專利名稱：一種互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于低功耗集成電路設計領域的電路，它是一種新型的半絕熱電路，特別是指一種互補式交叉耦合能量恢復低功耗電路結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
絕熱電路技術(shù)(Adiabatic Circuit Technique)也叫電荷恢復技術(shù)是近十幾年來興起的一種全新低功耗技術(shù)，由于采用這種技術(shù)設計出的電路的功耗能顯著降低(理論上說可以降為零)，現(xiàn)在已成為低功耗研究的一個熱點，是低功耗集成電路技術(shù)領域的一個重要研究方向。我們知道在常規(guī)的CMOS電路中，電路的動態(tài)功耗是電路整體功耗的重要成分，它有時甚至會成為整體功耗的主要部分。而在動態(tài)功耗中，電路翻轉(zhuǎn)引起的功耗是最主要的。圖1給出了一個傳統(tǒng)的CMOS反向器，從直流電源DC流出的能量為Es＝C·V2(1-1)其中一部分能量存儲于負載電容C中Ecap＝(1/2)·C·V2(1-2)而另一部分能量在消耗在電源向電容充電時的Rc上Erc＝(1/2)·C·V2(1-3)整個CMOS電路的動態(tài)功耗P=ΣCi·Vi2·fi---(1-4)]]>絕熱電路技術(shù)的主要特點是它是一種電路級的降低電路功耗的技術(shù)；它采用脈沖電壓源為電路供電，而傳統(tǒng)CMOS電路采用的是直流電壓源供電，由于采用的是脈沖電壓源供電，它可以將電源向電路充放電時消耗在負載電阻上的功耗顯著降低，如圖3所示，其功耗計算公式為Ediss＝C·V2·(R·C/T) (1-5)當T＞＞RC時則Ediss幾乎降為零；此外，它還可以將電路用過的電荷回放給電源存儲起來(理論上說可以全部回放給電源)，即非絕熱功耗為零。而傳統(tǒng)CMOS電路則是直接將這部分電荷泄放到地，這不僅引起電路功耗而且產(chǎn)生大量的熱。絕熱電路技術(shù)按其自身的特點一般分為全絕熱電路(Full-adiabatic circuit)和半絕熱電路(Semi-adiabatic circuit)兩類。前者從理論上說可以達到零功耗，但電路中必需利用可逆邏輯來完成電路的功能，這種電路結(jié)構(gòu)復雜而且要用大量的脈沖電源，實現(xiàn)的難度十分的大；而后者相對于前者來說其電路的結(jié)構(gòu)較為簡單，沒有可逆邏輯的限制，電路用到的脈沖電源相對較少，應用起來相對來說比較容易。但這種電路的電荷恢復效率有一理論極限，電路完成邏輯功能時必需消耗一定比例的能量至少為Es＝(1/2)·Cg·Vt2，這部分功耗是非絕熱功耗。
由于半絕熱電路這種潛在的巨大實用價值，近年來國際上對半絕熱電路的研究十分活躍，有許多種不同形式的電路和脈沖電源在多種學術(shù)期刊上發(fā)表。但這些電路都存在許多缺陷，其中一個比較典型缺陷是電路是動態(tài)工作的，電路的非絕熱功耗與輸入信號的變化與否無關(guān)，其電荷的恢復效率很難提高。
圖2是由2n-2n2d電路構(gòu)成的反向器——一種經(jīng)典的半絕熱電路，其中CL為負載電容，Vth為二極管的閾值電壓，該電路的輸入和輸出都是互補的。其工作機理是這樣的一個周期的脈沖電壓PC被分為預充時段、求值時段、保持時段三部分，它們分別對應為T1、T2、T3，如圖4所示。在整個T1時間段內(nèi)，脈沖電壓PC由低到高緩慢上升，并通過一對二極管分別對兩個輸出端節(jié)點進行預充電，當PC上升到Vdd時，兩個輸出端電壓上升到(Vdd-Vth)；在T2時段內(nèi)，輸入信號in和inb一直保持穩(wěn)定，假設in為高電平、inb為低電平，則輸出端outb的電壓在T2內(nèi)從(Vdd-Vth)逐漸下降到0，對應的其邏輯值從0逐漸變?yōu)?。輸出端out則保持為高電平；在時間段T3內(nèi)，輸出端一直保持穩(wěn)定，它直接接到下一級反向器的輸入端，而這一級的電路此時正處于它的預充和求值時間段內(nèi)；其具體情況可參見圖4，2n-2n2d電路的一個簡單應用即一個反向器鏈，它需要兩相脈沖電壓源，如圖3所示。在T1時間段內(nèi)，PC的電壓從0逐漸變?yōu)閂dd，由二級管正向?qū)〞r存在閾值損失，所以輸出端out、outb的電壓不能升到Vdd。因此，輸出端out、outb的電壓只能從0逐漸變?yōu)?Vdd-Vth)。此時間段內(nèi)，脈沖電壓源大部分電荷都存儲在負載電容上。T2是運算求值時段，outb端負載電容上的電荷隨outb端電壓的下降全部回收到脈沖電壓源。T3時段是等待時間，電路的第一級的輸入信號可以在這一時間段內(nèi)準備好。在一個周期里，其非絕熱功耗為Es＝CL·(Vdd-Vth)(1-6)我們可以看出該電路工作是動態(tài)的，在每個周期的預充時段都會有固定的非絕熱損失，這一損失與輸入信號的變化無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)，其具有實現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)簡單和功耗能顯著降低的優(yōu)點。
