CMOS组合逻辑门的设计.ppt

超大规模集成电路基础2011第6章CMOS组合逻辑门的设计 许晓琳 xu xiaolin 合肥工业大学电子科学与应用物理学院 CMOS组合逻辑门的设计 2 本章重点 深入讨论CMOS逻辑系列 静态和动态 传输晶体管 无比和有比逻辑优化逻辑门的面积 速度 能量或稳定性低功耗高性能的电路设计技术 CMOS组合逻辑门的设计 3 6 1引言 组合电路 非再生电路 的特点时序电路 再生电路 的特点评价一个逻辑门的设计指标不同的应用会有不同的重点指标 CMOS组合逻辑门的设计 4 6 2静态CMOS设计 静态CMOS每一时刻每个门的输出通过一个低阻路径连到VDD或VSS上同时在任何时候该门的输出即为该电路实现的布尔函数值动态CMOS把信号值暂时存放在高阻抗电路节点的电容上所形成的门比较简单且比较快速对噪声敏感程度增加本节讨论的静态电路类型的设计 互补CMOS有比逻辑 伪NMOS和DCVSL 传输管逻辑 CMOS组合逻辑门的设计 5 6 2 1互补CMOS 概念 静态CMOS门是上拉网络 PUN 和下拉网络 PDN 的组合PUN和PDN网络是以相互排斥的方式构成的在稳定状态时输出节点总是一个低阻节点 CMOS组合逻辑门的设计 6 在构成PUN和PDN网络时应当记住以下几点 晶体管可以看成是由其栅信号控制的开关PDN由NMOS器件构成 而PUN由PMOS器件构成 理由是NMOS管产生 强零 而PMOS管产生 强1 b 利用NMOS和PMOS开关上拉一个节点 VDD VDD 0 PDN 0 VDD PUN VDD 0 VDD VTn VDD VDD VDD VTp S D S D VGS S S D D VGS a 利用NMOS和PMOS开关下拉一个节点 CMOS组合逻辑门的设计 7 NMOS逻辑规则 串联器件实现AND操作 并联器件实现OR操作PMOS逻辑规则 串联器件实现NOR操作 并联器件实现NAND操作PUN和PDN是对偶网络互补门在本质上是反相的 NAND NOR XNOR 实现一个具有N个输入的逻辑门所需要的晶体管数目为2N a 串联 b 并联 CMOS组合逻辑门的设计 8 例6 1两输入NAND门 A B A B VDD CMOS组合逻辑门的设计 9 例6 2CMOS复合门的综合 CMOS组合逻辑门的设计 10 互补CMOS门的静态特性 代表很强的上拉 和 的PUN较弱 和 之间的差别主要来自于内部节点int的状态 DC电压传输特性与数据输入模式有关噪声容限与输入模式有关 例题6 2 CMOS组合逻辑门的设计 11 互补CMOS门的传播延时 传播延时也取决于输入模式由低到高的翻转2个P管都导通 延时为0 69 Rp 2 CL只有1个P管导通 延时为0 69 Rp CL由高到低的翻转2个N管都导通 延时为0 69 2Rn CL增加串联的器件会使电路变慢 因而器件必须设计得较宽以避免性能下降对于NAND门 NMOS器件设计成2倍宽 PMOS器件不变 图6 8两输入NAND门的等效RC模型 CMOS组合逻辑门的设计 12 例6 3延时取决于输入模式 2输入NAND门NMOS 0 5 m 0 25 mPMOS 0 75 m 0 25 mCL 10fF 估计延时可以是相当复杂的 它需要仔细考虑内部节点的电容以及数据模式 CMOS组合逻辑门的设计 13 思考题6 1确定互补CMOS门中晶体管的尺寸 D A B B 1 2 2 2 2 2 4 4 6 6 12 12 C C CMOS组合逻辑门的设计 14 确定NAND和NOR门中晶体管的尺寸 22 1 1 1 1 22 利用NAND实现比用NOR实现更好 CMOS组合逻辑门的设计 15 假设所有的NMOS器件具有相同的尺寸 tpHL 0 69Reqn C1 2C2 3C3 4CL 扇入的考虑 分布RC模型 Elmore延时 tpHL 