基于多阈值技术的低功耗D触发器设计

目前CMOS电路中,漏电流功耗已经成为不可忽视的部分.降低电路漏电流功耗的一种有效方法是采用多阈值电路技术.根据多阈值电路设计原理,电路的关键路径采用低阈值晶体管,以保证电路的性能;非关键路径采用高阈值晶体管,以降低电路的漏电流功耗.对于触发器来说,其对时钟的响应部分是一个关键路径,而对信号的响应部分是非关键路径.本文据此设计了一种新型低功耗D触发器--多阈值与非门保持型D触发器.该电路结构简单,降低了电路漏电流功耗,并且当输入保持不变时,时钟信号不作用于内部结点,使内部结点电压保持不变,这进一步降低了电路的功耗.模拟结果表明所设计的D触发器跟传统的D触发器相比,可节省近25%的功耗.     

基于沟长偏置的近阈值逻辑漏功耗减小技术

随着集成电路芯片特征尺寸的不断缩小,减小漏功耗已成为集成电路设计技术的焦点之一.在近阈值逻辑电路中,亚阈值漏电流是其最主要漏电流的构成.根据MOS器件沟道长度与亚阈值漏电流之间的非线性关系,通过适度提高MOS器件的沟道长度从而降低CMOS逻辑电路的漏功耗,形成了基于沟长偏置的漏功耗减小技术.应用HSPICE软件对基于45nm PTM工艺参数沟长偏置为8%的基本逻辑门电路、镜像加法器和传输门加法器的漏电流进行了仿真测试,实验结果表明漏电流约下降了39%～44%.因此沟长偏置技术是一种有效的适用于近阈值逻辑的漏功耗减小技术.     

基于CNFET的三值脉冲型移位寄存器设计

通过对碳纳米场效应晶体管(Carbon Nanotube Field Effect Transistor,CNFET)多阈值特性和多值逻辑原理的研究,结合移位寄存器设计方法,提出基于CNFET的具有左移右移并入并出功能的三值脉冲型移位寄存器设计方案.该方案首先利用开关信号理论和CNFET特性设计三值D触发器;然后设计三值T运算电路,并实现数据选择器逻辑功能;最后,在此基础上设计基于CNFET的三值脉冲型移位寄存器.经实验验证,所设计的电路输出稳定,具有正确的逻辑功能,且与CMOS低功耗移位寄存器相比,功耗延时积(Power-Delay Product)降低76.7%.     

三值电流型CMOS全加器的改进设计

以开关信号理论为指导,对电流型CMOS电路中如何实现阈值控制进行了讨论.建立了实现阈值控制电路的电流传输开关运算.在此基础上设计了具有阈值控制功能的电流型CMOS三值全加器.通过对开关单元实施阈值控制后,所设计的电路在结构上得到了非常明显的简化,在性能上也获得了优化.HSPICE模拟验证了所提出的电路具有正确的逻辑功能,并且较之以往设计具有更好的瞬态特性和更低的功耗.     

低功耗动态三值CMOS D触发器设计

低功耗设计在当前超大规模集成电路中越来越重要，本文以一种没有直流功耗．具有完全电压摆幅的低功耗动态CMOS三值反相器作为基础。结合简单三值差分逻辑（STDL）的结构．设计了一种低功耗动态三值CMOS D触发器．该触发器能很好地实现动态D触发器的逻辑功能．并且具有结构简单、芯片面积小、时钟简单等优点．Pspice模拟表明所设计的触发器还具有速度快、功耗低的优点．它比二值动态TSPCL D触发器节省近35%的能耗．     

基于RTD的三变量特征阈值逻辑门及通用阈值逻辑门设计

单双稳态转换逻辑单元（MOBILE）能够充分发挥共振隧穿二极管（RTD）的负内阻和快速开关转换特性，且由MOBILE构成的电路能方便地实现阈值逻辑功能。利用谱技术将三变量阈值函数分为3类；结合阈值逻辑电路的特点，分别对三变量特征阈值函数和34个具有代表性的阈值函数进行分析和比较；设计了基于RTD的新型三变量特征阈值逻辑门及通用阈值逻辑门。通过HSPICE仿真和功耗测试，验证了所设计的电路不仅具有正确的逻辑功能，而且有效减小了电路面积、降低了功耗和成本。     

