSum=AB

CinCout=AB+(AB)Cin傳輸管邏輯缺陷：邏輯擺幅不夠

VTCofPTANDGateA0BBF=AB0.5/0.250.5/0.250.5/0.251.5/0.25B=VDD,A=0VDDA=VDD,B=0VDDA=B=0VDDVout,VVin,V單純的傳輸管邏輯是不能使信號再生的-在經(jīng)過許多連續(xù)的傳輸管級后可以看到信號逐漸減弱(在信號路徑中插入一個反相器可以使性能改進(jìn))傳輸管邏輯特點(diǎn)差分邏輯總是存在互補(bǔ)的輸入和輸出(

所以不需要額外的反相器)靜態(tài)門,輸出結(jié)點(diǎn)總是通過一個低阻路徑連接到VDDorGND。設(shè)計具有模塊化的特點(diǎn);所有的門都采用完全相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是輸入的排列不同而已.簡單的XOR邏輯結(jié)構(gòu)使其在加法器中得到廣泛應(yīng)用速度快(假設(shè)串聯(lián)的晶體管數(shù)量較少)互補(bǔ)信號需要額外的布線開銷邏輯擺幅不夠存在靜態(tài)功耗的問題邏輯門不能直接串聯(lián)傳輸管邏輯后要緊跟一個反相器調(diào)整電平存在的缺陷問題1：電壓擺幅不夠體效應(yīng)

–上拉時在x點(diǎn)產(chǎn)生大源區(qū)電壓VSB(B固定在GND而S充電到VDD)所以邏輯擺幅比較小Vx=VDD-(VTn0+((|2f|+Vx)-|2f|))In=0VDDVDDxOut0.5/0.250.5/0.251.5/0.25Time,nsVoltage,VInOutx=1.8VDS

B問題2：靜態(tài)功耗Vx

不能上拉到VDD,而是VDD–VTnIn=VDDA=VDDVx=VDD-VTnM1M2

BSDVX下降產(chǎn)生靜態(tài)功耗(M2

柵電壓為VDD–VTn,M2可能處在飽和狀態(tài)，從而存在fromVDDtoGND的短路通道)VGS由于傳輸管的輸出電壓會有Vtn的電壓下降，一般采用反相器在邏輯之間進(jìn)行隔離。靜態(tài)功耗就在這個反相器上產(chǎn)生。問題3：不能直接串聯(lián)B=VDDOutM1yM2Swingony=VDD-VTn1-VTn2xM1B=VDDOutyM2Swingony=VDD-VTn1C=VDDA=VDDC=VDDA=VDD傳輸管鏈接方式不能將一個傳輸管的輸出鏈接到另一個傳輸管的柵極輸入上右邊的邏輯能正常工作，但是也存在著靜態(tài)功耗，從而減小了噪聲容限。x=VDD-VTn1GSGS如何解決傳輸管的缺陷問題傳輸門的缺陷根源來自于輸出高電平達(dá)不到VDD，可以使用如下方法進(jìn)行改進(jìn)。1：電平恢復(fù)2：零Vth傳輸管3：使用傳輸門方案解決方案1:電平恢復(fù)如果要正確工作，Mr

尺寸必須要設(shè)計好(有比邏輯)這是我們第一次接觸到有比邏輯，后面還要多次使用這種方法。有比邏輯在優(yōu)化單元電路性能時大量用到。LevelRestorerM1M2A=0MnMrxBOut=1off=0A=1Out=0on1X點(diǎn)不是在VDD就是在GND(由于電平恢復(fù))無靜態(tài)功耗在電平恢復(fù)器和傳輸管中沒有靜態(tài)電流路徑存在，因為恢復(fù)器只有在A為高電平時才有效瞬態(tài)電平恢復(fù)電路的響應(yīng)曲線Voltage,VTime,psW/Lr=1.75/0.25W/Lr=1.50/0.25W/Lr=1.25/0.25W/Lr=1.0/0.25W/Ln=0.50/0.25W/L2=1.50/0.25W/L1=0.50/0.25nodexnevergoesbelowVMofinvertersooutputneverswitches恢復(fù)器對功耗和速度都有影響:增加x點(diǎn)電容,邏輯門速度減慢;增加tr(但是降低tf)PSPICE模擬電平恢復(fù)功能電平恢復(fù)電路在集成電路中有著廣泛的應(yīng)用。其能以最小的代價對單元電路性能進(jìn)行優(yōu)化。但是使用電平恢復(fù)電路必須要進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計。這種電路是一種有比電路，也就是說電路中MOS管的尺寸必須按比例變化。作業(yè)：實現(xiàn)課堂演示所完成的功能解決方案2:多閾值（VT

