双逻辑低功耗运算电路设计分析
低电压低功耗伪差分两级运算跨导放大器设计
低电压低功耗伪差分两级运算跨导放大器设计肖莹慧【摘要】为了满足电池供电设备低功耗、低电压的要求,提出一种用于超低电压和低功率混合信号应用的、基于米勒补偿的两级全差分伪运算跨导放大器(OTA).该放大器电路使用标准的0.18μm数字CMOS工艺设计,利用PMOS晶体管的衬体偏置减小阈值电压,输入和输出级设计为AB类模式以增大电压摆幅.将输入级用作伪反相器增强了输入跨导,并采用正反馈技术来增强输出跨导,从而增大直流增益.在0.5V电源电压以及5pF负载下对放大器进行模拟仿真.仿真结果表明,当单位增益频率为35 kHz时,OTA的直流增益为88dB,相位裕量为62°.与现有技术相比,所提出的OTA品质因数改善了单位增益频率和转换速率,此外,其功耗仅为0.08μW,低于其他文献所提到的OTA.【期刊名称】《沈阳工业大学学报》【年(卷),期】2018(040)004【总页数】5页(P431-435)【关键词】低电压低功耗;伪差分两级OTA;0.18μmCMOS技术;AB类模式;米勒补偿;正反馈技术;单位增益频率;转换速率【作者】肖莹慧【作者单位】中南财经政法大学武汉学院, 武汉430000【正文语种】中文【中图分类】TN432对于电池供电的应用产品(如生物医学植入式设备、无线传感器网络和微系统)，如何降低功耗是极其重要的[1].为了满足低功耗低电压要求，人们通常使用工作在弱反型(或亚阈值)区域中的MOS晶体管[2].随着薄氧化物技术的发展，为了避免击穿并保持器件的可靠性，人们减少了电源电压，短沟道器件的阈值电压(Vth)也相对于电源电压按比例缩小.短沟道器件倾向于短沟道效应(SCE)，这种效应降低了放大器的固有增益，使单级放大器难以获得高增益[3-4].MOS晶体管配置的共射共基放大器因有限的电源电压倾向于减小摆动而不能使用.与串联晶体管相比，具有公共栅极的堆叠复合(自共栅)晶体管[5]能够提供较小的输出电压和高电阻值，通过级联多个增益级可实现高增益，但需要额外的补偿电路，且每个增益级需要额外的功率补偿[6-7].米勒补偿[8-11]是两级运算跨导放大器(OTA)较为简单和流行的补偿技术，嵌套式米勒补偿将包含两级以上放大器，其在两个高阻抗节点之间放置一个补偿电容(CC).由于从输入级到输出节点的前馈路径将产生正(右手平面)零点，这会降低相位裕量并使OTA不稳定.为了改善OTA的稳定性，可以消除零点或将零点置于较高频率处.而为了将零点置于较高频率处，第二级放大器则需要较大的偏置电流，这增加了放大器的总功耗.有两种技术可使正零点无效，一种技术是将米勒电阻(RC)与CC串联；另一种技术则是通过在CC和输出节点之间放置电压(电流)缓冲器来断开正向通路[12-13].但用于低频OTAs和电压(电流)缓冲器中的大量芯片会增加额外的功耗.近年来，众多低压电路均利用了衬底驱动晶体管，例如差分放大器、电流镜、电压基准和缓冲器等[8-9].衬体驱动晶体管能够工作在低电压条件下，但其衬底跨导、本征增益较小，而输入电容较大.在文献[5]中已实现了基于自级联的OTA，但其品质因数较小；文献[1]中使用三阱CMOS技术实现了伪两级栅极驱动和衬体驱动OTA，但三阱技术的需求和额外的制造步骤导致了成本增加.这些OTAs使用电阻共模反馈电路不仅降低了输出电阻值，且增大了芯片的面积.本文提出一种低功耗、高增益的伪全差分二级OTA，OTA的输入和输出级处于AB类模式，意味着所有晶体管将驱动输入信号，从而提高压摆性能.OTA的输入级用作伪反相器，其增强了输入跨导(gmⅠ)，采用正反馈技术来增强输出跨导(gmⅡ).本文所提出的OTA工作电压为0.5 V，负载电容为5 pF.1 米勒补偿伪两级运算跨导放大器1.1 主放大器单级共源共栅电路拓扑结构中不适合设计工作在低电压下的大摆幅高增益放大器，相反，通常采用多级拓扑结构来实现期望的增益和输出摆动，可通过MOS晶体管的级联以及多个增益的级联来降低输出电导或增加MOSFET的输入跨导，以增加增益值[10].