（电路与系统专业论文）动态cmos触发器及动态bicmos电路设计.pdf

摘要 在实现低功耗的方法中，动态电路引起越来越多的关注，因为动态电路具 有较低的功耗。同时动态电路在速度、芯片面积等方面也比静态电路有优势。 论文首先介绍了动态c m o s 电路设计的基本原理，分析了二值动态c m o s 电路和三值动态c m o s 电路的基本结构。然后对动态差分逻辑进行了研究，利 用三值动态c m o s 电路设计的原理，设计了三值动态c m o sd 型触发器，该 触发器经p s p i c e 模拟，具有正确的逻辑功能和较低的功耗。接着研究了 b i c m o s 电路的工作原理和设计思想，指出了研究动念b i c m 0 s 电路的必要性， 分析了现有的一种二值动态b i c m o s 电路的工作原理，指出其不足之处，并在 此基础上提出了一种新的二值动念b i c m o s 电路的通用结构及二值动态 b i c m o s 电路的设计方法，运用该结构及方法设计了各种二值动念b i c m o s 门 电路，对设计的门电路进行p s p i c e 模拟，均可以正确的实现其逻辑功能，并 且具有较快的速度。最后在分析了三值动态c m o s 电路结构的设计思想和二值 动态b i c m o s 电路结构的基础上，提出了三值动态b i c m o s 电路的一般结构及 三值动态b i c m 0 s 电路的设计方法，运用该结构及方法设计了各种三值动态 b i c m 0 s 门电路，对所设计的门电路进行p s p i c e 模拟，均具有币确的逻辑功 能和较快的工作速度。论文中提出的二值与三值动态b i c m o s 电路结构简单， 通用性好，据此结构提出的动态b i c m o s 电路的设计方法简单易行。 关键词：动态电路，低功耗，c m 0 s 电路，b i c m o s 电路，多值逻辑电路 触发器 a b s t r a c t d u et ot h ei o w e rp o w e r ，t h ed y n a m i cc i r c u i tb e c o m e sm o r ea n dm o 他 i m p o r t a n ti nt h em e t h o d so fr e a l i z i n gt h el o wp o w e r m e a n w h i i e ，i th a st h e a d v a n t a g e si ns p e e da n dc h i pi n t e g r a t i o n f i r s t t h i sd i s s e n a t i o ni n t r o d u c e st h ep r i n c i p a lo fd y n a m i cc m o sc i r c u i t d e s i g n ，a a l y s e st h es t r u c m r e so ft h eb i a r yd y n a m i cc m o sc i r c u i ta n dt h e t e m a l 了d y n a m i cc m o sc i r c u i t ，s t u d i e st h ed y n a m i cd i f f e r e n t i a ll o g i c ；b a s e d o nt h e s e ，t h et e r n a i 了d y n a m i cc m o sdn i p n o pi sd e s i g n e d s e c o n d ，t h i sd i s s e r t a t i o n s t u d i e st h ep r i n c i p a ia n dd e s i g ni d e ao ft h e b j c m o sc i r c u i t ，p o i n t st h en e e d st or e s e a r c ht h ed y n a m i cb i c m o sc i r c u “； t h e na n a l y s e st h ep r i n c i p a io fae x i s t i n gb i n a r 了d y n a m i cb i c m o sc i r c u i t ，a n d i n d i c a t e si t sd i s a d v a n t a g e s ，b a s e do nw h i c han e wb i n a r yd y n a m i cb i c m o s c i w h i | s f r h c t u r ea n dt h ed e s i g nm e t h o da r ep 抛p o s e d ；i nt h ef o n o w i n g ，w eu s e t h i ss t r u c t u r ea n dd e s i g nm e t h o dt or e a l i z es o m eb i n a r yd y n a m i cb i c m o s g a