asic低功耗设计

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1、三、低功耗技术1.功耗分析（1）由于电容的充放电引起的动态功耗图（20）充放电转换图如图（20）所示：PM0S管句电稗Cl充电吋，电稗的电压从0上升到,而这些能暈来&于电源。一部分能景消耗在PM0S管上，而剩余的则保•存在电界里。从高电伍

2、4低转换的过程中，电容放电，电容中储存的能量消耗在NM0S管上。我们来推导一下：考虑从低电压转换到高电压的情况，NM0S和PM0S不M时导通。在转换过程中电源提供的能M为Ec，而是转换后储存在电容租的能:W:。oooo.VDDEvdd=JivDD（t）dt=VddJClV

3、out=ClVdd'00（"0ooooEc=JivDD(t)VomdtCl.^V＜，iaVomdt=Cl.IVoutdVoiVDD()dtClVdd2这两个等式说明电源提供的能景只杏一半储存在电界里。另一半被PMOS管消耗掉了。为了计算总体能量消耗，我们不得不考虑器件的翻转。如果门每秒钟翻转/o+i次，那么Pdyn=ClVdd2fo——>1/o+i丧示能g消耗的翻转频率。随着数字电路集成度的提髙，能景问题将成为人们关注的焦点。从以上分析看出，跟电源电压的平方成正比，因此降低供电电压对降低功耗有非常显著的意义。但是，降低供电电压对电路性

4、能有一定的影响，这时我们可以考虑减小柯效电稃和减少翻转率。电容主要是由r晶体管的门和扩散屯容引起的，因此降低由干电容的充放电引起的动态功耗方法之一是将品体管设计得尽4能小，这种方法m样对提高电路的性能有很大的帮助。（2）短路电流引起的功耗在实际电路屮，输入波形上升和卜降时问为零是不可能的。在翻转过程屮，当NMOS管和PMOS管同时导通的时候，冇限的输入信号斜率使得在瞬间产生从V。到GND之流通路。假设电流是三角波，而反向器的上升和卜降波形是对称的，我们来计算在翻转周期的能量消粍：--IpeaktscIpeaktsc-Edp—VDD+V

5、DD=tscVDDIpeak我们计算平均能量消耗Pdp=tscVDD2Ipeakf=CscVDD阁（21）短路电路示意图短路电流的功耗M电路的翻转率是成正比，么表示器件M时导通的时间，/pW由器件的饱和电流决定，因此正比于晶体管的尺寸。峰位电流是输入和输出斜率比率的函数。其原因说明如下：静态CMOS反昀器的输入从o变化到1，假设负载电界非常人，W此输出信号的下降时间比输入信号的上升时间长将多。在这种惜况下，在输fli信号变化以前，输入信号已经完成Y瞬态变化，因此XMOS已经导通，但是输山电容来不及放电。血PMOS的源漏电压近似为零，因

6、此器件关W,不传递任何电流。这种情况F，电路电流约等于0。考虑相反的情况，输出电界非常小，因此输出的K降吋间比输入的上升吋间要短的多。在瞬态变化时，PMOS管的源漏电压是，从而保证了最大的短路电流。通过分析，我们知道当输出的上升/下降时间大于输入上升/下降吋间的吋候，短路功耗是最小的。从另一个方面讲，输出上升/下降吋W不宜过人，否则会使电路的速度降低。（3）静态功耗电路消耗的静态功耗的表达式如不Pstat—IstatVDDIsua是电路4:不翻转时的静态电流。理想CMOS反向器的静态电流等于0,因为PMOS和NMOS管不时导通。实际的

7、品体管在源漏和衬底之叫存在反h'd偏置的二极管，这个电流位是非常小可以忽略不计的。然而宵点的漏电流是由热载流子产生的，漏电流的值随V点温度上升Iftj增大。因此有必耍保持操作环境4:较低的温度。漏电流的另一个来源足晶体管的亚域值电流。当Vgs低于域值电压吋，MOS晶体管存在源漏电流。域位电压越接近零，当VgS=0吋的漏电流就越人，消耗的静态功耗也就越人。因此域值电压不能太低，通常是大于等于0.5伏。(4)总功耗CMOS反器的总功耗由以下三部分组成：Plot=Pdyn+Pdp+Pstat=[ClVdD+VoDlpeafts)/——>1+

8、VDDlleak典型的CMOS电路，电路节点电平翻转吋对负载电容地充放电功耗是主要地功耗源。完美的设计能够将短路电流功耗限定在一定的范围内，当电路处于静态即保持状态不变时功耗很小，目仙可以忽略，似是在不久的将来静态功耗将而临挑战。2.低功耗技术方案(1)降低电压从功耗的分析來看，芯片的功耗正比于芯片工作电压的平方，所以选川低电压工艺是个很冇效地解决途径。但是同时会降低工作频率，降低噪声容限，使电路的性能变差。(2)RTL级设计阶段是最有可能大幅度降低功耗的阶段系统级处在设计的较高抽象层次上，具柯较人的优化和选择余地，设计层次越高，优化

9、所能达到的效果越好。在系统级上进行低功耗优化设计，它们的优化程度最人可以达到几倍。不同的RTL结构，其功耗相差甚远。举例来说，一个模16的计数器，以one_hot方式(只有一位是1,其他是0)用0000000000000