低功耗能量回收电路设计

论文摘要

集成电路规模和工作速度继续按照摩尔定律增长,功耗的增加在给散热带来困难的同时也限制了电路性能的进一步提高。由于掌上电脑、移动电话、PDA以及其他形式的便携式电子产品需求的增加,要求电路降低功耗以延长电池使用时间。因此,降低集成电路的功耗已经成为集成电路设计过程中应当主要考虑的关键因素。目前已经有了很多降低电路功耗的设计技术,其中,基于能量回收原理的绝热电路是众多低功耗设计技术中比较独特和新颖的一种,具有较好的发展潜力。绝热电路采用缓变的功率时钟作为电源,改变了直流供电的传统CMOS电路从电源到地的单一能量利用方式,而是采用从电源到地,再到电源的循环利用方式。这种方式从理论上来说不消耗能量,因而可以实现对电路的低功耗设计。本论文在研究传统CMOS电路和绝热电路功耗模型的基础上,从理论上阐明了绝热电路在降低功耗方面的优势;对绝热电路中比较典型的交叉耦合存储型能量回收电路进行分析,并对其进行HSPICE仿真,给出了仿真波形。论文对钟控绝热逻辑CAL(Clocked Adiabatic Logic)电路结构进行研究,设计了一种新型的模式可选的能量回收电路MOCAL(Mode Optional Clocked Adiabatic Logic)。该电路在CAL的基础上增加了对电路工作模式的控制,从而弥补了大部分传统绝热逻辑的缺陷,可以直接用来替换CMOS电路中的相应部分,降低了功耗并节省了芯片面积。采用MOCAL的结构经过了HSPICE验证,并且与CAL反相器链的功耗进行了比较。结果显示,在20MHz的频率下,MOCAL反相器链的功耗损失仅为相应CAL结构的23%,表明了该设计的有效性。最后,论文利用能量回收原理设计了一种绝热SRAM,研究了它与传统SRAM的功耗来源,并对其进行了仿真验证,给出了与传统SRAM功耗比较的结果,从而验证了理论分析的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 低功耗设计需求
• 1.2 能量的重复利用
• 1.3 论文的主要内容及章节安排
• 第二章 绝热原理与低功耗设计
• 2.1 传统CMOS电路能耗分析
• 2.1.1 静态CMOS电路功耗组成
• 2.1.2 传统CMOS电路功耗分析
• 2.2 绝热开关充电原理与工作状态分析
• 2.2.1 绝热充电原理
• 2.2.2 绝热开关工作状态分析
• 2.3 绝热电路的研究现状
• 2.4 本章小结
• 第三章 绝热电路结构分析
• 3.1 能量恢复的实现方案
• 3.1.1 逐级级联收缩（Retractile Cascade）结构
• 3.1.2 可逆逻辑（Reversible Logic）型绝热结构
• 3.1.3 存储（Memory）型绝热结构
• 3.2 典型绝热结构分析
• 3.2.1 ECRL（Efficiency Charge Recovery Logic）
• 3.2.2 PAL-211(Pass-transistor Adiabatic Logic with 211mos
• 3.2.3 CAL（Clocked Adiabatic Logic）
• 3.2.4 CTGAL（Clocked Transmission Gate Adiabatic Logic）
• 3.3 本章小结
• 第四章 改进的绝热电路
• 4.1 MOCAL电路结构及工作原理分析
• 4.2 功耗分析及电路仿真
• 4.2.1 功耗分析
• 4.2.2 电路仿真
• 4.3 采用MOCAL进行复杂逻辑设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 绝热SRAM的设计实现
• 5.1 SRAM设计实现
• 5.1.1 存储单元
• 5.1.2 译码电路
• 5.1.3 灵敏放大器
• 5.2 绝热SRAM设计
• 5.2.1 存储单元和灵敏放大器的设计
• 5.2.2 行列地址译码器设计
• 5.3 电路仿真及功耗分析
• 5.3.1 绝热SRAM功能仿真
• 5.3.2 绝热SRAM功耗分析
• 5.3.3 与传统SRAM功耗比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果