t e s ，s i m u l a t i o nr e s u l t sb yp s p i c es h o wt h a tt h e ya n o to n 王yh a v ec o r r e c t l o g i cl h n c t i o nb u ta l s oh a v ef a s ts p e e d t h i r d ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ep r i n c i p a la n dd e s i g ni d e a o ft h e s t r u c t u r eo ft h et e m a r yd y n a m i cc m o sc i r c u i ta n dt h es n u c n l r eo ft h eb i n a r y d y n a m i cb i c ：m o sc i r c u i t ；b a s e do nb o t ho ft h e m ，an e wt e r n a r yd y n a m i c b i c m o sc i r u i ts t n i c t u r ea n dt h ed e s i l 田m e t h o da i ea i l v a n c e d ，w eu s et h i s s t r u c t u r ea n dd e s i g nm e t h o dt or e a l i z es o m et e r n a r yd y n a m i cb i c m o sg a t e s ， s i m u l a “o nn s u l t sb yp s p i c es h o wt h a tt h e ya nn o to n l yh a v ec o r r e c tl o g i c f h n c t i o nb u ta l s oh a v ei h s ts p e e d t h es n m c n i r e so fb i n a r ，a n dt e r n a r yd y n a m i cb i c m o sc i i c u i t sp r o p o s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o na ns i m p i ea n du n i v e r s a l ，t h ed e s i g nm e t h o d sb a s e do nt h e s e s t 川c t u r 酷a r ee a s yt or e a l i z e k e yw o r d s ： d y n a m i cc i r c u “，l o wp o w e r ，c m o sc i r c u “，b i c m o sc i r c u i t ， m u l t i v a l u e dl o g i c ，n i p n o p 致谢 首先，向我的导师沈继忠教授致以最诚挚的谢意! 本论文的选 题与写作以及最终的完成都是在沈继忠老师的悉心指导下完成的。 衷心感谢沈继忠老师在我两年的研究生学习生活中所给予的悉心的 指导，教诲和帮助。沈继忠老师严谨的治学态度、敏锐的学术眼光、 渊博的知识、一丝不苟的工作作风，不仅仅是在学术上和工作上， 而且在为人处事和待人接物方面，都对我今后产生深远的影响。 感谢在我1 8 年求学生涯中，曾经呕心沥血的培养和教育过我的 每一位老师及曾经和我朝夕相伴的同学和同伴们。 感谢我的师姐张慧熙和顾晓燕，以及师兄彭飞和陈伟，他们帮 助我适应了研究生阶段的学习和生活，让我可以很快的投入到课题 的学习和研究中；感谢我的室友们，我的同学和朋友们，他们使我 的研究生生活充满快乐。 深深感谢我的父母、弟弟以及所有在我2 4 年成长过程中给予过 我关怀和帮助的亲人们，你们的爱和支持是我完成学业和一直奋斗 下去的动力! 胡晓慧 2 0 0 6 年5 月求是园 第一章绪论 第一章 绪论 近年来，集成电路( i c ) 技术迅猛发展，从中小规模电路到现在的超大规 模电路，甚至特大规模电路，最突出的表现是特征尺寸不断减小，集成度不断提 高。英特尔( i m e l ) 创始人之一的高登摩尔( g o r d o n m o o r e ) 曾预言，集成电 路每三年集成度增加4 倍，最小特征尺寸缩小3 0 ，学术界和产业界将这个预 言称之为摩尔定律。到目前为止，集成电路产业仍然按照摩尔定律在快速发展， 表1 为i t r s ( i n t e m a t i o n a lt e c h n o l o g yr o a d m a po fs e m i c o n d u c t o r s 一国际半导体 技术发展规划) 给出的1 9 9 9 到2 0 1 4 年集成电路工艺技术发展趋势忆 表l 集成电路工艺技术发展趋势 年度 1 9 9 92 0 0 22 0 0 52 0 0 82 0 l l2 0 1 4 特征尺寸( 口聊) o 1 8 0o 1 3 0o 1 0 0o 0 7 00 0 5 0o 0 3 5 集成规模 1 2 0 m3 3 0 m8 8 0 m2 5 g7 1 g1 9 9 g ( t r a n s i s t o r s ) 为了更大程度地继续提高集成电路的集成度，使它能够按照摩尔定律发展下 去，就必须在器件工艺方面取得更大的突破。