基于絕熱邏輯的低功耗乘法器電路設(shè)計(jì)
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過去的40年中，MOS器件尺寸的持續(xù)縮小一直是促進(jìn)半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的動(dòng)力。人們可以在越來越小的芯片上實(shí)現(xiàn)越來越復(fù)雜的功能，并且芯片的價(jià)格不斷下降，使得各種便攜式產(chǎn)品如筆記本電腦、筆跡識別儀、語音識別器等相繼問世。這些設(shè)備大多依靠電池供電，電池的壽命是有限的，而目前的鎳鎘電池最多能提供的電能只有26 W／pound。而且，隨著芯片集成度的增加，單位面積上消耗的功率也隨之增加，這不得不增加為芯片散熱的成本。因而，如文獻(xiàn)中所述，電路的低功耗已成為電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。
從已有的研究成果可知，電路中的功率消耗源主要有以下幾種：由邏輯轉(zhuǎn)換引起的邏輯門對負(fù)載電容充、放電引起的功率消耗；由邏輯門中瞬時(shí)短路電流引起的功率消耗；由器件的漏電流引起的消耗，并且每引進(jìn)一次新的制造技術(shù)會(huì)導(dǎo)致漏電流20倍的增加，漏電流引起的消耗已經(jīng)成為功率消耗的主要因素。目前降低功耗的方法主要有：減小電源電壓、調(diào)整晶體管尺寸、采用并行和流水線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、利用睡眠模式、采用絕熱邏輯電路等。其中，能量回收邏輯就是基于絕熱計(jì)算發(fā)展起來的一種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。這里簡單介紹一種使用單相正弦電源時(shí)鐘的能量回收邏輯，并用這種原理電路設(shè)計(jì)了一個(gè)兩位的數(shù)字乘法器電路，與靜態(tài)CMOS數(shù)字乘法器相比，這種能量回收乘法器能夠大大降低功率消耗。
1 單相正弦電源時(shí)鐘能量回收邏輯電路工作原理
以反相器為例說明這種電路的工作原理，如圖1所示。M1和M2的連接方式與傳統(tǒng)的靜態(tài)CMOS邏輯電路相似。不同的是電源不再是恒定不變的，而是用一個(gè)正弦信號代替，這個(gè)信號同時(shí)起到同步電路工作的作用，因此又稱作電源時(shí)鐘。M3和M4連接成二極管的形式用來控制充放電的路徑。
當(dāng)輸入信號B為邏輯“O”時(shí)，M1導(dǎo)通，M2截止。正弦信號正半周時(shí)，通過M3和M1向負(fù)載電容充電，一旦電容充電到最大值，M3能夠阻止電容向輸入正弦時(shí)鐘信號放電，輸出保持在高電平不變。當(dāng)輸入信號B為邏輯“1”時(shí)，M1截止，M2導(dǎo)通。正弦信號負(fù)半周時(shí)，負(fù)載電容通過M2和M4向輸入正弦時(shí)鐘信號放電，一旦電容放電到最小值，M4能夠阻止輸入正弦時(shí)鐘信號向電容充電，輸出保持為低電平不變。
2 基于單相能量回收電路的乘法器電路設(shè)計(jì)
2．1 基于單相能量回收電路的乘法器
兩位乘法器能夠?qū)崿F(xiàn)2位二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算，設(shè)A1A0，B1B0為乘數(shù)和被乘數(shù)，P3P2P1P0為乘法運(yùn)算得到的積，由卡諾圖(見圖2)得到兩位乘法器的輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式分別為：
為了能用基本的與非門、或非門和異或門電路實(shí)現(xiàn)乘法器，上式可以通過邏輯運(yùn)算變換為：
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