不同增益增强技术均有其优缺点，级联对于低电压电路不可用，多级需要补偿且每级会产生额外功率，电导可通过增加MOSFET的沟道而减小，但其增大了寄生电容.本文所提出的伪运算跨导放大器基于低电源电压，并且通过改善每个级的跨导而不增加分支中的电流来增强增益.此外，本文的OTA设计采用AB类模式以提高电压摆幅与增益.图1为米勒补偿二级伪运算跨导放大器的电路图.图1中，UIN和UIP为反相和同相输入端，UON和UOP为运算跨导放大器的输出节点.放大器第一级由伪差分对M1A-M1B、交叉耦合晶体管M2A与M4B以及M2B与M4A组成，所有晶体管偏置在亚阈值区域.在交叉耦合模式下，电压缓冲电路M2A-M2B，M4A-M4B将输入反馈到M3A-M3B.交叉耦合配置充当电压缓冲器，且其输出反馈到M3A-M3B的栅极，由于耦合配置，输入跨导将得到改善.输入级PMOS晶体管的衬底偏置电压低于衬底电压，以减小阈值电压.输入级的公共输出节点电压等于连接PMOS M4A-M4B晶体管的栅极电压，由于该种配置消除了共模反馈电路(CMFB)，为了避免额外的制造步骤，OTA中NMOS晶体管的所有衬底连接到地.第二级放大器的交叉耦合(M6A-M6B，M8A-M8B)配置与第一级放大器的交叉耦合配置类似.M8A-M8B衬底连接为正反馈模式，作为共源放大器.总输出级跨导等于输出级PMOS M7A-M7B晶体管的跨导乘以交叉耦合共源结构的增益AVCF，这有助于增强增益，并可保持右半复平面(RHP)零点处于较高频率，以提高相位裕量.交叉耦合共源结构的增益为(1)式中，gmK、gmbK和gdsK为第K个晶体管的栅极跨导、衬底跨导及漏极电导.图1所示电路中，晶体管MKA的所有参数等于晶体管MKB.图1 米勒补偿的二级伪运算跨导放大器电路图Fig.1 Circuit diagram of two-stage pseudo-OTA with Miller compensation差分模式下伪运算跨导放大器的总增益为(2)(3)gmⅡ=gm5+(gm7+gmb7)·(4)1.2 共模放大器对于全差分放大器，其需要共模反馈将输出节点稳定到所需的值，一般等于中间电源电压.这里二极管连接MOS放置在输入和输出级，设置共模电压等于中间电容值.二极管连接的MOS栅极电压等于共模电压，施加的差分信号的输入和输出跨导是单独的MOS跨导的总和.输入有效跨导gmⅠC和输出有效跨导gmⅡC及共模增益AVCM表示为(5)gmⅡC=gm5-(gm7+gmb7)·(6)(7)1.3 频率补偿米勒补偿是一种用来补偿两级放大器的技术，使用该技术可以在分裂极点的两个高阻抗节点之间插入补偿电容.由于从输入级到节点的前馈将产生正零点，这降低了相位裕量.本文所提出的运算跨导放大器使用米勒补偿技术来使放大器稳定，这里通过使零点保持在较高频率实现期望的相位裕量.第二级放大器需要较大的跨导，其由正反馈交叉耦合配置得到增强.米勒补偿运算跨导放大器的极点和零点分别为(8)Pnd(9)(10)式中：R1、R2为输入和输出级的输出电阻；Pd、Pnd为主极点和非主极点；PZ 为RHP零点.图1中经过米勒补偿的OTA单位增益频率为(11)2 模拟结果2.1 基本特性本文所提出的OTA基于Cadence Virtuoso环境设计，使用UMC 0.18 μm数字CMOS技术进行模拟.为了观察OTA的开环增益和相位性能，设置负载电容(CL)为5 pF来对放大器电路进行模拟.放大器的频率特性模拟结果如图2所示，可以看出，OTA增益为88 dB，单位增益频率为35 kHz，相位裕量为62°.图3显示了共模和电源抑制响应特性.由图3可以得出，放大器的共模抑制比(CMRR)约为94.5 dB，因为在第二级配置中的正反馈用作共模信号的负反馈，这导致在输出节点处共模增益较小，所提出的OTA对共模和电源信号不敏感.伪差分OTA的输入参考噪声特性如图4所示，OTA的噪声特性主要取决于输入级跨导，其输入级跨导是常规差分配置放大器的两倍，噪声抑制效果较好.图5显示了负载电容(CL)为5 pF，电源电压为0.5 V时，本文所提出的伪OTA大信号脉冲响应.当误差为0.1%和0.01%时，建立时间分别为40 μs和160 μs.