本發(fā)明一種互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)，其特征在于其中包括一對預充電控制的PMOS管MP1、MP2，其柵極分別接在差分互補的輸入端in、inb上，其源極和襯底都接在脈沖電源PC的輸入端，其漏極分別接在二極管D1、D2的正極(即用作二極管用途的NMOS管的漏極)上；一對二極管D1、D2(可以是用作二極管用途的NMOS或PMOS管)，其正極分別接在兩個PMOS管PM1、PM2的漏極上，負極分別接在兩個差分輸出端out、outb上；二極管D1、D2可以用NMOS管的等效形式代替——柵極和漏極相連作為二極管的正極，源極作為二極管的負極；一對進行邏輯運算的NMOS管MN1、MN2，其柵極分別接在差分互補的輸入端in、inb上，漏極接在脈沖電源PC上，源極分別接在A、B結(jié)點上；一對交叉耦合輸出的NMOS管MN3、MN4，其漏極分別接在A、B結(jié)點上，源極分別接在兩個輸出端in、inb上，柵極交叉耦合接在兩個輸出端上；以上所述的所有的NMOS管的襯底均接地。
其中所述的邏輯運算的NMOS管和預充電控制的PMOS管可以用互補的邏輯運算單元和互補的邏輯運算單元反取代，它們可以是任何復雜門，如多輸入的與非門、或門、同或門或者異或門等。


為進一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)以及所能達成的功效，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作一詳細說明如下，其中圖1是傳統(tǒng)的CMOS反向器電路；圖2是已知的2n-2n2d結(jié)構(gòu)的反相器電路；圖3是已知的2n-2n2d結(jié)構(gòu)的四級反相器級聯(lián)；圖4是已知的2n-2n2d電路工作的邏輯波形5是本發(fā)明2n-2n2p2d結(jié)構(gòu)的反相器電路；圖6是本發(fā)明2n-2n2p2d結(jié)構(gòu)的四級反相器級聯(lián)；圖7是本發(fā)明2n-2n2p2d電路工作的邏輯波形圖；圖8是本發(fā)明2n-2n2p2d結(jié)構(gòu)的與/與非門電路。
具體實施例方式
請參閱圖6所示，本發(fā)明一種互補式交叉耦合能量恢復低功耗電路結(jié)構(gòu)，其中包括一對預充電控制的PMOS管MP1、MP2，其柵極分別接在差分互補的輸入端in、inb上，其源極和襯底都接在脈沖電源PC的輸入端，其漏極分別接在二極管D1、D2的正極(即用作二極管用途的NMOS管的漏極)上；一對二極管D1、D2(可以是用作二極管用途的NMOS管)，其正極分別接在兩個PMOS管PM1、PM2的漏極上，負極分別接在兩個差分輸出端out、outb上；二極管D1、D2可以用NMOS管的等效形式代替——柵極和漏極相連作為二極管的正極，源極作為二極管的負極；一對進行邏輯運算的NMOS管MN1、MN2，其柵極分別接在差分互補的輸入端in、inb上，漏極接在脈沖電源PC上，源極分別接在A、B結(jié)點上；一對交叉耦合輸出的NMOS管MN3、MN4，其漏極分別接在A、B結(jié)點上，源極分別接在兩個輸出端in、inb上，柵極交叉耦合接在兩個輸出端上；以上所述的所有的NMOS管的襯底均接地。
其中所述的邏輯運算的NMOS管和預充電控制的PMOS管可以用互補的邏輯運算單元和互補的邏輯運算單元反取代，它們可以是任何復雜門，如多輸入的與非門、或門、同或門或者異或門等。
本發(fā)明的2n-2n2p2d電路是在已有的2n-2n2d電路的基礎上進行了一項重要改進。本發(fā)明在2n-2n2d電路的基礎上增加了一對PMOS管，使其能夠直接通過輸入信號來控制對輸出結(jié)點的預充電情況，從而實現(xiàn)了準靜態(tài)邏輯的工作方式，由此改變了已有的2n-2n2d電路動態(tài)邏輯的工作方式，節(jié)省了2n-2n2d電路因冗余充、放電而消耗的能量。
基本的思想是根據(jù)輸入信號變化的情況，預先控制輸出結(jié)點的充電情況，克服2n-2n2d電路動態(tài)邏輯工作方式在每個運算周期所存在的冗余充放電的缺點，使電路具有準靜態(tài)邏輯運算的特性，從而消除因冗余充電導致的非絕熱能耗和因冗余放電導致的絕熱能耗。
2n-2n2p2d電路所用的兩相脈沖電源波形與2n-2n2d電路的脈沖電源相同；如圖7所示，兩相脈沖電源是相互延遲180度相位的不交迭周期性變化的三角波(也可以是梯形波或正弦波等類似的)。
2n-2n2p2d電路采用流水線方式工作，每一級電路的輸出都可以作為下一級電路的輸入，如用圖6所示，可以構(gòu)成多級流水線電路，完成特定的邏輯功能。