0 69 R1 C1 R1 R2 C2 R1 R2 R3 C3 R1 R2 R3 R4 CL 注意 M1的电阻出现在所有项中 这使该器件试图最小化延时的时候显得尤为重要 CMOS组合逻辑门的设计 16 例6 4一个四输入互补CMOSNAND门 手工分析的目的不是要提供传播延时完全精确的预测 而是要给出一个什么因素会影响延时的直观认识并帮助初步确定晶体管的尺寸 CMOS组合逻辑门的设计 17 注意 应该避免扇入大于或等于4 扇入的平方函数 扇入的线性函数 tp与扇入的关系 互补CMOS的缺点晶体管数目为2N 明显增加了它的实现面积互补CMOS门的传播延时随扇入数迅速增加一个门的无负载本征延时在最坏情况下是扇入数的二次函数 tpHL tpLH CMOS组合逻辑门的设计 18 大扇入时的设计技术 调整晶体管尺寸当心 自载效应 只有当负载以扇出为主时放大尺寸才起作用逐级加大晶体管尺寸降低了起主要作用的电阻 同时使得电容的增加保持在一定的范围内缺点 版图复杂 分布RC线M1 M2 M3 MN 最靠近输出的晶体管尺寸最小 CMOS组合逻辑门的设计 19 重新安排输入关键信号和关键路径的概念把关键路径上的晶体管靠近门的输出端可以提高速度 In1 In2 In3 M1 M2 M3 In3 In2 In1 M1 M2 M3 criticalpath criticalpath 1 0 1 1 1 1 0 1 charged charged charged charged discharged discharged 延时取决于CL C1和C2放电所需要的时间 延时取决于CL放电所需要的时间 CMOS组合逻辑门的设计 20 重组逻辑结构可能降低对扇入的要求 从而减少门的延时 CMOS组合逻辑门的设计 21 组合电路中的性能优化 回顾 考虑性能反相器尺寸的确定对于一个驱动负载CL的反相器链 它的最优扇出为f CL Cin 1 NN是反相器链的级数 Cin是该链中第一个门的扇入电容反相器的基本延时公式 tp tp0 1 Cext Cg tp0 1 f 把前面的方法延伸来解决复杂逻辑电路复合门的基本延时公式 tp tp0 p gf f为等效扇出 又称为电气努力p为该复合门和简单反相器的本征延时的比g称为逻辑努力 表示一个门与一个反相器提供相同的输出电流时它所表现出的输入电容比反相器大多少 CMOS组合逻辑门的设计 22 例6 5复合门的逻辑努力gNAND 4 3 gNOR 5 3 A B A B A B A B 2 2 2 2 Cg 4Cunit 4 4 1 1 Cg 5Cunit CMOS组合逻辑门的设计 23 直线的斜率就是该门的逻辑努力它与纵轴的交点就是本征延时可以通过调整等效扇出 调整晶体管尺寸 或通过选择具有不同逻辑努力的逻辑门来调整延时门努力 h fg 归一化的延时 扇出f NAND2 g 4 3 p 2 INV g 1 p 1 延时与扇出的关系 CMOS组合逻辑门的设计 24 一条通过组合逻辑块的路径的总延时 运用第五章对反相器采用的类似步骤来决定这条路径的最小延时这条路径的最小延时决定每一级应当具有相同的门努力f1g1 f2g2 fNgN 复合门的路径延时 CMOS组合逻辑门的设计 25 对于逻辑链中的第i个门 可以得到其尺寸 CMOS组合逻辑门的设计 26 例6 6确定组合逻辑延时最小时的尺寸等效扇出 F CL Cg1 5路径逻辑努力 G 1x5 3x5 3x1 25 9路径分支努力 B 1 无分支 总路径努力 H GFB 125 9 于是最优的每个门的努力h 4 H 1 9根据门的类型 扇出系数 f1 1 93 f2 1 93x3 5 1 16 f3 1 16 f4 1 93门的尺寸 a f1g1 g2 1 16 b f1f2g1 g3 1 34 c f1f2f3g1 g4 2 60 CMOS组合逻辑门的设计 