二值动态BiCMOS电路设计

动态电路在当前低功耗设计中受到越来越多的关注,而兼具CMOS电路及TTL电路优点的BiCMOS电路的应用日益广泛.本文以一种n型BiCMOS动态电路为基础,提出了一种新的二值动态BiCMOS电路的通用结构及设计方法,根据该结构及方法设计的动态电路不仅集成度高、功耗低、速度快、电流驱动能力强,而且结构简单,设计方便.计算机模拟结果证明,设计的电路具有正确的逻辑功能,且速度快,功耗低.     

基于门控技术的低功耗串行比较器

通过对低位先比串行数值比较器和高位先比串行数值比较器的设计及分析，证明了应用门控时钟技术设计的时序电路具有明显的低功耗特性，PSPICE模拟结果证明了基于门控技术设计的电路能有效地降低电路的功耗，并保持正确的逻辑功能。     

基于遗传算法的片上网络低功耗映射

随着片上网络(Network-on-Chip)集成度的提高,功耗逐渐成为设计的焦点.本文提出了一种在延时约束条件下,基于遗传算法的片上网络通信链路的低功耗映射算法.该算法使用数组方式编码染色体,并采用非常规码的交叉和变异运算因子.它充分利用遗传算法的群体优势,能快速有效地对通信功耗作优化.实验表明,该算法能平均减少50%左右的通信功耗.     

流水线模数转换器系统功耗建模与优化方法

针对低功耗应用的需求,对流水线模数转换器(ADC)的系统功耗进行了研究与分析,深入探讨了余量放大器电流、级分辨率分配、热噪声限制、电容缩减系数以及前级采样保持电路等因素对系统功耗的影响.在分析基础上进行了功耗建模,导出系统总功耗.同时,提出采用混合搜索算法来同时优化流水线每一级的精度和单位电容值,实现了一个可以自动完成整个优化过程的CAD工具,应用该工具分别在不同优化条件下对10～15位流水线ADC进行了优化,并给出了14位,100MS.s-1 ADC的具体优化结果.     

适于智能水表的低功耗低噪声放大器设计

采用交叉源耦合差分结构以及有源器件并联技术,提出了一种适合智能水表芯片前端具有对称结构的低功耗低噪声放大器.基于标准0.35 μm CMOS工艺进行实现,PSPICE仿真测试结果表明,在2.5 V的典型电源电压和1 kHz的输入信号频率下,所提出的放大器等效输入噪声为9.1 nV·Hz^-1/2,系统功耗为104 μW.具有低噪声和低功耗的特性,已达到智能水表芯片系统的工作需求.     

基于钟控神经MOS管的多值双边沿D触发器设计

通过对钟控神经MOS管特性和冗余抑制技术的研究,提出了一种新型多值双边沿D触发器的设计方案．该方案利用钟控神经MOS管多输入栅加权信号控制、浮栅上的电容耦合效应及具有对浮栅进行初始化并将数据保存在浮栅上等特性,实现D触发器的多值输出．与传统触发器相比较,此多值触发器不但减少时钟冗余信号,降低电路功耗,提高电路效率,而且无需改变电路的结构就可实现不同基的多值D触发器．最后,采用0．25μm CMOS工艺,利用PSPICE模拟验证了所设计的电路具有正确的逻辑功能,并与相同功能多值D触发器比较,多值双边沿D触发器具有明显的低功耗特性．     

基于低功耗与强穿透的ECG传感器节点的设计与实现

针对矿井下信道环境的复杂性与特殊性, 设计并实现了基于低功耗与强穿透的ECG传感器节点. 通过对比论证传感器节点各模块选型, 提出了基于AD8232为心电信号采集芯片、STM 32F103C8T6为处理器以及SI4463为无线收发芯片的ECG传感器节点设计方案. 在阐述传感器节点的软件设计思路与低功耗策略的基础上, 对ECG传感器节点的功耗以及对于矿工ECG信号采集传输性能进行测试与分析.     

