CMOS大规模集成电路
集成电路原理课件-cmos

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微电子学
• 微电子技术是电子计算机和通信的核心技术 • 微电子技术的核心是集成电路(Integrated Circuit, IC) 技术 • 微电子学是电子学的一门分支,主要研究电子或离 子在固体材料中的运动规律及其应用 • 微电子学是以实现电路和系统的集成为目的,研究 如何利用半导体的微观特性以及一些特殊工艺,在 一块半导体芯片上制作大量的器件,从而在一个微 小面积中制造出复杂的电子系统。
I
D
dx
V 0
WC
ox
n [VGS V ( x) VTH ]dV
I/V特性的推导(3)
W 1 2 I D = nCox [(VGS - VTH )VDS - VDS ] (2.8) L 2 W VGS - VTH 称为过驱动电压; 称为宽长比 L 三极管区(线性区)
每条曲线在VDS=VGS-VTH时取最 大值,且大小为:
CGD CGS
WLCOX WCOv 2
CGB可以忽略不计
CSB = CDB =
WE源极Cj (1 VSB /B ) WE漏极Cj (1 VDB /B )
mj mj
源极周长 C jsw (1 VSB /B )
m jsw
漏极周长 C jsw (1 VDB/B )
MOS器件电容
栅源、栅漏、栅衬电容与VGS关系
1) VGS < VTH截止区
CGD CGS WCOv
CGB W 2 L2 COX q si N sub / 4 F WLCOX Cd = 其中Cd=WL q si N sub / 4 F WLCOX Cd WLCOX WL q si N sub / 4 F
什么是CMOS与BIOS?又有什么区别?

什么是CMOS与BIOS?又有什么区别?很多学习半导体技术的人弄不清CMOS与BIOS之间的联系与区别,容易误认为两个表达的是一个东西,其实不然,两者有关联却不相同。
什么是CMOS与BIOS?CMOS又被称作互补金属氧化物半导体,电压控制的一种放大器件,是组成CMOS数字集成电路的基本单元。
在计算机领域,CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。
有时人们会把CMOS和BIOS混称,其实CMOS是主板上的一块可读写的并行或串行FLASH芯片,是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。
在今日,CMOS制造工艺也被应用于制作数码影像器材的感光元件,尤其是片幅规格较大的单反数码相机。
BIOS是就是基本输入输出系统。
在IBM PC兼容系统上,是一种业界标准的固件接口。
BIOS这个字眼是在1975年第一次由CP/M操作系统中出现。
BIOS是个人电脑启动时加载的第一个软件。
其实,它是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序,它保存着计算机最重要的基本输入输出的程序、开机后自检程序和系统自启动程序,它可从CMOS中读写系统设置的具体信息。
其主要功能是为计算机提供最底层的、最直接的硬件设置和控制。
此外,BIOS还向作业系统提供一些系统参数。
系统硬件的变化是由BIOS隐藏,程序使用BIOS功能而不是直接控制硬件。
现代作业系统会忽略BIOS提供的抽象层并直接控制硬件组件。
CMOS与BIOS的关联与区别BIOS是软件、程序; CMOS是芯片、硬件; 通过BIOS程序,可以设置CMOS里的参数; CMOS是一块芯片,在主板上,保存着重要的开机参数,会用CMOS纽扣电池来维持电量; CMOS里存放参数,通过程序把设置好的参数写入CMOS去设置它。
BIOS是电脑中最基础的而又最重要的程序。
把这段程序放在不需要供电的记忆体(芯片)BIOS中;它为计算机提供最底层的、最直接的硬件控制,计算机的原始操作都是依照固化。
计算机CMOS名词解释

