【摘要】：隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展,功耗帶來的挑戰(zhàn)也日益突出,因此各種節(jié)能方法被不斷地提出�；谝陨纤峒暗墓膯栴},提出一種絕熱式漸次充電技術(shù),它能夠有效地降低CMOS電路中的能量損耗,達(dá)到節(jié)能的目的,同時(shí)還能降低電路中信號傳播時(shí)延。這種絕熱式漸次充電驅(qū)動(dòng)器是由若干電容、直流電源和相關(guān)MOSFET組成的,在這種電路中,漸次式電壓的產(chǎn)生幾乎不消耗能量。為了凸顯該技術(shù)的優(yōu)勢,將這種方法與傳統(tǒng)的變化電壓降低功耗的方法進(jìn)行比較,經(jīng)過最終的仿真對比發(fā)現(xiàn)該技術(shù)比傳統(tǒng)的變化電壓節(jié)能方法在能耗上大幅度降低,與此同時(shí)電路中信號傳播時(shí)延也相應(yīng)地得以降低。
【圖文】：

第10期陳夢浩，等：絕熱式漸次充電技術(shù)在CMOS電路中的應(yīng)用了漸次充電電壓產(chǎn)生電路，，通過利用平衡電容器來達(dá)到平衡節(jié)點(diǎn)電壓的目的。為了達(dá)到這個(gè)目的，有必要在改變電容器兩端初始電壓之前去檢測絕熱式漸次充電電路的穩(wěn)定性。1功率損耗分析和變化電壓節(jié)能法在CMOS電路中的功率損耗主要包括動(dòng)態(tài)能量損耗，靜態(tài)能量損耗和短路電流損耗等，這些功耗在CMOS電路中的分布如圖1所示[2]。圖1CMOS電路功耗示意圖該電路的總功耗如下：P=PD+Psc+PC（1）式中：PD為動(dòng)態(tài)功耗；Psc為短路功耗；PC為靜態(tài)功耗。PD電路在開關(guān)過程中對負(fù)載電容充放電所消耗的，它與電源電壓VDD、負(fù)載電容CL、工作頻率f和開關(guān)活動(dòng)律α相關(guān)，具體如下：PD=αCLfV2DD（2）由于電路的輸出波形不是理想波形而是存在上升沿和下降沿，因此在輸入電平處于VTN~VDD+VTP這段范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致電路中的PMOS和NMOS晶體管都導(dǎo)通，產(chǎn)生從源頭到地的短路電流Isc，從而引起開關(guān)過程中的附加短路功耗[3]Psc。對于一定的電源電壓，增大閾值電壓VT可以減小短路功耗，具體如下：Psc=IscVDD（3）在理想狀況下，CMOS電路的靜態(tài)損耗為零，但是實(shí)際中處于截止?fàn)顟B(tài)的MOSFET存在泄漏電流Ileak，從而形成電路在穩(wěn)態(tài)下的直流電流，引起靜態(tài)功耗PC，具體如下：PC=IleakVDD（4）在實(shí)際生產(chǎn)工作中，有許多方法可以解決電路中的高功耗問題，通過調(diào)節(jié)電路中的電源電壓是最為普遍的方法，因?yàn)檫@種方法在降低功耗方面也是最簡單方便的。通過改變電路中的供電電壓VDD來降低功耗是可行的，因?yàn)楫?dāng)電源電壓下降V

現(xiàn)代電子技術(shù)2017年第40卷如圖3所示。假設(shè)現(xiàn)在有電容CT，它比負(fù)載電容CL要小很多，并且電路中的每個(gè)開關(guān)都能夠閉合足夠多的時(shí)間去完成充電過程。這樣電路中的槽電壓在經(jīng)過一定時(shí)間就會(huì)自動(dòng)地上升到理論的電壓值。也就是說，漸次充電技術(shù)是通過應(yīng)用一種數(shù)字控制信號將輸出轉(zhuǎn)換到理想的數(shù)值[5]。當(dāng)然漸次充電技術(shù)也有它的局限性，因?yàn)檫@個(gè)電路中的MOSFET其實(shí)就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，這個(gè)開關(guān)在使用時(shí)會(huì)有一定的限制，那就是MOSFET導(dǎo)通必須滿足其輸入電壓要大于它的閾值電壓[6]。圖3絕熱式漸次充電電路示意圖3仿真驗(yàn)證通過在絕熱式漸次充電電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和Matlab仿真，得到了相應(yīng)的仿真結(jié)果圖。為了準(zhǔn)確地驗(yàn)證相關(guān)結(jié)論和技術(shù)的準(zhǔn)確性和創(chuàng)新性，在這里設(shè)立漸次充電支路中的開關(guān)個(gè)數(shù)為5個(gè)，負(fù)載電容CL為10μF，其他的電容為0.1μF，電源電壓VDD為2V，其具體的實(shí)驗(yàn)電路如圖4所示。圖4絕熱式漸次充電電路圖假如該電路中所有的MOSFET都是導(dǎo)通的，并且電路中的元器件也正常運(yùn)行，那么負(fù)載電容在充電過程中的兩端最高電壓是2V。圖5是負(fù)載電容CL兩端。電壓隨時(shí)間變化的趨勢圖。因?yàn)闈u次充電電路支路中的開關(guān)的個(gè)數(shù)是5個(gè)，所以負(fù)載電容CL兩端電壓的上升階段就可以分為5個(gè)階段，故該負(fù)載電容兩端電壓的上升趨勢滿足了漸次式充電的相關(guān)特性，即電壓逐步上升的特性[7]。通過觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)階段電壓的增加量幾乎是相等的，并且每一階段經(jīng)歷的時(shí)間也是相等的。伴隨著負(fù)載電容充電時(shí)間的不斷延長，電容的充電過程也更加迅速[8]。通過分析可以得到的結(jié)論是當(dāng)電路中的開關(guān)全部處于閉合狀態(tài)時(shí)，負(fù)載電容CL兩端的電壓Uc是呈階?

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本文編號：2569086