低功耗全邊沿觸發(fā)器設(shè)計(jì)研究.pdf_第1頁(yè)
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1、目前,主流集成電路(IC)使用的數(shù)字信號(hào)為信息量最少的二值信號(hào),所以導(dǎo)致了IC中互聯(lián)線(xiàn)和芯片引腳過(guò)多等問(wèn)題,這是二值數(shù)字集成電路的主要缺點(diǎn)。而且隨著CMOS工藝的進(jìn)步,其發(fā)展也面臨著眾多基礎(chǔ)物理極限的難題。例如,晶體管的熱耗散、短溝道效應(yīng)、量子力學(xué)效應(yīng)和高漏電功耗等。與此同時(shí),下一代納米電子器件也正在研發(fā)中,例如,神經(jīng)MOS管(vMOS)、共振隧穿二極管(RTD)、量子點(diǎn)細(xì)胞機(jī)(QCA)。這些器件往往具有多個(gè)工作狀態(tài),或許更適合用于多值

2、電路設(shè)計(jì),而非傳統(tǒng)的二值電路。為解決二值集成電路的主要缺點(diǎn)和更有效地利用多值納米電子器件,需要對(duì)多值電路進(jìn)行更多關(guān)注和研究。而多值觸發(fā)器是多值電路中最重要的基本單元,也是多值電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
  另外,隨著CMOS工藝的高速發(fā)展,IC的規(guī)模和密度也在不斷提高,且其工作時(shí)鐘的頻率也日益提高,導(dǎo)致其功耗迅速增大。因此,降低功耗是電路設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的研究領(lǐng)域。而包括時(shí)鐘分布網(wǎng)絡(luò)和觸發(fā)器的時(shí)鐘子系統(tǒng)的功耗往往占了芯片總功耗的最大部分。為降低系

3、統(tǒng)功耗,本文將具有更多跳變沿的多值時(shí)鐘作為降低功耗的一個(gè)有效途徑而應(yīng)用于時(shí)序電路中。
  基于以上論點(diǎn),本文研究并提出了基于多值時(shí)鐘的低功耗多值全邊沿觸發(fā)器,主要進(jìn)行了以下幾方面的工作。
  首先,本文對(duì)多值時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行了較為深入的系統(tǒng)研究。根據(jù)充分利用多值信號(hào)的原則,確定了多值時(shí)鐘的標(biāo)準(zhǔn)波形。根據(jù)多值時(shí)鐘應(yīng)用環(huán)境,分析了多值時(shí)鐘功耗的估算方法。另外,總結(jié)了多值時(shí)鐘奇偶值互跳的規(guī)律等多值時(shí)鐘的性質(zhì)。
  其次,由于目前

4、尚無(wú)產(chǎn)生多值時(shí)鐘信號(hào)的集成電路,為了能使信息量大的多值時(shí)鐘得以實(shí)用,本文以產(chǎn)生三值時(shí)鐘為例設(shè)計(jì)了CMOS三值時(shí)鐘發(fā)生器,并用HSPICE軟件進(jìn)行了模擬。模擬結(jié)果表明,三值時(shí)鐘發(fā)生器具有正確的功能。分析顯示,其電路簡(jiǎn)單,且能穩(wěn)定可靠高效地運(yùn)行,滿(mǎn)足時(shí)鐘信號(hào)的設(shè)計(jì)要求。
  最后,為方便設(shè)計(jì)基于多值時(shí)鐘的多值觸發(fā)器,本文先對(duì)基于多值時(shí)鐘的鎖存器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究。在對(duì)鎖存器工作原理的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合多值時(shí)鐘邏輯值的變換規(guī)律,本文提出了一

5、種基于多值時(shí)鐘的多值全邊沿觸發(fā)器的通用結(jié)構(gòu)。根據(jù)該通用結(jié)構(gòu),可較容易地設(shè)計(jì)基于各種基值時(shí)鐘的任意值全邊沿觸發(fā)器,設(shè)計(jì)的全邊沿觸發(fā)器可以為任意值觸發(fā)器,并對(duì)任意值時(shí)鐘所有跳變都敏感,消除了冗余跳變,降低了功耗,而且具有電路簡(jiǎn)潔和工作高效等特點(diǎn)。
  為驗(yàn)證全邊沿觸發(fā)器通用結(jié)構(gòu),本文具體設(shè)計(jì)了基于三值時(shí)鐘的CMOS二值和三值四邊沿觸發(fā)器,以及基于四值時(shí)鐘的CMOS四值六邊沿觸發(fā)器,并對(duì)它們進(jìn)行了HSPICE模擬,模擬結(jié)果證實(shí)了它們都具

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