图2 频率特性模拟结果Fig.2 Simulation results of frequency characteristics图3 共模和电源抑制响应模拟结果Fig.3 Simulation results of common mode and power supply rejection response图4 输入噪声响应特性模拟结果Fig.4 Simulation results of input noise response characteristics图6为本文所提出的OTA在单位反馈增益模式下的共模范围特性.当输入电压为0.1～0.4 V时，其具有线性范围，完全可以满足低频应用.图5 单位增益模式下大信号脉冲响应模拟结果Fig.5 Simulation resultsof large signal impulse response under unity gain mode图6 单位增益模式下输入共模范围模拟结果Fig.6 Simulation results of input common-mode range under unity gain mode2.2 性能比较表1对几种OTA的主要参数进行了对比，FOM1表示单位增益品质因数，FOM2表示转换速率品质因数.由表1可知，本文所提出的放大器在增益、噪声、单位增益频率(UGF)和电源抑制比(PSRR)方面均显示出更优的性能，品质因数(FOM)也高于其他OTA.其中，电源电压为0.5 V，FOM1和FOM2分别为109、231，均为其他OTA的两倍以上.另外，直流增益高达88 dB，而功耗仅为0.08 μW，远远低于其他OTA功耗.3 结论本文提出了一种低电压低功耗CMOS伪差分两级运算跨导放大器(OTA)，该放大器基于AB类拓扑结构，其中输入馈送到输入晶体管.为了避免低增益问题，在第二级放大器中采用正反馈技术提高了OTA的增益和稳定性，同时获得较小的电流及较大的跨导.与之前文献所提出的OTA相比，本文提出的OTA显示出更好的品质因数(FOM1和FOM2).同时，文中使用5 pF负载电容和0.5 V电源电压对OTA进行模拟，模拟结果显示，本文提出的OTA在35 kHz的单位增益频率下直流增益高达88 dB，相位裕量为62°.此外，输入参考噪声特性模拟结果显示，该OTA在低频下具有更好的闪烁噪声性能，且在1 kHz下的输入参考噪声有益于在生物医学中应用.该OTA在0.5 V电源电压下功耗为0.08 μW，远小于文献中其他OTA的功耗.表1 伪OTA与其他文献中的OTA模拟仿真结果对比Tab.1 Comparison in simulation results of pseudo-OTA and OTA in other literatures方法电源电压VCMOS技术直流开环增益dBUGFMHz相位裕量(°)压摆率(+/-)(V·μs-1)输入噪声(μV·Hz-1/2)CMRRdB本文0.50.18μm(双阱)88.0 0.035620.074/-0.0870.150(@1kHz)94.5(@1Hz)文献[9]0.550nm74.04.800493.4000.059(@1MHz)106.0(@5kHz)文献[5]1.0SOI45nm55.9656.00061500.000-63.0(@10kHz)文献[11]0.80.18μm(双阱)51.00.04065 0.1200.057(@1MHz)65.0(@1Hz)方法PSRR+dBPSRR-dB稳定时间μs负载电容pF总电流μA功耗μWFOM1FOM2本文84.5(@1Hz)110.5(@1Hz)160(0.01%)5.0 0.16 0.08109.0231.0文献[9]81.0(@5kHz)-0.53(0.1%)20.0200.00100.0048.034.0文献[5]60.0-0.07(1.0%)0.3620.00620.0031.724.2文献[11]---10.01.251.0032.096.0参考文献(References)：【相关文献】[1] Ragheb A N，Kim H W.Ultra-low power OTA based on bias recycling and subthreshold operation with phase margin enhancement [J].Microelectronics Journal，2017，47(3)：94-101.