器件特征尺寸的减小，集成度的提 高，导致芯片单位面积负荷迅速上升，工作频率越来越高，从而使得高性能芯片 功耗越来越大。系统芯片( s o c ) 是微电子芯片发展的必然趋势，功耗的迅速增 加将带来许多不利，引起一系列的问题，如封装、散热、成本和可靠性等，功耗 将成为集成电路继续发展的一个很重要的障碍口。数字系统的功耗问题同样已 经引起了广泛的关注，它贯穿从系统级、行为级、体系结构级、逻辑( 电路) 级 到物理级在内的整个数字系统设计流程口o j 。 第一章绪论 1 1 低功耗研究背景 在超大规模集成电路( v l s i ) 的发展中，人们一直以来主要关注的问题是 如何提高芯片的工作速度、节省硅片面积与成本以及提高系统工作的可靠性等， 而电路功耗的问题没有引起人们足够的重视。不过近年来由于v l s i 本身的发 展及市场的需求使情况发生了一些根本性的变化【5 】，工艺技术已经进入深亚微 米、超深亚微米阶段，芯片面积逐渐增大，集成度大大提高，在一个芯片上可以 集成更多的元件；多媒体技术发展对高性能芯片的需求使芯片的时钟频率不断提 高，这些因素导致芯片的功耗急剧增加】。现在工作在g h z 范围内的系统，其 功耗达到了几十w ，有些甚至达到几百w 以上。芯片过大的功耗带来了一系列 的问题，已成为超大规模集成电路发展的一个很重要障碍1 2 “。 首先，过大的功耗导致了芯片温度的升高。工作温度的升高不仅使电路的各 种物理缺陷所造成的故障显现出来，而且高的工作温度会使得电路的连线电阻变 大，线延时增加，导致严重的时延故障：同时，工作温度的升高会导致漏电流的 增大，会造成芯片内部的工作容易失效，芯片寿命缩短等：这些最终导致了电路 的可靠性降低。有研究表明，温度每升高1 0 ，器件的故障率就提高2 倍【l2 1 。 其次，过高得功耗会对各种使用电池的便携式设备的应用和发展造成严重的 影响，容易使其因电池耗尽而遇到电源方面的困难。电池技术本身的发展速度比 较缓慢，跟不上遵循摩尔定律的集成电路技术速度 5 川。因此，低功耗设计对于 确保电池工作时间起到决定性的作用，便携式设备的市场需求不断壮大也促进了 低功耗设计的发展。 第三，巨大的功耗增加了芯片散热和封装的成本。几年前的p e n t i u m 3 技术， 采用o 1 8 晰工艺，时钟频率为6 0 0 m h z ，功耗为2 8 w 。而随后出现的p e n t i u m 4 技术，采用o 1 3 砧，时钟频率为2 g h z ，功耗为5 3 w 。到下一代采用9 0 n m 工 艺的p r e s c o t t 技术功耗超过1 0 0 w 。处理器巨大的发热量使得用简单的铝散热 片加电风扇已经无法完成散热工作，它需要性能更好的散热材料和技术来保证将 芯片产生得热量及时散发出去。随着芯片功耗的增加，对封装材料的导热性能的 要求越来越高。现在已经丌始采用的陶瓷封装，与塑料和玻璃封装相比，陶瓷封 装( 如a 1 ：0 。) 的导热性能分别提高l o o 和3 0 倍，并且具有良好的热膨胀率。但 是它的电介质常数也很大，导致接触电容很大。在费用上，陶瓷封装要远远高于 第一章绪论 塑料封装。因此，高功耗导致得芯片的工作时缛高温最终使芯片的包装成本大大 提高。 鉴于集成电路功耗问题的严重性，人们开始对于集成电路的低功耗设计技术 给予极大的关注，在各类与集成电路有关的国际会议中都把低功耗列为一个重要 的学术交流主题，低功耗设计技术是集成电路设计的一个紧急技术需求( 1 4 】。 现在的集成电路设计，一方面是通过改进工艺技术来提高电路的集成度与速 度，以降低功耗；另一方面，在工艺确定的情况下，通过改进电路设计技术来降 低芯片面积，从而可以降低功耗。因此，降低电路的功耗主要要从影响电路功耗 的相关因素出发进行研究，并设计电路。低功耗设计技术贯穿于从系统级到器件 ( 工艺) 级的整个数字系统设计过程【鹦1 ，集成电路设计的层次可以划分为以下 几个层次：系统级、功能级( 行为算法级) 、寄存器传输级( 结构缴) 、门级( 逻 辑电路级) 、版图级( 物理级) 【1 5 】。 1 2 动态电路研究现状与意义 动态电路是一类数字电路，它通过节点上的电容充放电来实现其逻辑值，而 输出逻辑值的确定是通过信号输入和时钟来决定的。因此，时钟在一个周期内担 负着同步、控制和阈值充电的任务q 。 在实现低功耗的方法中，动念电路引起越来越多的关注 2 矾，因为动态电路 具有较低的功耗。在动态电路中，动态能耗控制是一项极为重要的功能，它针对 电路器件是否在使用及使用的程度，通过开关来控制器件，使得不需要工作的器 件关闭，从而不消耗能量。同时动态电路在速度、芯片面积等方面也比静态电路 有优势。 研究表明，虽然静态电路使用起来很方便，而且静态电路有时候功耗也很低， 但是动态电路至少在某些电路运用中会有很快的速度，并且只需要很少的管子。 