基于絕熱邏輯的低功耗乘法器電路設(shè)計(jì)方案

O 引言

過去的40年中，MOS器件尺寸的持續(xù)縮小一直是促進(jìn)半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。人們可以在越來越小的芯片上實(shí)現(xiàn)越來越復(fù)雜的功能，并且芯片的價(jià)格不斷下降，使得各種便攜式產(chǎn)品如筆記本電腦、筆跡識(shí)別儀、語音識(shí)別器等相繼問世。這些設(shè)備大多依靠電池供電，電池的壽命是有限的，而目前的鎳鎘電池最多能提供的電能只有 26 W／pound。而且，隨著芯片集成度的增加，單位面積上消耗的功率也隨之增加，這不得不增加為芯片散熱的成本。因而，如文獻(xiàn)中所述，電路的低功耗已成為電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。

從已有的研究成果可知，電路中的功率消耗源主要有以下幾種：由邏輯轉(zhuǎn)換引起的邏輯門對(duì)負(fù)載電容充、放電引起的功率消耗；由邏輯門中瞬時(shí)短路電流引起的功率消耗；由器件的漏電流引起的消耗，并且每引進(jìn)一次新的制造技術(shù)會(huì)導(dǎo)致漏電流20倍的增加，漏電流引起的消耗已經(jīng)成為功率消耗的主要因素。目前降低功耗的方法主要有：減小電源電壓、調(diào)整晶體管尺寸、采用并行和流水線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、利用睡眠模式、采用絕熱邏輯電路等。其中，能量回收邏輯就是基于絕熱計(jì)算發(fā)展起來的一種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。這里簡單介紹一種使用單相正弦電源時(shí)鐘的能量回收邏輯，并用這種原理電路設(shè)計(jì)了一個(gè)兩位的數(shù)字乘法器電路，與靜態(tài)CMOS數(shù)字乘法器相比，這種能量回收乘法器能夠大大降低功率消耗。

1 單相正弦電源時(shí)鐘能量回收邏輯電路工作原理

以反相器為例說明這種電路的工作原理，如圖1所示。M1和M2的連接方式與傳統(tǒng)的靜態(tài)CMOS邏輯電路相似。不同的是電源不再是恒定不變的，而是用一個(gè)正弦信號(hào)代替，這個(gè)信號(hào)同時(shí)起到同步電路工作的作用，因此又稱作電源時(shí)鐘。M3和M4連接成二極管的形式用來控制充放電的路徑。

當(dāng)輸入信號(hào)B為邏輯“O”時(shí)，M1導(dǎo)通，M2截止。正弦信號(hào)正半周時(shí)，通過M3和M1向負(fù)載電容充電，一旦電容充電到最大值，M3能夠阻止電容向輸入正弦時(shí)鐘信號(hào)放電，輸出保持在高電平不變。當(dāng)輸入信號(hào)B為邏輯“1”時(shí)，M1截止，M2導(dǎo)通。正弦信號(hào)負(fù)半周時(shí)，負(fù)載電容通過M2和M4向輸入正弦時(shí)鐘信號(hào)放電，一旦電容放電到最小值，M4能夠阻止輸入正弦時(shí)鐘信號(hào)向電容充電，輸出保持為低電平不變。

2 基于單相能量回收電路的乘法器電路設(shè)計(jì)

2．1 基于單相能量回收電路的乘法器

兩位乘法器能夠?qū)崿F(xiàn)2位二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算，設(shè)A1A0，B1B0為乘數(shù)和被乘數(shù)，P3P2P1P0為乘法運(yùn)算得到的積，由卡諾圖(見圖2)得到兩位乘法器的輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式分別為：

為了能用基本的與非門、或非門和異或門電路實(shí)現(xiàn)乘法器，上式可以通過邏輯運(yùn)算變換為：

實(shí)現(xiàn)電路時(shí)，將靜態(tài)CMOS電路(見圖3)構(gòu)成的與非門、或非門和異或門的電源用圖4所示的電源時(shí)鐘電路代替即可。其中Clk+，Clk-分別接CMOS電路中PMOS和NMOS管的D極和S極。

2．2 仿真結(jié)果

在PSpice環(huán)境下，分別仿真了用靜態(tài)CMOS電路和單相能量回收電路構(gòu)成的兩位乘法器電路(見圖5和圖6)，圖中只顯示了輸出4位積的低2位P1P0，其中輸入信號(hào) A1A0，B1B0波形見圖6。其他參數(shù)如下：采用CMOS 1．2μm技術(shù)，正弦波峰峰值為2．5 V，直流電壓VDD為2．5 V，并假設(shè)乘法器的輸出端接負(fù)載電容為O．1 fF。

從圖中可見，用靜態(tài)CMOS電路構(gòu)成的乘法器輸出比較穩(wěn)定，輸出等于0或VDD，功率消耗為1．51×10-7W。而用單相能量回收電路構(gòu)成的二位乘法器的輸出不夠穩(wěn)定，對(duì)噪聲信號(hào)較為敏感，但是并不影響輸出邏輯，功率消耗減小為1．17×10-7W。從節(jié)能的角度來看，單相能量回收電路性能更好。

3 結(jié)語

本文首先介紹了單相能量回收反相器電路，詳細(xì)討論電路的工作原理，同時(shí)用PSpice工具仿真了基于靜態(tài)CMOS電路和單相能量回收電路構(gòu)成的兩位乘法器電路。仿真結(jié)果表明本文介紹的單相能量回收電路能夠極大地降低電路功耗。今后的工作還應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定電路的輸出狀態(tài)，增強(qiáng)電路的抗干擾能力。