[2] Wang H J，Wang C H，He H Z，et al.A low-power voltage reference source based on sub threshold MOSFETs [J].Microelectronics Journal，2011，41(5)：654-657.[3] 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设计高性能低功耗的数字电路
设计高性能低功耗的数字电路一、引言数字电路的发展已经非常成熟，任何计算机或者电子设备都需要数字电路的支持。
因为数字电路能够高效的进行数字信号的传递、处理和解码。
但是有时候，数字电路的性能和功耗会成为设备设计中的瓶颈。
如何设计高性能低功耗的数字电路，一直都是电子工程师需要思考和解决的问题。
二、数字电路的基础数字电路是由逻辑门和存储元件组成的。
逻辑门是指用于实现逻辑运算的电路，比如与门、或门、非门等等，存储元件是指用于存储数字状态的器件，比如触发器和寄存器等。
数字电路的性能通常是由以下几个方面来衡量的：1. 延迟时间：指从数字信号进入电路到其输出出现稳定数字信号的时间。
2. 时钟频率：指数字电路在单位时间内能完成的指令或操作的数量。
3. 功耗：指数字电路在工作过程中消耗的功率。
三、设计高性能数字电路的方法1. 采用高速器件：高速器件的特点是响应时间短、传输速度快、时钟频率高，因此非常适合用来设计高性能数字电路。
比如高速CMOS器件、高速Gallium Arsenide器件等。
2. 采用多级逻辑设计：多级逻辑设计能够避免数字信号直接传输过长距离，从而降低延迟时间和功耗。
此外，多级逻辑设计还可以以更小的代价实现更复杂的功能（串行传输、并行运算等等）。
3. 采用低功耗设计技术：低功耗设计技术主要包括了几个方面：低功耗CMOS、功率管理和深度睡眠技术。
其中低功耗CMOS主要包括了设定速度、动态电压调整和批处理技术等。
低功耗CMOS技术是将高速CMOS芯片的工作速度减缓，同时使用一些优化电路设计的方法来降低功耗。
这样做的同时也会影响到信号处理速度和响应时间。
因此需要根据设计的需要，合理取舍。
功率管理是一种动态调整电路功率的技术，它能够对电路的状态进行控制，使得芯片能够在不同的工作模式下运行。
通过功率管理技术，我们可以在减少功耗的同时保证芯片输出的高质量数据。
深度睡眠技术是在芯片处于不工作状态时，以极低的功耗保持芯片状态。
一种低功耗运算放大器电路的抗辐照设计
一种低功耗运算放大器电路的抗辐照设计作者：郑直来源：《电子技术与软件工程》2017年第15期摘要：本文设计了一款低功耗放大器，整个放大器分为差分输入级、中间增益级、缓冲输出级以及偏置电路四部分。
采用SOI工艺制作，提高了放大器的抗辐照能力。
经流片测试，静态电源电流为0.8mA，输入失调电压为-0.9mV，输入失调电流为0.9nA。
【关键词】放大器低功耗抗辐照 SOI工艺随着个人通讯的迅速发展，尤其是笔记本电脑、移动通信等便携式设计的广泛使用，低功耗成为电子产品，尤其是便携式电子产品的主要竞争指标。
运算放大器作为集成电路中最基本单元，其性能高低往往决定整个系统的表现。
另一方而，当今军事的竞争日趋激烈，集成电路在军事中也得到了越来越多的应用。
军事领域中恶劣环境对集成电路提出了严苛的要求。
在外太空以及核爆炸等恶劣环境下产生的辐照对集成电路有显著的影响，导致集成电路的性能严重下降甚至功能丧失。
如何提高集成电路以及其核心单元运算放大器的抗辐照能力，成为了迫切的需要。
本文设计的低功耗放大器，放大部分分为差分输入级、中问增益级、缓冲输出级三个部分，偏置电路为整个系统提供偏置。