静态电路对噪声的容限较低，而动态电路既有很小的输入电容2 8 】又有很高的 电流承载能力。同时静态电路在逻辑块之倒互连的时候需要额外的一些管子来限 制传输延迟，动态电路就没有这个必要【2 7 l 。 在目前所研究的动态电路中，有四种动态电路是研究和应用都比较多的：普 通c m o s 动态电路、t s p c 动态电路、d o m i n o 动态电路和b i c m o s 动态电路。 第一章绪论 下面就这四种电路分别做简要的介绍。 1 2 1 动态c m o s 电路 1 、普通c m o s 动态电路 与p m o s 和n m o s 相比，c m o s 电路的集成度相对要低，其主要的一个解 决方法就是在电路的运行中用多输入门，同时一个更好的解决方法就是用动态门 电路来代替静态的设计 2 9 】。 在现有的c m o s 动态电路中，对二值电路研究比较多。二值动念c m o s 电 路的基本结构和工作原理已经有文献提出【2 9 1 ，而据此结构所设计的门电路、组合 电路等应用也很广泛( 1 7 _ 1 们。 基于多值电路的优点，文献 1 7 儿1 8 给出了三值动态c m o s 电路的基本结 构和工作原理，介绍了三种基本的电路结构：动态负三值门，动态f 三值门及动 态简单三值门，并据此三种结构设计了动态负三值反相器，动态f 三值反相器及 动态简单三值反相器，和其它一些基本门电路。 2 、t s p c 动态电路 t s p c ( t r u es i n g l e p h a s ec l o c k ) 电路是动态电路的一种，它的时钟是单 相的。要实现某种功能，这种类型的电路需要用与其他的动态电路差不多或者稍 微多一些的管子。它的优点就是简单的时钟分配，时钟线只占用很少的面积，出 于时钟脉冲相位差而产生的问题很少，以及速度很快等】。 3 、d o m i n o 动态电路 d o m i n o 逻辑是一种简单的动态电路，它需要至少两个时钟信号，但d o m i n o 逻辑电路的速度非常快刚。 d o m i n o 逻辑中又有很多种不同的电路方式，比如d u a l o u t p u td o m i n o 电 路，c l o c k d e l a y ( c d ) d o m i n o 【3 3 电路等，这其中，c dd o m i n o 电路应用比较广泛。 c dd o m i n o 电路中，无需对电路中门电路重新组合，就可以实现任意逻辑 函数，因此，它解决了动态电路在电路逻辑设计中的困难i 3 。 第一章 绪论 1 2 2 动态b i c m o s 电路 现代电路系统要求集成电路不仅集成度高，功耗低，而且速度快，驱动能力 强。双极型电路具有速度高、驱动能力强等特点，而c m o s 电路则在高集成度 和低功耗方面有着很大的优势。在以不断追求更高性能和更完美为时尚的当今集 成电路( 1 c ) 制造业，这两种工艺优势互补的完美结合，产生了新型的b i c m o s 电路。b i c m o s 是把双极型晶体管( b j t ) 和c m o s 器件同时集成在同一块芯片 上的工艺技术，它集中了c m o s 电路高集成度和低功耗及双极型电路速度快、 驱动能力强等的优点。 l 、b i c m o s 的应用 ( 1 ) b i c m o ss r a m b i c m o s 可运用于s r a m 中。一般是将存储阵列采用n m o s 单元，而外 围电路包括地址输入缓冲、数据输入输出缓冲、i o 接口、读出放大器及控制电 路则采用b i c m o s 结构，因此大大提高了信号传输速度，并容易实现不同电平 信号的转换与耦合，尤其是在接口驱动部分，采用b i c m o s 结构比c m o s 电路 更容易适应驱动线长和扇出数的变化。日立公司在6 4 k b 和2 5 6 k b 的层次上利用 先进的b i c m o s 技术，开发出高密度s r a m 就是一例。进一步的实验研究表明 f 3 6 ，37 1 ，存储矩阵采用b i c m o s 结构获得的性能更为理想。 ( 2 ) b i c m o s 基本逻辑电路 b i c m o s 己被广泛应用于数字逻辑门电路及门阵列中，这样既保持了c m o s 工艺高集成度、低功耗的优点，又充分发挥了其状态转换的高速性和大电流驱动 能力【35 1 。 因为b i c m o s 逻辑门具有比c m o s 门更高的负载能力，所以其在门阵列中 的应用也十分成功。另外b i c m o s 门阵列的一致性较好，这就降低了物理设计 的难度。 ( 3 ) b i c m 0 s 用于接口驱动电路 双极型晶体管的高跨导使b i c m o s 比c m o s 更适合于驱动电路( 3 ”，而与传 统纯双极型驱动电路相比，它又具有功耗低的优点。尤其在微处理器( c p u ) 中 采用纯双极型驱动时，会产生很大的静态功耗。b i c m o s 电路由于实现逻辑功能 第一章耋 论 的部分由c m o s 实现，只是在需要驱动时采用双极型器件，所以整个系统功耗 比较低，而其驱动电路的速度性能却与双极型电路相当。 ( 4 ) b i c m o s 用于模数混合电路 这是一种功能意义上的兼容，一般用c m o s 电路设计数字信号处理部分， 而用双极型电路作为信号接口驱动等。