计算机CMOS名词解释CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),即互补金属氧化物半导体,是一种由晶体管、电容器、变压器、电阻器等组成的小型集成电路,通常用来在电子设备中存储信息。
CMOS具有很多优点,如低功耗、高效率、尺寸小、易于操作等,因此在很多领域中都有广泛的应用。
CMOS的工作原理是将一种元件与另一种元件相结合,形成一组“互补”的元件,这样就可以使用较少的电路元件以更高的效率实现相同的功能。
CMOS由N型晶体管(N-channel MOSFET)和P型晶体管(P-channel MOSFET)组成。
N型晶体管由N沟道电极、P型沟道电极和MOS结构组成,其中P沟道电极是由金属氧化物层制成,具有很好的电学性能。
P型晶体管由P沟道电极、N沟道电极和MOS结构组成,其中N沟道电极也是由金属氧化物层制成的。
N型晶体管和P型晶体管之间的工作方式是,当电极上施加电压时,N型晶体管会打开沟道,使电流流动;当电极上施加电压时,P型晶体管会关闭沟道,使电流不流动。
CMOS可以用来实现计算机存储器的功能,例如RAM (随机存取存储器)、ROM(只读存储器)等。
CMOS也可以用来实现各种电路,例如放大电路、滤波电路、比较电路等。
CMOS有一些特殊应用,如用于制作温度传感器和光传感器等。
CMOS的芯片厚度非常薄,可以用于制作超薄的芯片,从而实现芯片小巧、精细以及其他特殊功能。
此外,CMOS也可以用来实现较大规模的集成电路,例如微处理器、微控制器、数据转换器等,由于CMOS具有低功耗、高效率等优点,可以极大地降低电子设备的功耗。
总之,CMOS是一种多功能的电子元件,可以用来实现各种电子设备的功能,其具有低功耗、高效率、尺寸小、易于操作等优点,因此在很多领域中都有广泛的应用。
ICL7107功能与特点

(1) 31/2位双积分型A/D转换器ICL7107功能与特点① ICL7107是31/2位双积分型A/D转换器,属于CMoS大规模集成电路,它的最大显示值为士1999,最小分辨率为100uV,转换精度为0.05士1 个字。
②能直接驱动共阳极LED数码管,不需要另加驱动器件,使整机线路简化,采用士5V两组电源供电,并将第21脚的GND接第30脚的IN 。
③在芯片内部从V+与COM之间有一个稳定性很高的2.8V基准电源,通过电阻分压器可获得所需的基准电压VREF 。
④能通过内部的模拟开关实现自动调零和自动极性显示功能。
⑤输入阻抗高,对输入信号无衰减作用。
⑥整机组装方便,无需外加有源器件,配上电阻、电容和LED共阳极数码管,就能构成一只直流数字电压表头。
⑦噪音低,温漂小,具有良好的可靠性,寿命长。
⑧芯片本身功耗小于15mw(不包括LED)。
⑨不设有一专门的小数点驱动信号。
使用时可将LED共阳极数数码管公共阳极接V+.⑩可以方便的进行功能检查。
图1 ICL7107的引脚图及典型电路。
(2) ICL7107引脚功能及主要电气参数V+和V-分别为电源的正极和负极,au-gu,aT-gT,aH-gH:分别为个位、十位、百位笔画的驱动信号,依次接个位、十位、百位LED显示器的相应笔画电极。
Bck:千位笔画驱动信号。
接千位LEO显示器的相应的笔画电极。
PM:液晶显示器背面公共电极的驱动端,简称背电极。
Oscl-OSc3 :时钟振荡器的引出端,外接阻容或石英晶体组成的振荡器。
第38脚至第40脚电容量的选择是根据下列公式来决定:Fosl = 0.45/RCCOM :模拟信号公共端,简称“模拟地”,使用时一般与输入信号的负端以及基准电压的负极相连。
TEST :测试端,该端经过500欧姆电阻接至逻辑电路的公共地,故也称“逻辑地”或“数字地”。
VREF+VREF- :基准电压正负端。
CREF:外接基准电容端。
INT:27是一个积分电容器,必须选择温度系数小不致使积分器的输入电压产生漂移现象的元件IN+和IN- :模拟量输入端,分别接输入信号的正端和负端。
常见的集成电路工艺