27 思考题6 2确定反相器电路的尺寸 CMOS组合逻辑门的设计 28 CMOS逻辑门中的功耗 器件尺寸 影响实际电容输入和输出上升下降时间 决定了短路功耗器件阈值和温度 影响漏电功耗开关活动性静态部分 只与逻辑电路拓扑结构有关 逻辑功能信号统计特性动态部分 电路时序特性引起的 动态或虚假翻转降低开关活动性的设计技术逻辑重组 输入排序 分时复用资源 通过均衡信号路径来减少毛刺 CMOS组合逻辑门的设计 29 静态翻转概率 0 1 Pout 0 Pout 1 P0 1 P0 假设输入是独立的并均匀分布 任意N个扇入的静态门计算两输入静态NOR门的 0 1 3 16 1 逻辑功能 思考题6 3N个扇入的XOR门假设N个输入的XOR门的输入互不相关且均匀分布 推导出开关活动性因子的表达式 0 1 1 4 CMOS逻辑门中的功耗 CMOS组合逻辑门的设计 30 一个逻辑门的开关活动性与输入信号统计特性密切相关令Pa和Pb为输入A和B分别等于1的概率 0 1 P0 P1 1 1 Pa 1 Pb 1 Pa 1 Pb 2 信号统计特性 CL A B B A Pa Pb 0 1 0 1 CMOS逻辑门中的功耗 CMOS组合逻辑门的设计 31 思考题6 4静态逻辑门的功耗对于基本逻辑门 AND OR XOR 推导出0 1的输出翻转概率 ForC P0 1 P0 P1 1 PA PA 0 5 0 5 0 25ForZ P0 1 P0 P1 1 PCPB PCPB 1 0 5 0 5 0 5 0 5 3 16 CMOS组合逻辑门的设计 32 由于信号在空间和时间上都存在相关性 这一事实使开关活动性的估计更为复杂必须考虑信号间的相关性p Z 1 p B 1 p C 1 B 1 0 3 信号间的相关性 重新会聚的扇出 CMOS逻辑门中的功耗 CMOS组合逻辑门的设计 33 起因 门之间的非零传播延时概念 在一个时钟周期内一个节点在稳定到正确的逻辑电平之前可以出现多次翻转 4 动态或虚假翻转 ABC X Z 101 000 A B X Z C CMOS逻辑门中的功耗 CMOS组合逻辑门的设计 34 Out1Out2Out3Out4Out5 1 图6 22NAND门逻辑链中的毛刺 毛刺构成了功耗的很大一部分 CMOS逻辑门中的功耗 CMOS组合逻辑门的设计 35 降低开关活动性的设计技术 1 逻辑重组改变逻辑电路的拓扑结构可以降低它的功耗 结论 对于随机输入 链形实现比树形实现总体上具有较低的开关活动性 忽略毛刺 A B C D F A B C D O2 F O1 O2 O1 0 5 0 5 3 16 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 7 64 15 256 3 16 3 16 15 256 AND P0 1 P0 P1 1 PAPB PAPB CMOS组合逻辑门的设计 36 2 输入排序 降低开关活动性的设计技术 A B C F 0 5 0 2 0 1 B C A X F 0 2 0 1 0 5 结论 推迟输入具有较高翻转率的信号 即信号概率接近0 5的信号 1 0 5 0 2 0 5 0 2 0 09 1 0 2 0 1 0 2 0 1 0 0196 CMOS组合逻辑门的设计 37 降低开关活动性的设计技术 3 分时复用资源 A 并行数据传送B 串联数据传送图6 25并行传送及分时复用的数据总线 C t A C t B C 01 01 t AB 结论 避免对具有独特数据特性的数据流采用分时复用 CMOS组合逻辑门的设计 38 降低开关活动性的设计技术 4 通过均衡信号路径来减少毛刺电路中产生毛刺主要是由于在电路中路径长度失配引起的信号时序上的这一不失配一般都是由于相对于电路的原始输入信号路径的长度不同而引起的 A 对毛刺敏感的电路B 消除毛刺的电路 