）晶體管Technologysolution:使用零VTNMOS傳輸管器件來消除大部分閾值損失。同時要注意，器件的體效應(yīng)仍然會阻止全擺幅達(dá)到VDD)采用零閾值晶體管對功耗有負(fù)面影響，這是由于(evenifVGSisbelowVT)，也依然會有亞閾值電流流過傳輸管，而亞閾值電流大小隨閾值電壓減小指數(shù)增加。OutIn2=0VIn1=2.5VA

=2.5VB

=0VlowVTtransistorssneakpathonoffbutleaking解決方案3:傳輸門邏輯(TGs)柵信號控制的全擺幅雙向邏輯門。A=BifC=1ABCCABCCBC=VDDC=GNDA=VDDBC=VDDC=GNDA=GND解決方案3:傳輸門邏輯(TGs)ABCCABCCBC=VDDC=GNDA=VDDBC=VDDC=GNDA=GND柵信號控制的全擺幅雙向邏輯門。A=BifC=1傳輸門等效電阻Vout,VResistance,kRpRn2.5V0V2.5VVoutRpRnReqW/Ln=0.50/0.25W/Lp=0.50/0.25TG多路開關(guān)GNDVDDIn1In2SSSSSSSIn2In1FFF=!(In1S+In2

S)傳輸門邏輯避免了傳輸管邏輯導(dǎo)致的靜態(tài)功耗，但是其占用的晶體管數(shù)量是原來的兩倍?？梢酝ㄟ^巧妙的設(shè)計來減少晶體管使用數(shù)量。傳輸門XORBAAB！B！BBA傳輸門XOR變形BAAB1offoffaninverterB!A0ononA!B傳輸門全加器SumCoutABCinXORXORMUX=AB

CinCout=(A

S+Cin

S)其中S=AB總結(jié)以上幾種傳輸管電路各有有缺點(diǎn)，在實際的應(yīng)用中可以根據(jù)要求選擇不同的實現(xiàn)方式。邏輯門實現(xiàn)3－－

1?；パa(bǔ)CMOS邏輯

2。傳輸管邏輯

3。動態(tài)CMOS邏輯動態(tài)門原理In1In2PDNIn3MeMpCLKCLKOutCLOutCLKCLKABCMpMe兩相工作

預(yù)充電

(CLK=0)

求值

(CLK=1)動態(tài)門原理In1In2PDNIn3MeMpCLKCLKOutCLOutCLKCLKABCMpMeonoff1offon!((A&B)|C)兩相工作

預(yù)充電

(CLK=0)預(yù)充電期間，輸出無意義

求值

(CLK=1)輸出情形一旦傳輸門的輸出被放電，其在下一個預(yù)充電過程來臨之前無法再充電。在求值階段，輸入狀態(tài)最多只能有一個翻轉(zhuǎn).輸出在求值和求值后可能處在高輸出阻抗?fàn)顟B(tài)，門狀態(tài)儲存在CL動態(tài)門特性1邏輯功能由NMOS下拉網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)所需晶體管數(shù)目N+2(互補(bǔ)CMOS邏輯需要2N個)。只使用一個PMOS(PMOS占用更多面積)所以比靜態(tài)CMOS相比有更小的面積。最大邏輯擺幅(VOL=GNDandVOH=VDD)無比邏輯門–器件尺寸不影響邏輯功能（但是對性能有影響）開關(guān)速度快減少晶體管的數(shù)目，從而減小輸入電容(Cint)，從而減小了邏輯努力減少了扇出電容