特别是用b i c m o s 构成运算放大器，它 既拥有双极型电路部分的低输入补偿和高增益，又具有c m o s 电路的高集成度 和低功耗，在高速、低功耗a d 、d a 转换器中应用效果极为理想f ”。 ( 5 ) b i c m o s 在模拟电路中的应用 目前b i c m o s 电路主要用于模拟电路及数模混合电路中，如构成运算放大 器，模拟电路中的低阻抗输出级、电压电流比较器、宽带低噪声放大器、射频 输出器和模拟乘法器等。 2 、b i c m o s 技术应用的趋势p 5 ( 1 ) 应用领域的扩大将推动b i c m o s 技术的进一步发展 尽管b i c m o s 技术存在着工艺复杂和成本偏高的缺点，但其所达到的高性 能却是单一工艺无法比拟的，因此其具有很大的发展空间。 首先在未来电子信息技术的发展中，b i c m o s 在巩固传统应用领域的同时继 续拓展新的应用范围 35 1 ，例如在计算机、通信、较高电源电压等级的大功率集成 器件、汽车电子设备等领域扮演着重要的角色，尤其在高速通信领域中模数混 合信号的应用迅速增长以及通信频率极端拥挤的情况下，大量低压、低耗、高速、 高集成度便携式数字设备的要求同益增加，新型b i c m o s 产品的研发将会再度 升温。 其次，飞利浦半导体公司提出q y b u c 4 gb i c m o s 技术以o 2 5 mc m o s 为 基础，加上高性能双极、多晶硅n p n 晶体管，以及6 m 深沟隔离与先进无源 集成技术，由该技术生产的全g ir f 芯片在2 5 g h z 高频无线及光纤网络中得 到了应用”“。 同时，c p u 与存储器的集成设计将为b i c m o s 的介入提供可能。c p u 芯片 的工作速度已经达到2 4 g h z ，但受到片外存储器的寻址时延的限制，整机高 速性能还不尽理想。微机领域的集成设计甚至有可能将b i c m o s 控制电路、时 第一章绪论 钟电路乃至i 0 和a d 、d a 转换器等纳入集成范围。另外，b i c m o s 在高速数 字信号处理器( d s p ) 领域及片上系统( s 0 c ) 设计中也颇具潜力f 3 5 】。 最后，b i c m o s 在未来高电源电压大功率器件研发中也会捌有一席之地。利 用b i c m o s 技术开发的相移式p w m 控制器，与其它控制技术相比，功耗较低， 系统效率大大提高f 3 5 】。 ( 2 ) 对b i c m o s 技术的深入研究 a 、低温b i c m o s 技术 由于b i c m o s 技术工艺复杂、成本高、结构优化困难等问题不容忽视，所 以对b i c m o s 电路结构及工艺的深入研究十分重要。 微电子技术已经进入了深亚微米领域，器件和电路的小尺寸效应、寄生效应 等是b i c m o s 器件和电路所面i f 右的重要问题。研究表明【3 8 】，微电子系统低温 ( 7 7 k ) 下易于获得最佳性能。例如随着温度的降低，m o s 器件和电路中半导 体载流子迁移率和饱和速度大大增加，可在不增加功耗的条件下获得砷化镓 ( g a a s ) 和射极耦合逻辑( e c l ) 电路的速度，而且低温工作c m o s 电路的可 靠性和抗闩锁性( 1 a t c h u d ) 均十分理想。因此有理由相信低温b i c m o s 会获得 常温下无法达到的技术性能，而且低温c m o s 工艺技术为低温b i c m o s 技术的 成功开发提供了借鉴。 b 、局部结构和工艺改进 针对基本b i c m o s 在具体应用电路中存在的一些缺点，将结构作进一步的 改进，也能起到改善性能的作用。例如，为了改善低压b i c m o s 门电路的性能， 提出改进b i c m o s 结构为b i n m o s ，合并互补m c b i c m o s 等。实验证明，采 用m c b i c m o s 结构门电路比b i c m o s 结构工作速度更高，负载驱动能力更强， 而占用芯片面积更小【3 9 ，40 1 。 同时，通过局部改进工艺丽提高性能的潜力也很大，主要表现在双极型器件 和c m o s 器件两种工艺相互融合渗透以及共享专用仪器设备方面，这样节省了 工艺结构的开发研制时| 训。 c 、先进的双极型技术在b i c m o s 技术中的应用 未来b i c m o s 技术的进步不仅体现在特征尺寸的减小上，而且更多的取决 于双极型技术的应用，双极型技术的发展对b i c m o s 的进步具有举足轻重的作 用。 第一章 绪论 例如，仅仅采用多晶硅发射极工艺，s i g eh b t ( 硅锗异质结双极晶体管) 与c m o s 结合满足更高的工作频率，更低的功耗和更高的集成度，为工作频率 的提高提供了新的技术平台【j ”。 由于采用绝缘衬底，绝缘衬底上的硅( s o i ) 技术能够在同一芯片上集成横 向n p n 、p n p 和c m o s 器件，它具有无闩锁效应，源、漏极寄生电容小，容易 形成浅结以及等比例缩小的优点，目前较多的被应用在m o s 电路中。