结论 使信号路径长度匹配可以减少毛刺 CMOS组合逻辑门的设计 39 6 2 2有比逻辑 概念有比逻辑试图减少实现一个给定逻辑功能所需要的晶体管数目 但它经常以降低稳定性和付出额外功耗为代价由一个实现逻辑功能的NMOS下拉网络和一个简单的负载器件组成 In1 In2 PDN In3 F VDD 负载 In1 In2 PDN In3 F VDD PMOS负载 A 一般情况B 伪NMOS CMOS组合逻辑门的设计 40 由于输出端的电压摆幅及门的总体功能取决于NMOS和PMOS的尺寸比 所以此电路称为有比电路计算伪NMOSdc传输特性Vin VDD 通过驱动器和负载器件的电流相等NMOS器件处于线性工作区 PMOS负载处于饱和状态 概念 面积和负载 静态功耗 CMOS组合逻辑门的设计 41 例6 7伪NMOS反相器考虑一个简单的伪NMOS反相器 NMOS的尺寸为0 5 m 0 25 m 我们研究缩小PMOS器件尺寸的效果 以说明其对各种参数的影响 一个较大的上拉器件不仅提高了性能 同时也由于增加了VOL而使静态功耗增加和噪声容限减小 CMOS组合逻辑门的设计 42 思考题6 5伪NMOS中NOR门和NAND门的对比若在NOR或NAND逻辑之间做出选择 在伪NMOS中你倾向于用哪一种来实现 CMOS组合逻辑门的设计 43 如何建立一个更好的负载器件 差分串联电压开关逻辑 DCVSL 差分逻辑 每一个输入输出都具有互补的形式正反馈机制 在不需要负载器件时将其关断 In1 In2 PDN1 Out In1 In2 PDN2 Out 1 0 0 on off off on on off on off 1 CMOS组合逻辑门的设计 44 Out Out B A A B DCVSL的例子 B B CMOS组合逻辑门的设计 45 例6 8DCVSL瞬态响应下图是DCVSL的一个AND NAND门瞬态响应的例子 CMOS组合逻辑门的设计 46 设计考虑 单端门与差分门 差分门vs 单端门优点 使所需要的门的数目减少一半避免了由于增加反相器引起的时差问题缺点 使需要布置的导线数量加倍动态功耗较高 CMOS组合逻辑门的设计 47 6 2 3传输管逻辑 传输管基本概念通过允许原始输入驱动栅端和源 漏端来减少实现逻辑所需要的晶体管数目传输管实现的AND门属于静态门 在所有情况下 电源和地之间都存在一条低阻抗的通路N个晶体管代替2N个 减少了器件的数目 没有静态功耗无比电路双向 vs 单向 CMOS组合逻辑门的设计 48 例6 9传输管电路的电压摆幅下图的瞬态响应表示一个NMOS正在充电一个电容 体效应 x处存在很大的VSB 当拉高的时候 B接GND S充电接近VDD 器件受体效应的影响 情况更糟 CMOS组合逻辑门的设计 49 传输管门不应当象左图这么串联右图的逻辑避免了静态功耗 减小了噪声容限 B VDD Out M1 y M2 y VDD VTn1 VTn2 x M1 B VDD Out y M2 y VDD VTn1 C VDD A VDD C VDD A VDD x VDD VTn1 G S G S 串联NMOS的PT CMOS组合逻辑门的设计 50 例6 10传输管AND门的VTC传输管逻辑的VTC也与数据有关纯传输管门是不能使信号再生的 在经过许多连续的级后可以看到信号逐渐减弱 这可以通过间或插入一个CMOS反相器来弥补 CMOS组合逻辑门的设计 51 差分传输管逻辑 CPLorDPL A B PTNetwork InversePTNetwork F F A B B AND NAND A B B OR NOR A B XOR XNOR A A B 基本原理 接受真输入及其互补输入并产生真输出及其互补输出 B 传输电路举例图6 37差分传输管逻辑 CMOS组合逻辑门的设计 52 CPL的特点 由于电路是差分方式 