(Cext)，從而減小了負(fù)載電容。無短路電流Isc,所有的電流通過下拉網(wǎng)絡(luò)對CL放電由于預(yù)充值,tpLH=0；但是存在放電延遲時間tpHL動態(tài)門特性2功耗降低因素只有動態(tài)功耗–無短路電流更低的負(fù)載電容CL-包括Cint(因為更少的漏級連接到輸出端)and輸出電容Cext(每個輸出門只包括一個門，而互補(bǔ)邏輯需要兩個門)每個工作周期最多有一次翻轉(zhuǎn)，所以沒有毛刺產(chǎn)生的動態(tài)功耗。功耗提高因素翻轉(zhuǎn)概率更高時鐘引起的額外電容一旦輸入信號超過VTn

，晶體管開始放電,所以把門的開關(guān)閾值VM,VIHandVIL

都設(shè)為VTn是合理的。噪聲容限較低(NML)需要預(yù)充值時鐘四輸入NAND動態(tài)邏輯性能CLKCLKIn1In2In3In4OutIn&CLKOutTime,nsVoltage#TrnsVOHVOLVMNMHNMLtpHLtpLHtpre62.5V0VVTn2.5-VTnVTn110ps0ns83psEvaluatePrecharge動態(tài)門的參數(shù)與時間有關(guān)輸出電壓的下降數(shù)量與輸入電壓以及允許的求值時間密切相關(guān).如果求值時間很短，那么噪聲電壓必須很大才會破壞信號，也就是說，翻轉(zhuǎn)電壓VM與工作頻率相關(guān)。.VGCLKVout

(VG=0.55)Vout

(VG=0.5)Vout

(VG=0.45)動態(tài)門的功耗In1In2PDNIn3MeMpCLKCLKOutCL只在Out=0時消耗功耗動態(tài)邏輯在功耗方面的優(yōu)勢：1，其實際電容較小，因為動態(tài)邏輯使用 較少晶體管2，動態(tài)邏輯門每個時鐘周期最多翻轉(zhuǎn)一次 無毛刺發(fā)生。3，動態(tài)邏輯門不存在短路功耗，因為求值 時上拉路徑不導(dǎo)通。動態(tài)功耗與信號概率相關(guān)ABOut001010100110動態(tài)2-輸入NOR門假設(shè)輸入信號概率PA=1=1/2PB=1=1/2翻轉(zhuǎn)概率為P01=Pout=0xPout=1

=3/4x1=3/4動態(tài)門有更高的開關(guān)活動因子!P01=Pout=0動態(tài)門的實際設(shè)計動態(tài)門由于節(jié)省芯片面積，速度快，功耗低，便于結(jié)合時鐘控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于其輸出阻抗非常大，所以容易被外界環(huán)境影響。在實際的設(shè)計工作中，我們要對以下四種情況進(jìn)行小心的設(shè)計。1：電荷泄漏2：電荷分享3：電容耦合4：回柵耦合動態(tài)門設(shè)計考慮因素1:電荷泄漏CLCLKCLKOutA=0MpMe最小的時鐘速率為幾kHzLeakagesourcesCLKVOutPrechargeEvaluate1234電荷泄漏影響輸出電壓穩(wěn)定在一個中間電壓值，其大小由上拉網(wǎng)絡(luò)和下拉網(wǎng)絡(luò)的漏電電阻決定。一旦輸出電壓降到低于扇出邏輯門的開關(guān)閾值，這個輸出就被認(rèn)為是一個低電壓。.CLKOut電荷泄漏解決方案CLCLKCLKMeMpAB!OutMkp類似于傳輸門邏輯的電平恢復(fù)Keeper利用上拉路徑進(jìn)行電流補(bǔ)償.雙反相器結(jié)構(gòu)，需要要有比設(shè)計作業(yè)這是電平恢復(fù)的第二次使用。

請利用HSPICE模擬上面使用電平恢復(fù)PMOS的動態(tài)邏輯門。對電平恢復(fù)PMOS的尺寸進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計，避免出現(xiàn)邏輯錯誤。動態(tài)門設(shè)計考慮因素2:電荷分享CLCLKCLKCaCbB=0AOutMpMe預(yù)充電時電荷存儲在CL