通过线路与版图的优化设计，降低了放大器的功耗。
采用SOI工艺，有效的提高了抗辐照能力。
1 电路设计本文设计的低功耗放大器从功能上可以划分为差分输入级、中问增益级、缓冲输出级以及偏置电路四部分。
外部微弱信号经差分输入级进行初级放大，放大后的信号经过中问增益级进行电平转换以及进一步增大，最终放大后的信号经过缓冲输出级进行互补推挽输出。
图1为低功耗放大器结构原理图，其中Q2与Q3组成输入级差分对，在提供增益的同时提高共模抑制比，降低输入级失调电压。
Ql0、Q11作用为跟随器，提供了良好的输入信号隔离。
012为中问放大级，对初级放大信号进行进一步放大，增益可达60dB。
其支路上的电流源为增益级提供偏置电流，并可作为Q12的负载，以得到尽量高的负载电阻，从而提高电压增益。
数字电路低功耗设计
数字电路低功耗设计数字电路是现代电子设备中的重要组成部分，其功耗的控制对于延长设备的续航时间、提高设备性能以及降低散热压力都具有至关重要的意义。
本文将介绍数字电路低功耗设计的相关内容，包括技术原理、优化方法和实践指导。
一、技术原理1.1 时钟频率控制时钟频率是数字电路中最主要的功耗来源之一，通过降低时钟频率可以有效减少功耗。
在设计数字电路时，应合理选择合适的时钟频率，并结合实际需求进行调整。
可以采用动态时钟频率调整技术，根据电路负载情况自适应地调整时钟频率，以实现在不损失性能的前提下降低功耗。
1.2 算法优化在数字电路设计中，算法的优化也是降低功耗的重要手段之一。
通过优化算法、改变数据处理方式等方法，可以减少电路的计算量和数据传输量，从而降低功耗。
例如，可以使用更高效的算法代替传统算法，减少计算步骤和数据冗余，提高电路的运算效率。
1.3 电源管理合理的电源管理对于数字电路的低功耗设计至关重要。
可以采用多电源供电技术，为不同模块提供不同的供电电压和电流，以满足不同模块的功耗需求。
另外，利用睡眠模式和唤醒机制也可以实现电路在不同工作状态下的功耗优化。
二、优化方法2.1 逻辑综合和布局布线优化在数字电路的实际设计过程中，采用合理的逻辑综合和布局布线方法可以达到低功耗的目的。
逻辑综合阶段可以通过综合工具对逻辑电路进行优化，减少门级数目、减少逻辑层次，从而减少功耗。
在布局布线阶段，可以进行电源线与信号线的合理布局，以降低功耗和信号干扰。
2.2 时钟网络优化时钟网络对数字电路的功耗影响明显，因此时钟树的优化也是低功耗设计中的重要环节。
通过对时钟信号的路径和布线进行优化，可以减少时钟延迟和功耗。
此外，还可以采用局部时钟网格布线技术，有效减少时钟传输路径的长度，降低电路的功耗。
2.3 选择合适的存储器存储器在数字电路中占据较大的比例，其功耗也相对较高。
因此，在低功耗设计中选择合适的存储器是非常重要的。
可以选择低功耗的存储器类型，例如低功耗SRAM、快速闪存等，同时合理设计存储器的访问方式和结构，以减少功耗。
五种运算电路的特点及性能
五种运算电路的特点及性能五种运算电路的特点及性能运算电路是一种用于实现数字信号处理的电路，它可以实现数据的输入、处理和输出，是计算机的核心部件。
运算电路的特点及性能是计算机系统的重要指标，它们决定了计算机系统的性能和可靠性。
本文将介绍五种运算电路的特点及性能，包括：算术逻辑单元（ALU）、控制器（Controller）、存储器（Memory）、输入/输出（I/O）和处理器（Processor）。
算术逻辑单元（ALU）是计算机系统中最重要的运算电路，它是计算机系统的核心部件，负责实现数据的计算和逻辑运算。
ALU的特点是具有高速、高效率、低功耗和可靠性高的特点，它可以实现复杂的数学运算，如加减乘除、比较、移位等。
控制器（Controller）是计算机系统中的一种运算电路，它负责控制计算机系统的运行，实现计算机系统的指令控制。
控制器的特点是具有高速、高效率、低功耗和可靠性高的特点，它可以实现复杂的指令控制，如指令解释、指令编码、指令执行等。
存储器（Memory）是计算机系统中的一种运算电路，它负责存储计算机系统中的数据和指令，实现计算机系统的数据存储和指令执行。