用于显性脉冲式触发器的新型低功耗脉冲信号发生器

脉冲式触发器具有吸收时钟偏移和速度快的优点,为了实现高性能低功耗脉冲式触发器,提出了2种用于显性脉冲式触发器的新型低功耗双边沿脉冲信号发生器.第1种采用延时的时钟信号控制脉冲发生器内部节点的充放电路径,使它们交替导通来产生脉冲信号,减少了直流短路电流,降低了动态功耗;第2种在时钟上升沿和下降沿分别采用NMOS传输晶体管和级联PMOS管直接输出高电平脉冲信号,使其具有平衡的脉冲产生时间,有利于实现对称的输入信号建立时间,以达到脉冲式触发器最小的输入输出延时.通过HSPICE仿真,与以往同类的脉冲信号发生器相比,本文提出的2种脉冲信号发生器在平均功耗、速度、总沟道宽度等方面均有明显的优势,适用于设计高性能低功耗显性脉冲式触发器.     

低功耗互补传输门绝热逻辑和时序电路的设计

研究了采用二相非交叠功率时钟的绝热触发器及时序电路的设计，介绍了采用二相无交叠功率时钟的互补传输门绝热逻辑（CPAL）电路，并分析了其工作原理．该电路利用nMOS管自举原理对负载进行全绝热驱动，从而减小了电路整体功耗，且CPAL能耗几乎与工作频率无关．提出了性能良好的低功耗绝热D、T和JK触发器，并与其他几种绝热触发器进行功耗比较．给出了绝热时序电路的一般设计方法，并作为实例采用应用绝热D触发器设计了十进制计数器．SPICE程序模拟表明：设计的电路具有正确的逻辑功能及低功耗的优点．     

基于MCML的高性能三值D型触发器的设计

MCML电路由于具有高速低摆幅、抗干扰能力强、在高频下比传统CMOS电路功耗更低等优点,越来越受到广泛关注.通过分析二值MCML电路的设计方法,引入与参考电压进行比较的思路,设计了一种结构简单的新型高性能三值D型触发器.采用TSMC 180 nm工艺,使用HSPICE进行模拟.结果表明,所设计的触发器不仅具有正确的逻辑功能,工作频率达到10 GHz,平均D-Q延时和PDP也比传统CMOS三值触发器有明显降低,且随着工作频率的上升,PDP不断下降,适合于高速和高工作频率的应用.     

低功耗XOR门的快速分解技术

为了在相对短的时间内得到基于XOR门电路的最优结构，并达到功耗优化的目的，以XOR门输入信号的概率为依据进行低功耗分解，提出了一种新的基于XOR门的电路功耗优化技术．实验结果表明：提出的算法能在更短的时间内实现功耗优化，且比现有的方法最多可提高8．9％，同时也证明了提出的算法在功耗节省方面比其他同类算法更有效．     

基于遗传算法的电压岛感知的多电压分配

功耗是当前SoC设计所面临的最大挑战之一,多电压设计是一种降低SoC芯片功耗的有效方法.在后布局阶段应用多电压设计,首先对现有电源网络复杂性度量方法进行改进,然后提出了一个同时考虑功耗、电源网络复杂性及电平转换器的新目标函数,并采用遗传算法进行最优电压分配.对GSRC测试电路的实验结果表明,所提出的算法不仅能有效降低芯片功耗,同时可以将多电压设计的额外开销控制在一个较低的水平.此外,改进的电源网络复杂性度量方法在功耗节省和电平转换器数量方面较已有的有一定的优势.     

采用组合时钟的异步时序‘电路分析和设计

本文根据电路中采用的触发器的不同敏感沿,提出采用组合时钟的异步时序电路的设计和分析方法.