2n-2n2p2d電路為雙端邏輯電路，(圖5所示的為2n-2n2p2d結(jié)構(gòu)反向器單元電路)，MP1、MP2、D1、D2構(gòu)成預充電回路，由MN1，MN2、MN3、MN4構(gòu)成放電回路。in、inb為2n-2n2p2d反向器的互補輸入，out，outb為邏輯單元的互補輸出。PC結(jié)點接脈沖電源。當MP1、MP2，MN1、MN2由更復雜的互補邏輯電路取代時可以完成相應的邏輯運算。第一級電路的工作狀態(tài)按脈沖電源的情況可以分為三種狀態(tài)，預充、求值、和保持。
設圖5中的反向器電路由PC2驅(qū)動，則電路的輸入應是PC1驅(qū)動的上一級電路的輸出。T1時間段為電路的預充時段，在這一時間段中，PC2由低電平向高電平變化，電路的輸入保持不變。設in端輸入為高電平，inb端為低電平，在PC2由低電平逐漸升高的過程中，MP1截止，MP2導通，隨著PC2的電勢的上升，當D2兩端的電壓大于其二極管的導通電壓Vth時，PC2通過MP2和D2對輸出端結(jié)點進行充電，輸出端點電勢隨PC2的上升而上升。T2時段為電路的求值時段，在這一時間段中，PC2由高電平向低電平變化，假設本級電路的上一周期的輸出與當前周期的輸入相同，則電路工作狀態(tài)保持不變；反之，若本級電路的上一周期的輸出與當前周期的輸入相反(即out端為低電平，outb端為高電平)，則在本時段內(nèi)，MN1、MN3導通，MN2、MN4截止，原來outb端的電勢隨PC2下降而下降，該結(jié)點的電荷被回收。T3時段為電路的保持時段，在這一時間端PC2恒為低電平，電路的輸出保持不變。
通過該例分析可得，2n-2n2p2d電路的輸出結(jié)點的預充電/放電與電路的輸入和上一周期電路的輸出狀態(tài)有關(guān)，具有準靜態(tài)邏輯電路的特性；當電路在相鄰幾個周期內(nèi)的輸入相同時，與已有的2n-2n2d電路等類似的動態(tài)電路相比，將節(jié)省其冗余的充放電能耗。
以上給出的是2n-2n2p2d電路構(gòu)成的一個反相器的例子，同理，用2n-2n2p2d電路構(gòu)成的更為復雜的電路其功耗也可以顯著得到降低，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，圖中的“邏輯運算單元”可以是任何復雜門，如與門、或門、同或門等等。其中“邏輯運算”和“邏輯運算反”是互補的。
權(quán)利要求
1.一種互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)，其特征在于包括一對預充電控制的PMOS管MP1、MP2，其柵極分別接在差分互補的輸入端in、inb上，其源極和襯底都接在脈沖電源PC的輸入端，其漏極分別接在二極管D1、D2的正極上；一對二極管D1、D2，其正極分別接在兩個PMOS管PM1、PM2的漏極上，負極分別接在兩個差分輸出端out、outb上；或者二極管D1、D2可以用NMOS管的等效形式代替，其柵極和漏極相連作為二極管的正極，源極作為二極管的負極；一對進行邏輯運算的NMOS管MN1、MN2，其柵極分別接在差分互補的輸入端in、inb上，漏極接在脈沖電源PC上，源極分別接在A、B結(jié)點上；一對交叉耦合輸出的NMOS管MN3、MN4，其漏極分別接在A、B結(jié)點上，源極分別接在兩個輸出端in、inb上，柵極交叉耦合接在兩個輸出端上；以上所述的所有的NMOS管的襯底均接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的邏輯運算的NMOS管和預充電控制的PMOS管用互補的邏輯運算單元和互補的邏輯運算單元反取代，它們可以是任何復雜門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)，其特征在于其中所述的二極管用具有二極管特性的NMOS管或PMOS管取代。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種互補式交叉耦合能量恢復電路結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在兩相不交疊功率時鐘(周期性變化的電源)的控制下以極低的功耗實現(xiàn)邏輯運算。該電路結(jié)構(gòu)的基本電路單元包括第一，一對用于對差分輸出節(jié)點進行充電的二極管(D1、D2)；第二，一對控制二極管預充電的PMOS管(MP1、MP2)；第三，一對進行邏輯運算的NMOS管(MN1、MN2)；第四，一對交叉耦合輸出的NMOS管(MN3、MN4)。
文檔編號H03K19/0944GK1822504SQ200610025280
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者何艷, 田佳音, 王俊宇, 閔昊 申請人:復旦大學