同时由于 s o i 易于加工、器件可以实现全介质隔离，也已经研制出基于s o i 横向双极一 m o s 器件，它可在低于1 v 的电源电压下工作，并且达到极小的功耗一延迟积。 例如一种s i o 压控双极一m o s 器件在0 7 v 电压下门传输延迟为4 n s ，功耗为 o 7 “w 。另外s o a ( 任意材料衬底上的硅) 双极型工艺也丌始得到重视。总之， 各种先进双极型技术的运用必将使b i c m o s 技术的发展同新月异【3 5 】。 1 3 本文的研究背景及内容 随着超大规模集成电路的迅速发展，电路器件的特征尺寸减小，集成度提高， 使得芯片单位面积负荷迅速上升，同时电路的工作频率越来越高，于是数字系统 的功耗在迅速增加，所以低功耗设计成为集成电路设计中的重要方面。 在实现低功耗的方法中，动态电路引起越来越多的关注 2 6 1 ，它用几个具有 一定时序关系的时钟控制电路中管子的导通与否，实现对电路中寄生电容充放 电，以电容上的电压变化作为输出信号。出于采用了时钟信号控制电路中元件的 开与关，使得在没有时钟信号时电路基本不消耗能量，从而降低了电路的功耗。 c m 0 s 电路的集成度高、功耗低( 特别是静态功耗很小) 、抗干扰能力强等 优点，使得c m o s 电路成为了集成电路的主要技术。而且c m o s 技术的使用范 围不断改变，深亚微米技术和硅平面工艺设计以及封装等技术的革新使器件密度 达到了前所未有的高度，为在一块硅片内实现一个电子系统所有功能( s o c ) 的 梦想提供了新的机遇。在今后的系统芯片s o c 技术中c m o s 技术也将成为其主 流。 作为时序电路中的存贮单元，触发器在时钟信号控制下实现数据采样、存储 和输出过程中必须满足一次操作原理，即当时钟信号的触发沿来l 临时，输入端信 第一章绪论 号可能会出现多次的跃迁，而输出最多只能发生一次变化，即一次操作。触发器 是时序电路的核心，是实现时序电路最基本的单元电路。触发器的种类有r s 触 发器、j k 触发器、d 触发器以及t 触发器等，而d 触发器逻辑功能相对简单， 应用较广，其设计得到了广泛的重视，并取得了许多的成果【4 “”。 c m o s 电路的弱点是不能驱动重负载，但它功耗小，集成度高；t t l 的弱 点是功耗大，但其速度快，驱动能力强。克服二者的弱点，而利用其优点，于是 便出现了同时包揽双极型技术和c m o s 优点的双极型c m o s 电路，即b i c m o s 电路。b i c m o s ( b i 口o l a rc m o s ) 是c m o s 和双极型器件同时集成在同一块芯 片上的技术，其基本思想是以c m o s 器件为主要单元电路，而在要求驱动大电 容负载之处加入双极型器件或电路。因此b i c m o s 电路既有c m o s 电路高集成 度、低功耗的优点，又获得了双极型电路高速、大驱动能力的优势p “。 基于c m o s 电路在现在数字集成电路中的地位及动态c m o s 电路的优点， 当前对二值动态c m o s 电路的研究比较广泛，但对多值动念c m o s 电路的研究 尚很缺乏。因此，本文的第一个研究重点是多值动念c m o s 触发器的设计。 本文的第二个研究重点是动态b i c m o s 电路。目前一些文献已经提出二值 动态b i c m o s 电路的结构，但都是为了实现某一个特定的功能而设计的某一特 定的电路，尚无一个通用的二值动态b i c m o s 电路结构，所以本文将对二值动 态b i c m o s 电路通用结构及设计方法进行研究。 同时，由于目前对于三值动态b i c m o s 电路的研究还是空白，借鉴于三值 动态c m o s 电路结构和二值动态b i c m o s 电路的研究，本文最后将研究三值动 态b i c m o s 电路通用结构及三值动态b i c m o s 电路的设计。 第二章动态c m o sl 乜路设汁攀本原理 第二章 动态c m o s 电路设计基本原理 随着处理过程中氧化隔离技术的发展，通过减少保护带，c m 0 s 封装密度已 经有了很大的提高。但是，c m o s 低封装密度的主要原因是在电路运用中使用了 多输入门，而用动态门代替静态门能够很好的解决这个问题【2 9 1 。 动态电路是一类数字电路，它通过节点上的电容冲放电来实现其逻辑值，而 输出要通过信号输入和时钟来信算。因此，时钟在一个周期内担负着同步、控制 和阈值充电状态的任务【l 。动态电路具有较低的功耗，同时它在速度、芯片面积 等方面也比静态电路有优势【2 8 】。 2 1 二值动态c m o s 电路【2 9 】 2 1 1 二值动态c m o s 电路的基本结构和工作原理 c m o s 多输入静态门结构如图2 1 1 所示，它包括两个任意的互补的逻辑网 络。c m o s 动态电路可以只用其中的一个网络来实现与静态c m 0 s 动态门电路 相同的逻辑功能。图2 1 2 所示为动态c m o s 门结构，图2 1 2 ( a ) 中，在z 时 间内，由时钟控制的p m o s 管只导通，使输出预置为巧。；在e 时间内，由时钟 控制的n m o s 管m 导通，这时输出由n 型逻辑网络决定：n 型网络导通时，使 输出放电至k 。