所以总是存在互补的数据输入和输出差分方式的优点就是某些复杂的门 如XOR和加法器 可以有效地用少量的晶体管来实现由于每个信号的两种极性都存在 不需要额外的反相器静态门类型 因为定义为输出的节点总是通过一个低阻路径连到VDD和GND设计具有模块化的特点 所有的门都采用完全相同的拓扑结构 只是输入的排列不同而已由于CPL可以构成一个简单的XOR以及它能很容易地实现多路开关 因此它对于实现如加法器和乘法器这样的结构很有吸引力 设计者不要忽略互补信号所需的隐含的布线开销 CMOS组合逻辑门的设计 53 例6 11CPL中的四输入NAND CMOS组合逻辑门的设计 54 稳定有效的传输管设计 方法1 电平恢复节点x可上拉到VDD 由于电平恢复 这就消除了反相器中的任何静态功耗在电平恢复器和传输管中没有静态电流路径存在 因为恢复器只有在A为高电平时才有效为使这个电路正确工作 必须仔细确定晶体管的尺寸 有比 LevelRestorer CMOS组合逻辑门的设计 55 例6 12确定电平恢复器的尺寸电平恢复器对器件切换速度和功耗的影响 增加tr 就增加了内部节点x上的电容 从而减慢了这个门的速度 但是减少tf 节点x不能降低到反相器的开关阈值以下 因此不能使输出切换 CMOS组合逻辑门的设计 56 稳定有效的传输管设计 方法2 多种阈值晶体管 工艺上解决 使用零阈值器件的NMOS传输管可以消除大部分阈值损失 体效应仍然会阻止全摆幅达到VDD 对功耗有负面影响 这是由于即使VGS低于VT 也仍然会有亚阈值电流流过传输管 Out In2 0V In1 2 5V A 2 5V B 0V lowVTtransistors sneakpath on offbutleaking CMOS组合逻辑门的设计 57 稳定有效的传输管设计 方法3 传输门逻辑 最广泛使用的方法由栅信号C控制的全摆幅双向开关 当C 1时 A B虽然传输门需要2个晶体管和较多的控制信号 但它能得到从电源轨线至轨线电压的摆幅 A B C A B C B C VDD A VDD B C VDD A GND CMOS组合逻辑门的设计 58 稳定有效的传输管设计 举例 传输门多路开关 S S A B F VDD M2 M1 GND VDD A B S S CMOS组合逻辑门的设计 59 稳定有效的传输管设计 举例 传输门XOR A A B M2 M1 B M3 M4 CMOS组合逻辑门的设计 60 传输管和传输门逻辑的性能 图6 48在由低至高翻转时模拟得到的传输门等效电阻 思考题6 7放电期间的等效电阻模拟一个传输门在由高至低翻转时的等效电阻 CMOS组合逻辑门的设计 61 N个传输门串联网络的延时 这意味着传播延时正比于n2 因此随着链中开关数目的增加而迅速增加 CMOS组合逻辑门的设计 62 例6 13传输门链的延时 很明显使用长传输管链会使延时大大增加解决长延时问题最常用的办法是每隔m个传输门开关切断串联链并插入一个缓冲器所得到的延时与开关数目n成线性关系最优数目显然每段开关的数目随tbuf值的增加而增加典型值等于3或4 CMOS组合逻辑门的设计 63 6 3动态CMOS设计 动态逻辑 既能减少晶体管的数目 又能避免静态功耗通过增加一个时钟输入 它可以相继完成预充电和条件求值两个阶段6 3 1动态逻辑 基本原理2个主要阶段 预充电 CLK 0 求值 CLK 1 CMOS组合逻辑门的设计 64 输出的情况一旦动态门的输出放电就不可能再充电 直到进行下一次预充电门的输入在求值期间最多只能有一次变化在求值期间如果下拉网络关断 则输出有可能处于高阻抗状态 状态保存在CL动态逻辑门的重要特性 逻辑功能由NMOS下拉网络实现晶体管的数目明显少于静态情况 为N 2而不是2N无比的逻辑门只有动态功耗具有较快的开关速度设计考虑用对偶的方法来实现另一形态的动态逻辑p型动态门的缺点是比n型动态门慢 