存储器的特点是具有高容量、高速度、低功耗和可靠性高的特点，它可以实现大量数据的存储和快速访问，如内存、硬盘、闪存等。
输入/输出（I/O）是计算机系统中的一种运算电路，它负责实现计算机系统的数据输入和输出，实现计算机系统的数据传输和处理。
I/O的特点是具有高速、高效率、低功耗和可靠性高的特点，它可以实现复杂的数据传输和处理，如串口、并口、USB等。
处理器（Processor）是计算机系统中的一种运算电路，它负责实现计算机系统的数据处理和控制，实现计算机系统的数据处理和控制。
处理器的特点是具有高速、高效率、低功耗和可靠性高的特点，它可以实现复杂的数据处理和控制，如指令解释、指令编码、指令执行等。
以上就是五种运算电路的特点及性能，它们是计算机系统的核心部件，负责实现计算机系统的数据输入、处理和输出，是计算机系统的重要指标，它们决定了计算机系统的性能和可靠性。
低功耗和高性能集成电路的设计方法与优化
低功耗和高性能集成电路的设计方法与优化低功耗和高性能集成电路的设计方法与优化随着科技的不断发展，集成电路的应用范围越来越广泛，从智能手机到云计算，从物联网到人工智能，都离不开高性能和低功耗的集成电路。
因此，设计低功耗和高性能的集成电路成为了电子工程师的重要任务之一。
本文将介绍一些常见的设计方法和优化技术，帮助读者更好地理解和应用于实际设计中。
首先，我们来介绍一些常见的低功耗设计方法。
低功耗设计的目标是在满足性能要求的前提下，尽量减少功耗。
以下是一些常见的低功耗设计方法：1. 时钟门控：通过控制时钟信号的开关，可以在需要时打开电路，不需要时关闭电路，从而减少功耗。
2. 电源管理：采用适当的电源管理技术，如电压调节器、睡眠模式等，可以在不需要时降低电路的供电电压和频率，从而减少功耗。
3. 功耗优化电路：通过优化电路结构和逻辑设计，减少功耗。
例如，采用低功耗逻辑门、低功耗时钟电路等。
4. 优化数据传输：采用合适的数据传输方式，如串行传输、差分传输等，可以减少功耗。
接下来，我们来介绍一些常见的高性能设计方法。
高性能设计的目标是在满足功耗要求的前提下，提高电路的运行速度和性能。
以下是一些常见的高性能设计方法：1. 优化时钟频率：通过优化时钟信号的频率和相位，可以提高电路的运行速度。
例如，采用高速时钟发生器、时钟缓冲器等。
2. 优化电路结构：通过优化电路的结构和布局，减少信号传输路径的长度和延迟，从而提高电路的性能。
例如，采用合适的布线规则、缓冲器等。
3. 并行处理：通过采用并行处理技术，将任务分解为多个子任务并行处理，可以提高电路的运算速度和性能。
4. 优化算法：通过优化算法和逻辑设计，减少电路的延迟和功耗。
例如，采用合适的算法和数据结构，减少冗余计算和存储。
除了上述的设计方法外，还有一些常见的优化技术可以同时提高功耗和性能。
例如，采用低功耗的工艺制程、优化功耗和性能的权衡等。
此外，还可以通过仿真和优化工具，如SPICE、Cadence等，进行电路的仿真和优化，以实现更好的功耗和性能。
电源电路低功耗
电源电路低功耗全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：电源电路是电子设备中至关重要的组成部分，它负责将电源输入转换为适合设备使用的稳定电压和电流输出。
随着科技的发展，人们对电子设备的要求也越来越高，其中之一就是低功耗。
低功耗的电源电路能够在提供足够的电能的尽可能减少能量的浪费，从而在一定程度上节约资源，减少对环境的影响。
设计和制造低功耗的电源电路已经成为当今电子工程师们面临的一个重要挑战。
低功耗的电源电路设计需要考虑多个方面的因素，包括但不限于以下几点：首先是效率。
一个高效的电源电路能够将输入电能转换为稳定的输出电能，并且尽可能减少能量的损耗。
常见的提高效率的方法包括选择高效的电子元件、合理设计布局以减少线损、降低开关损耗等。
其次是稳定性。
稳定的输出电压对于电子设备的正常运行至关重要。
在设计电源电路时，需要考虑如何提高输出电压的稳定性，避免因输入电压变化或负载变化导致输出电压波动较大，从而造成电子设备性能下降或无法正常工作。