，即为o ；n 型网络不导通时，则输出仍为杉。图2 1 2 ( b ) 所 示的p 型网络结构动态c m o s 门的工作原理相仿。 第二章 动态c m o s 电路设汁基本原理 加口“膪 图2 1 1c m o s 静态门 叫五 卜e 叫 凹 厂 广 却“匠二二二二二 c 二 图2 1 2 基本的动态c m o s 门结构 2 1 2 二值动态c m o s 基本门电路 图21 3 是静态c m o s 与非或非门电路，图2 1 4 给出了根据图2 1 2 的 基本结构设计出的动态c m o s 与非或非门电路【2 9 j 。在2 1 4 ( a ) 中，当c j p 为 高电平时，p l 截止，n l 导通，输出为低电平：当c p 为低电平时，p 1 导通，n l 截止：若输入a 为低电平或输入b 为低电平，则电源电压传输到输出，输出为高 电平；若输入a 和b 均为高电平，则输出保持低电平不变。于是实现了动态与非 第二章动态c m 0 s 电路设计摹本原理 门的逻辑功能。类似的我们可以分析2 1 4 ( b ) 图、2 1 4 ( c ) 图和2 1 4 ( d ) 图的电路。 由图2 1 3 和图2 1 4 比较可以看出，只需将静态门中的p m o s 网络或 n m o s 网络填入图2 1 4 结构中相应的p - c h1 0 9 i c 或n c hl o g i c 中，就可以得到 对应的动态电路，实现相应的逻辑功能。 口 6 口) 与非门6 ) 或非门 图2 1 3 二输入c m o s 与非或非静态门 口) p 型与非门6 ) 型与非门 c p 一 口- d 6 一 c p c ) p 型或非门d ) 型或非门 图2 1 4 二输入与非或非动态门 第一二章动态c m o s 电路设计基本原理 2 2 三值动态c m o s 电路n 7 1 1 8 1 2 2 1三值动态c m o s 电路的基本结构和工作原理 三值动态c m o s 电路的基本结构有三种：f 三值门p t g ( p o s i t i v et e m a r y g a t e ) 、负三值门n t g ( n e g a t i v et e m a r y g a t e ) 和简单三值门s t g ( s i m p l et e m a r y g a t e ) ，如图2 2 1 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。其中p t g 和n t g 与二值动态c m o s 逻 辑门有着同样的结构。 图2 2 1 ( a ) 所示的n t g 中，当c p 为高电平时，时钟n m o s 管n 1 将输出 预置为0 v ( 逻辑值o ) ；而当c p 为低电平时，p 1 导通，p m o s 逻辑网络实现逻 辑功能：如果输入控制的p m o s 网络不导通，则输出保持为o v ；如果p m o s 网 络导通，则输出被上拉至2 3 m d ( 逻辑值2 ) 。 图2 2 1 ( b ) 所示的p t g 中，当c p 为高电平时，时钟p m o s 管p 2 将输出 预置为2 3 助d ( 逻辑值2 ) ；而当c p 为低电平时，n l 导通，n m o s 逻辑网络 实现逻辑功能：如果输入控制的n m o s 网络不导通，则输出保持为2 3 p r d d ； 如果n m o s 网络导通，则输出被下拉至o v ( 逻辑值0 ) 。 图2 2 1 ( c ) 所示的s t g 则是将传统的静态二值c m o s 门、预置n m o s 管 m 。，、输出p m o s 管m 。和输出n m o s 管m 。相结合所得的结构，当c p 为高 电平时，吖。导通，肘。和m m 截止，输出被预置为l 3 加d ( 逻辑值1 ) ；当 c p 为低电平时，m 。，截止，m 。：和肘m 导通，若p m o s 逻辑网络工作，则输出 为2 3 阳d ( 逻辑值2 ) ，若n m o s 逻辑网络工作，则输出为o v ( 逻辑值0 ) 。 表2 2 1 给出了三值动态逻辑结构的电压值及器件的一些重要参数。在实现 该结构的三值动态逻辑中，其参数应该如表一中的所示。表中，。，为p m o s 管的阈值电压，。为n m o s 管的闽值电压。 第二二章动态c m o s 电路设计耩本原理 五 ： 矗 2 3 p d d2 3 脚 g n d g n d a ) 基本的动态负三值门b ) 基本的动态正三值门 c ) 基本的动态简单三值门 图2 2 1三值动态c m o s 电路结构 表2 2 1三值动态电路的电压值及器件有关参数 参数 v | ) 。2 w | i b、”y t m g n d 。k ，v | n 电压值或幅 03 3 1 6 5 o 一1 5 1 50 。50 、3 3o 3 3 度( v ) 一 一一 第一二章 动态c m o s 电路设计攮奉原理 2 2 2 三值动态c m o s 基本门电路 根据2 2 1 节介绍的三值动态c m o s 电路基本结构设计出的三值动态 c m o s 反相器如图2 2 2 所示，分别称为负三值反相器n t i ( n e g a t i v et e m a r y i n v e n e r ) 、正三值反相器p t i ( p o s i t i v et e m a r yi n v e r t e r ) 和简单三值反相器s t i ( s i m p l et e m a r yi n v e r t e r ) 。