CMOS组合逻辑门的设计 65 6 3 2动态逻辑的速度和功耗 预充电周期的时间可以通过改变PMOS预充电管的尺寸来调整 然而应当避免PMOS太大 因为它会降低门的速度并增加时钟线上的电容负载 例6 15一个四输入的动态NAND门 CMOS组合逻辑门的设计 66 静态门的参数与时间有关 输出电压下降的数量与输入电压以及允许的求值时间密切相关如果求值时间很短 那么噪声电压必须很大才会破坏信号 换言之 开关阈值确实与时间相关 CMOS组合逻辑门的设计 67 正面考虑实际电容较小每个时钟周期最多只能翻转一次不存在短路功耗负面考虑时钟功耗很大晶体管数目大于实现该逻辑所要求的最小一组晶体管当增加抗漏电器件时 可能有短路功耗由于周期性的预充电和放电操作 表现出较高的开关活动性对于均匀分布的输入 N个输入门的翻转概率为 0 1 N0 2N 动态门的功耗 CMOS组合逻辑门的设计 68 例6 16动态逻辑的活动性估计 A 静态NOR门B n型动态NOR门C 真值表 CMOS组合逻辑门的设计 69 思考题6 8活动性计算计算四输入动态NAND门的活动性因子 假设各输入是独立的并且PA 1 0 2 PB 1 0 3 PC 1 0 5和PD 1 0 4 6 3 3动态设计中的信号完整性问题 电荷泄漏电荷分享电容耦合时钟馈通 CMOS组合逻辑门的设计 70 电荷泄漏 CLK CLK Out A 0 Mp Me Leakagesources CLK VOut Precharge Evaluate 1 2 3 4 动态电路要求一个最低的时钟频率 一般在几千赫兹左右 A 漏电来源B 对波形的影响 CMOS组合逻辑门的设计 71 例6 17动态电路中的漏电考虑所有器件都为0 5 m 0 25 m的简单反相器 分析 由于PMOS上拉提供的漏电流 输出稳定在由下拉和上拉器件组成的电阻分压器决定的一个中间电压上 CMOS组合逻辑门的设计 72 电荷泄漏的解决方案增加一个泄漏晶体管 伪NMOS型的上拉器件 来补偿由于下拉漏电路径造成的电荷损失泄漏管通常以反馈形式实现 以同时消除静态功耗 CMOS组合逻辑门的设计 73 电荷分享 原本存储在电容CL上的电荷就在CL和Ca之间重新分配 这就造成输出电压下降 Vout过低会引起静态功耗 以及电路工作可能出错当 Vout VDD Ca Ca CL 的值足够大 使得Vout低于它所驱动的门的开关阈值 电路工作就会出错 CLK CLK B 0 A Out Mp Me CMOS组合逻辑门的设计 74 例6 18电荷分享在什么条件下会造成节点y上电压降的最坏情况 假设在预充电工作期间所有位于低电平 所有所隔离的内部节点开始时为0V CMOS组合逻辑门的设计 75 电荷再分布的解决方案使用时钟驱动的晶体管对关键的内部节点预充电 以增加面积和电容为代价 CMOS组合逻辑门的设计 76 电容耦合 对串扰的影响非常敏感 因为 输出节点的较高阻抗和 电容耦合Out2的变化又会通过晶体管M4的栅 源和栅 漏电容耦合到Out1 CLK CLK B 0 A 0 Out1 Mp Me Out2 In 动态NAND 静态NAND 1 0 M1 M2 M6 M4 M5 VDD VDD CMOS组合逻辑门的设计 77 回栅耦合的影响电容耦合引起Out1显著降低 所以Out2不能全程下降至0V Voltage Time ns CLK In Out1 Out2 CMOS组合逻辑门的设计 78 时钟馈通 它是由在预充电器件的时钟输入和动态输出节点之间的电容耦合引起的效应Out和CLK输入之间的耦合电容由预充电器件的栅 漏电容组成快速上升和下降的时钟边沿会耦合到信号节点Out上 CLK CLK B A Out Mp Me VDD CMOS组合逻辑门的设计 79 6 3 4串联动态门 CLK CLK Out1 In