，求值時即使不放電，電荷也可能重新分配到CL

和CA

。這會導(dǎo)致輸出電壓有所下降，甚至導(dǎo)致邏輯錯誤.當(dāng)輸出電壓上Vout的電壓降Vout

=-VDD

(Ca/(Ca+CL))足夠大，以至于輸出電壓下降到開關(guān)閾值VM以下時，邏輯錯誤就產(chǎn)生了。.電荷共享的計算B=0ClkXCLCaCbAOutMpMaVDDMbClkMe電荷共享例子Cy=50fFCLKCLKA!AB!BB!BC!Cy=ABCCa=15fFCc=15fFCb=15fFCd=10fF什么條件下會造成結(jié)點(diǎn)y上電壓降的最壞情況(假設(shè)預(yù)充值工作期間所有輸入位于低電平.)Loadinverterabdc電荷共享例子Cy=50fFCLKCLKA!AB!BB!BC!Cy=ABCCa=15fFCc=15fFCb=15fFCd=10fFLoadinverterabdcVout

=-VDD

((Ca+Cc)/((Ca

+Cc)+Cy))=-2.5V*(30/(30+50))=-0.94V什么條件下會造成結(jié)點(diǎn)y上電壓降的最壞情況(假設(shè)預(yù)充值工作期間所有輸入位于低電平.)電荷共享解決方案CLKCLKMeMpABOutMkpCLK利用時鐘驅(qū)動的晶體管對內(nèi)部結(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)充值(其會導(dǎo)致功耗和面積的增加)動態(tài)門設(shè)計考慮因素3:電容耦合CL1CLKCLKB=0A=0Out1MpMeOut2CL2In=0->1動態(tài)NAND靜態(tài)NAND=1=1->0電路對串?dāng)_的影響非常敏感原因1)結(jié)點(diǎn)的高輸出阻抗2)電容耦合靜態(tài)門輸入的翻轉(zhuǎn)可能會造成該門的輸出變?yōu)榈碗娖?。這一輸出變化又會通過晶體管M4的電容耦合到這個門的輸入端M1M2M3M4M5M6回柵電容耦合效應(yīng)VoltageTime,nsCLKInOut1Out2這一耦合使得Out1電壓顯著下降，從而使得out2電壓不能完全下降到0伏。而且會有少量的靜態(tài)功耗產(chǎn)生。嚴(yán)重的時候可能會導(dǎo)致邏輯錯誤。動態(tài)門設(shè)計考慮因素4:時鐘饋通CLCLKCLK0->1BAOut1->1+MpMe時鐘電壓的快速上升和下降可以通過電容耦合到輸出。.從而導(dǎo)致輸出電壓高于電源電壓VDD.電容耦合的一種特殊情況是時鐘饋通，他是在預(yù)充電器件的時鐘輸入和動態(tài)輸出結(jié)點(diǎn)之間的電容耦合引起的效應(yīng)。時鐘饋通CLKCLKIn1In2In3In4OutIn&CLKOutTime,nsVoltage時鐘饋通時鐘饋通串聯(lián)動態(tài)門CLKCLKOut1InMpMeMpMeCLKCLKOut2VtCLKOut1Out2VVTn在求值階段。輸入只有01翻轉(zhuǎn)才能被允許，!In=Vdd問題：其邏輯特性的惡化受到什么影響最大?1:時鐘翻轉(zhuǎn)斜率2：邏輯門延遲特性解決方案1：多米諾邏輯In1In2PDNIn3MeMpCLKCLKOut1In4PDNIn5MeMpCLKCLKOut2Mkp11100001為什么稱為多米諾邏輯？In1CLKCLKIniPDNInjIniInjPDNIniPDNInjIniPDNInjLikefallingdominos!多米諾邏輯特點(diǎn)只有非反相邏輯才能執(zhí)行利用簡單的布爾變換來重新組織邏輯。利用差分多米諾邏輯使用np-CMOS(zipper)非常高的速度只存在上升沿延遲，下降沿延遲tpHL=0可以調(diào)整反相器的尺寸使之與扇出匹配。差分(雙軌)多米諾ABMeMpCLKCLK!Out=!(AB)!A!BCLKOut=ABMp1010有保持電路的差分(雙軌)多米諾ABMeMpCLKCLK!Out=!(AB)!A!BMkpCLKOut=ABMkpMpDuetoitshigh-performance,differentialdominoisverypopularandisusedinseveralcommercialmicroprocessors!1010onoff解決方案2：np-CMOSIn1In2PDNIn3MeMpCLKCLKOut1In4PUNIn5MeMp!CLK!CLKOut2(toPDN)11100001Only0