另外是功耗控制。
功耗控制是低功耗电源电路设计的核心。
通过合理选择电路组件和控制电路的工作模式，可以有效减少电路的功耗。
一般而言，功耗控制的方法包括待机功耗的控制、动态功耗的控制等。
1. 节能型开关电源技术。
采用高效率、低功耗的开关电源器件，如集成开关器件、MOSFET等，通过快速切换的方式将输入电源转换为输出电源，以提高转换效率，降低能量损耗。
2. 电源管理技术。
通过对电源电路中各部分的监控和管理，根据实际的工作需求动态调整电源的工作模式，避免不必要的能量浪费，提高整体的能源利用效率。
3. 节能型控制技术。
通过对电源电路的控制电路进行优化设计，减少控制器本身的功耗，减少待机功耗，并在负载变动时快速响应，保证输出电压的稳定性。
4. 低功耗电子元件。
随着科技的不断进步，新型的低功耗电子元件也在不断涌现，如功率MOSFET、高效率转换器、低功耗集成电路等，这些元件的应用可以有效降低电路的功耗。
一种低功耗16-bit双向进位加法器设计
中图分类号 ：Ｐ ３ Ｔ ３１ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０ ９— ５ ２ ２ １ ） ６— ０ ９— ４ １０ ２５ （ ０ ０ ０ ０ ７ ０
一
种 低 功 耗 １ 一ｉ双 向进 位 加 法 器 设 计 ｂｔ ６
廖 春和 ，蒋 剑 飞
（ 上海交通大学微 电子学院 ，上海 ２ ０４ ） ０ ２ ０
向或 者逆 向进 位 的选 择 ， 改进 了功 耗 、 积 、 动能 面 驱 力 等方 面的性 能 。
１ 传 统 双 向进 位 加 法器 分 析
传统 的双 向进 位加 法器 结构 如图 １ 示 ， 中 ， 所 其 组成 单元 Ｆ Ａ通 常 由两 个全 加 器组 成 或者 由一个 包 含两 条进位 路径 的全 加 器 组 成 ， 因此 ， 在功 耗 、 积 面 上 的开销都 比单 向加法 器要大 很多 。
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双逻辑低功耗运算电路设计分析
作者：陈艳
来源：《无线互联科技》2015年第06期
摘要：主要研究双逻辑低功耗运算电路设计，采用了函数逻辑立方体表示技术，进行了双模式的逻辑侦测与划分，并进行了RM逻辑面积优化。
双逻辑低功耗运算电路设计是当前集成电路设计研究工作的重点内容，对降低运算电路功耗效果显著。
关键词：双逻辑；低功耗；运算电路
集成电路技术不断发展，工艺水平不断提升，集成电路设计工作面临着功耗、面积、速度、验证等方面的挑战，功耗与面积问题最为突出。
双逻辑低功耗运算电路是近些年出现的一种集成电路设计方法，是一种性能高，功耗小的逻辑综合技术。
1 逻辑函数的立方体表示方法
集成电路设计中，逻辑级通常都认为是联接RTL级和物理级的关键环节，有着最为成熟的EDA工作，而在逻辑函数综合优化过程中，逻辑函数优化是非常关键的问题，采用优化的函数表达式能够得到优化更加充分的逻辑电路。
现阶段，几乎全部EDAT具均采用
AND/OR/NOT运算基传统布尔逻辑，也就是意味着现有EDAI具将无法实现基于RM逻辑实现的函数优化，而适用于TB逻辑实现的逻辑函数采用RM逻辑也不能实现函数最优化。
现阶段关于双逻辑综合优化的研究还刚刚起步，发展基于双逻辑优化的逻辑电路综合与功耗优化技术是当前集成电路设计方面的研究重点。
人们经常采用立方体表示集成电路设计中的逻辑函数。
对于单输出函数立方体，相交运算是在公共顶点形成的立方体，没有公共顶点表示相互之间不相交。
相交运算中输入变量结果存在“q”表示立方体之间不相交，如果输出部分有相交结果，但是输出部分无相交结果，说明出现了输入相同，输出不同的情况，表示两个立方体之间不一致，采用立方体表示函数，立方体之间必须存在一致性。
RM逻辑是一种AND＼XOR运算组成的代数系统，RM逻辑函数大致可分为固定极性、混合极性两种，RM函数综合优化大多都从极性转化开始。
固定急性下，逻辑函数变量需要采用原变量或者反变量的方式出现，也可以不出现，每个变量都有两种出现形式，其固有极性表达式如下：