它们只用到了增强型p m o n 管和增强型n m o s 管， 所使用的电源电压及一些器件参数如表2 2 1 所示。 图2 2 2 ( a ) 所示的n t i 中，当时钟信号c p = 5 v 时，m 。截止，同时m 。 导通，这时输出被预置为0 v ( 逻辑值0 ) ，而与输入无关。当c 尸= o v 时，m 。，截 止，同时m ，导通。这时当输入为3 3 v 或1 6 5 v 时m 。管均不导通，则输出仍 保持为预置电压o v 。当输入为o v 时，肘。导通，则输出被上拉至3 3 v ( 逻辑值 2 ) ，因此该电路在三值逻辑中实现的逻辑功能为o _ ) f o 文字电路，只有部分反相 的功能。 图2 2 2 ( b ) 所示的p t i 中，当c p = o v 时，m 。导通而m 。，截止，这时 输出被预置为3 3 v ( 逻辑值2 ) ，与输入无关。当c p = 5 v 时，吖。、导通而m ，截 止，此时当输入为1 6 5 v 或o v 时，m 。，截止，输出仍保持预冒电压3 3 v 。当输 入为3 3 v 时，m 。，导通，输出被下拉至o v ( 逻辑值o ) 。因此该电路在三值逻辑 中实现的逻辑功能为2 x 2 文字电路【4 l 】，也只有部分反相的功能。 图2 2 2 ( c ) 所示的s t g 中，当c p = 5 v 时，m 。，导通，m h 和m 。截止， 输出被预置为i 3 比) d ( 逻辑值1 ) 。当c p = 0 v 时，吖m 截止t 肘m 和m 。导通， 则当为低电平时，m ，。导通，m 。截止，输出为2 3 阳d ( 逻辑值2 ) ：当 为高电平时，m 。截止，m 。导通，输出为o v ( 逻辑值o ) 。因此该电路在三值 逻辑中实现真币意义上的反相功能工。 表2 2 2 给出了n t i 、p t i 和s t i 工作的真值表。 第二章动态c m o s 电路设计基本原理 2 3 阳d t c 叫出t i ，i r j 1 p 2 、卜v w 。1 叫l 心1 l ( 口) 2 3 脚 历一 v w 一 历_ 一 ( a ) 动态n t i ( n e g a t i v et e m a r yi n v e n e r ) 反相器 ( b ) 动态p t i ( p o s i t i v et e m a r yi n v e n e r ) 反相器 ( c ) 动态s t i ( s i i r 】l p l et e m a r yi n v e n e r ) 反相器 图2 2 2三值动态c m o s 反相器 表2 2 2 动态n t i ，p t i 和s t i 的真值表 xn t i p t i s t l 0222 1o2l 2oo o c p 同时，运用图2 2 1 ( c ) 结构还可以设计出三值动态c m o s 与非门、或非 门等其它一些基本门电路，如图2 2 3 所示，a ) 为动态负三值或非门n t n o r ， b ) 为动态正三值或非门p t n o r ，c ) 为动态简单三值或非门s t n o r ，d ) 为动态负 三值与非门n t n a n d ，e ) 为动态正三值与非门p t n a n d ，f ) 为动态简单三值与 非门s t n a n d 。 第_ 二章 动态c m o sm 路设计基奉蟓理 c p 一 五一 一 c 尸 c p z 。一 d 、n t n o rp t n o r c 、s t n o r 万一 i 葺叫 x 2 - 一 面一一 d 1n t n a n d e ) p t n a n df 、s t n a n d 图2 2 3二输入三值动态c m o s 与非门( n a n d ) 和或非门( n o r ) 7 第r 二章动态c m o s 电路设计摹本原理 本章首先介绍了二值动态c m o s 电路的基本结构和工作原理，并简要介绍 了几种二值动态c m o s 基本门电路。其次介绍了三值动态c m o s 电路的基本结 构和工作原理，并介绍了几种三值动态c m o s 基本门电路及其工作原理，为后 面的动态c m o s 电路和动态b i c m o s 电路的设计做了必要的准备。 第三章二值动态c m o sd 型触发器设计 第三章 三值动态c m o sd 型触发器设计 近年来，低功耗已经成为限制v l s i 电路设计的关键因素之一，它的重要性 主要体现在两个方面：第一，随着v l s i 集成度的提高和工艺的改进，其密度和 复杂性增加。如果不能很好的控制功耗，芯片产生的热量会导致功能下降及产生 稳定性问题甚至错误行为，同时增加封装和散热的成本；第二，巨大的功耗也使 使用电池的便携式设备因电池易耗尽而影响使用。 在实现低功耗的设计中，动态电路引起越来越多的关注【 26 1 ，因为动态电路 具有较低的功耗。在动态电路中，动态能