Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 第四章基本单元电路 411功耗
1 第四章 基本单元电路 4.11 功耗 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 功耗 ■功耗来源 影响因素
2 功耗 功耗来源 影响因素 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation cMos电路功耗的来源 ■cMos电路功耗的构成 动态功耗P 开关过程的短路功耗Rc; n静态功耗乃
3 CMOS电路功耗的来源 CMOS电路功耗的构成 动态功耗Pd ; 开关过程的短路功耗Psc ; 静态功耗Ps Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly 动态功耗的来源 开关过程对输出节点 PMOS Supply 电容的充放电 A NMOS 当输出节点出现0→1 的变化,需要电源提供 能量对电容充电
4 动态功耗的来源 A VDD PMOS NMOS 1 A n Vout CL Isupply 开关过程对输出节点 电容的充放电 当输出节点出现0 1 的变化, 需要电源提供 能量对电容充电 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation CMOS动态功耗的计算 当输出由0向vn变化忽略附加的直流电流,则 E 0 DD'suppy(t ) dt 根据瞬态电流表达式 PMO supply A1 d out L dt 把电流公式代入并积分 out NMO E supply L DD 存储在负载电容上的能量为 CLVDD
5 CMOS动态功耗的计算 当输出由0 向VDD变化，忽略附加的直流电流，则 sup ply DD sup ply 0 ( )d T E V i t t 根据瞬态电流表达式 out sup ply L d ( ) d V i t C t 把电流公式代入并积分 DD 2 supply DD L out L DD 0 d V E V C V C V 存储在负载电容上的能量为 A VDD PMOS NMOS 1 An Vout CL Isupply DD c out c 0 2 L out out L DD 0 1 = 2 T V E V i t dt C V dV C V Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly cMos电路的动态功耗 E 考虑一个周期内cMoS有一次 ply=fC,VD 开关,平均动态功耗为 ■如果逻辑摆幅不足vDD,如 VDD-VIN NMoS传输门的情况 C fCL L DD( DD 个电路有多个节点,每个节 点在开关过程中都消耗能量, 则电路总的动态功耗: ∑ DD
6 CMOS电路的动态功耗 考虑一个周期内CMOS有一次 开关，平均动态功耗为 如果逻辑摆幅不足VDD，如 NMOS传输门的情况 一个电路有多个节点，每个节 点在开关过程中都消耗能量， 则电路总的动态功耗： supply 2 d L DD E P fC V T P fC V V V d L DD DD TN d DD 1 N i i i i P fa CVV Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp://www.foxitsoftware.comForevaluationonly 动态短路功耗 ■概念:开关过程中的直流导通电流 ■短路的物理过程:输入波形的上升边和下降 边使NMOS和PMoS都导通,形成电源到地 的电流 短路功耗的计算: mean DD ma是一个周期内的平均短路电流
7 动态短路功耗 概念：开关过程中的直流导通电流 短路的物理过程：输入波形的上升边和下降 边使NMOS和PMOS都导通，形成电源到地 的电流 短路功耗的计算： Imean是一个周期内的平均短路电流 P I V sc mean DD Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 短路功耗的计算 对称设计情况 输入达到Vυ/2时短路电流达到峰值, t1-12与t2t3期间短路电流对称 输入上升边与输入下降边的短路电流对称
8 短路功耗的计算 对称设计情况： 输入达到VDD/2时短路电流达到峰值， t1-t2与t2-t3期间短路电流对称； 输入上升边与输入下降边的短路电流对称 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Soft ttp//www.foxitsoftware.comForevaluation 短路功耗的计算(续) ■对称设计m=-m=Vr,kN=Kp=k /=.+于 假设输入波形线性变化 (1)=—t,1 /2 代入积分公式 I K mean DD mean DD K(DD-2VT)fa
9 短路功耗的计算（续） 对称设计 假设输入波形线性变化 代入积分公式 2 2 2 mean 1 1 1 4 4 ( )d ( ) d t t in T t t I I t t K V t V t T T , V V V K K K TN TP T N P 1 2 ( ) , , / 2 DD T in DD V V V t t t t V 3 3 1 2 6 1 2 6 mean DD T DD sc mean DD DD T K I V V V T P I V K V V f Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only
Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ttp//www.foxitsoftware.comForevaluationonly cMoS电路的静态功耗 静态功耗的来源 ll 电路中存在泄漏电流 G ■构成泄漏电流的机制 反偏pn结电流 si h n亚阈值电流 其他二级效应 栅隧穿电流、DIBL效应、热载流子效应 静态功耗表达式 leak dd
10 CMOS电路的静态功耗 静态功耗的来源 电路中存在泄漏电流 构成泄漏电流的机制 反偏pn结电流 亚阈值电流 其他二级效应 栅隧穿电流、DIBL效应、热载流子效应 静态功耗表达式 P I V s leak DD Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only