该逻辑函数中的变量与极性之间存在着明显的对应关系，Ji表示变量是否需要在乘积项中出现。
对于不同极性，逻辑函数表达形式之间存在着极大的不同，采用极性转换算法进行极性搜索能够获得最简表达形式下的极性，也即最佳极性。
对于混合极性RM函数中，变量原变量与反变量形式可在同一个函数表达形式中出现，这是与固定极性RM函数最大的区别。
混合极性因此有3”个极性，其由于全部固定极性下的表达式在混合极性情况下都能够准确获得，所以混合极性下的极性搜索更加简单，但是优化过程却比较复杂，然而在混合极性函数下，需要两个乘积项即可，相比固定极性更加简便。
进行RM函数优化时，要尽可能减少函数式中包含的乘积项目数量，如果乘积项目数量相同，函数式中个数尽量减少。
RM逻辑下的乘积项为异或运算关系，乘积项目个数越多，表示消耗异或和与门越多，文字数增加会导致电路内部节点增加，导致电路面积增加。
逻辑函数也可以采用PLA格式表示，集成电路的综合自动化领域相当多技术都基于PLA 格式。
PLA文件的“.”开头用于描述电路基本信息，前两行表示电路输出输入个数，第三行第四行负责说明电路输入与输出信号对应端口。
第五行表示电路乘积项个数，中间部分表示电路输入信号与输出信号之间的对应关系，左边是输入，右边是输出。
2 逻辑探测与划分
2.1 逻辑划分算法
逻辑函数能够应用传统布尔逻辑实现，同样可以应用RM逻辑实现，但是当前大多数研究都采用单一逻辑结构，但是相关研究显示采用双逻辑优化能够获得最优性能，逻辑函数要实现双逻辑，需要划分逻辑为两部分，分别用于实现传统布尔逻辑实现和RM逻辑实现。
在现有逻辑探测划分方法方面的研究还比较少，比较有代表性的是Ye的基于最简项的双逻辑实现探测算法，。
这种算法不需要转换逻辑函数为最小项，有效解决了其他方法在大规模电路上应用比较困难的问题，但是Ye的算法前提条件要求比较苛刻，即需要将函数转变为最简形式，而这对于逻辑电路来说本来就十分困难，并且还存在着漏判的情况。
除了Ye的算法，Fei Sun提出额定基于二分图的逻辑探测算法，这种算法面临着函数变量展开顺序不同对探测结果的影响，在大规模电路中的应用同样存在着一定的局限性。
2.2 生成不相交项
探测过程中其实已经找出了RM逻辑的实现部分，所以探测工作和划分工作其实可是实现适当整合。
不相交锐积运算和锐积运算相似，但是不相交锐积运算要求结果立方体之间不能相交，每一个顶点都能够被一个立方体包含一次。
锐积运算逻辑函数提出的算法在不改变原有函数逻辑意义的前提下，转换函数中的乘积项为两两不相交形式，结果函数有6个乘积项和12个最小项，个数减少了1/2，最小项表示法作为不相交项表示法的—种形式，其自身也同样两两不相交，存在着异或、或运算等效性，在运算空间、速度等方面都有着一定优势。
3 RM逻辑面积优化
RM逻辑函数有多种不同表现形式，主要有固定极性、混合极性两类，分别有2”和3”个混合极性与固定极性，并且全部固定极性表达式都包含在混合极性表达式中，所以，优化固定极性函数的空间大于混合极性函数。
极性变化优化是RM逻辑函数优化是最常见的方法，基于不相交项列表极性转换方法无需将原始逻辑优化为最简式，减少了极性转换过程的乘法运算数量，通过极性搜索获得函数最佳极性，从而实现逻辑函数优化。
基于最小项的MPRM列表极性转换法不仅能够用于传统Boolean逻辑函数，同样可以表示MPRM逻辑，单输出逻辑函数采用（in-lin-2…i0）作为乘积项下标二进制表示，多输出逻辑函数单个输出函数对应的输入输出值并相同，需要分别表示各个输出函数。
不同极性下的MPRM逻辑函数表达形式不同，极性变换优化逻辑函数是一种有效的优化方法，而基于最小项混合极性列表法则首先自动转变函数逻辑表达式为最小项形式，之后进行极性转换，但是对于输入变量个数较大的电路，算法时间复杂度很大，采用基于不相交项的混合极性列表换算算法比较合理。
4 结语
逻辑层是连接RTL和物理级的关键层面，进行逻辑综合优化是集成电路设计工作中非常关键的环节，考虑到数字集成电路结构多样性，文章采用了基于双逻辑的功耗与面积优化技术进行功耗优化，效果很好。