常见的集成电路工艺常见的集成电路工艺集成电路技术是现代电子技术和信息技术的重要支柱,是电子信息产业的基础和核心。
作为集成电路技术中的一个重要领域,集成电路工艺直接决定了集成电路的质量和性能。
在当前的电子行业中,常见的集成电路工艺主要有以下几种。
一、晶体管工艺晶体管工艺是最常见的一种集成电路工艺,用于生产流行的数字电路、微控制器和存储器等各种芯片。
这种工艺的主要特点是生产成本相对较低,性能稳定,被广泛应用于工业、民用和军事领域。
二、互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺是现代集成电路工艺的主流技术之一。
相比较于传统的晶体管工艺,CMOS工艺在功耗、集成度、速度和可靠性上都有显著提高。
此外,CMOS工艺也是大规模集成电路(VLSI)制造的主要工艺之一。
三、硅片上封装(SOP)工艺硅片上封装(SOP)工艺是一种先进的微电子封装技术。
它通过使用多种先进的制程技术将芯片直接封装在硅片内部,实现更高的可靠性和更小的尺寸。
此外,SOP工艺还可以降低封装成本,提高生产效率和产品质量。
四、多晶硅薄膜晶体管(TFT)工艺多晶硅薄膜晶体管(TFT)工艺是一种针对液晶显示器(LCD)和有机光电显示器(OLED)等特殊领域的集成电路工艺。
TFT工艺以其高分辨率、高色彩准确度和低功耗的特点,是目前最为成熟的LCD面板制造技术之一。
五、混合集成电路工艺混合集成电路工艺依托各种传统的集成电路工艺,将各种芯片组合在一起,形成新的功能强大的混合集成电路。
这种工艺是制造各种复杂芯片的主要方式之一,被广泛应用于通信、无线、声音、视频、网络处理、雷达等领域。
总而言之,现在各种集成电路工艺层出不穷,每一种工艺都有其特殊的优势和应用场景。
对于电子产品制造企业来说,选择正确的集成电路工艺将直接影响到产品的性能和质量,因此,必须在选型时考虑到产品的实际需要和预算等因素。
cmos管的工作原理

cmos管的工作原理CMOS管(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),也称为互补型金属氧化物半导体场效应管,是一种非常重要的半导体器件,广泛应用于集成电路中。
CMOS管的工作原理是基于场效应和PN结的特性。
CMOS管由P型和N型半导体材料组成,其中P型半导体称为PMOS 管,N型半导体称为NMOS管。
PMOS管和NMOS管是互补型的,它们的工作原理正好相反。
在CMOS电路中,通常同时使用PMOS管和NMOS管,以实现高效的功耗控制和高集成度。
我们先来看PMOS管的工作原理。
当PMOS管的栅极电压为低电平(0V)时,PMOS管导通,使得漏极和源极之间形成通路,电流可以从漏极流向源极。
而当PMOS管的栅极电压为高电平(正电压)时,PMOS管截止,形成一个断路,电流无法流动。
这是因为PMOS管的栅极与漏极之间的PN结反偏,使得漏极和源极之间的通路被截断。
因此,PMOS管可以根据栅极电压的高低来控制电流的通断。
接下来,我们再来看NMOS管的工作原理。
与PMOS管相反,当NMOS 管的栅极电压为高电平时,NMOS管导通,使得漏极和源极之间形成通路,电流可以从源极流向漏极。
而当NMOS管的栅极电压为低电平时,NMOS管截止,形成一个断路,电流无法流动。
这是因为NMOS 管的栅极与漏极之间的PN结正偏,形成了一个导电的通道。
因此,NMOS管也是根据栅极电压的高低来控制电流的通断。
通过对PMOS管和NMOS管的交替使用,CMOS电路可以实现高效的功耗控制。
当需要通电时,只需给对应的管子的栅极施加高电平,而其他管子的栅极保持低电平,以达到节能的目的。
由于CMOS电路只有在切换状态时才会消耗能量,因此在静态状态下功耗非常低,非常适合应用于大规模集成电路中。
除了功耗控制,CMOS管还具有其他一些优点。
首先,CMOS电路的噪声干扰较小,信号的延迟也较低,有利于高速数据传输。
其次,CMOS电路的工作电压范围较宽,可以适应不同的工作环境。
nMOS与pMOS区别-10.4.1
MOS/CMOS集成电路简介及N沟道MOS管和P沟道MOS管MOS/CMOS集成电路MOS集成电路特点:制造工艺比较简单、成品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单,集成度高、抗干扰能力强,特别适合于大规模集成电路。
MOS集成电路包括:NMOS管组成的NMOS电路、PMOS管组成的PMOS电路及由NMOS和PMOS两种管子组成的互补MOS电路,即CMOS电路。
PMOS门电路与NMOS电路的原理完全相同,只是电源极性相反而已。
数字电路中MOS集成电路所使用的MOS管均为增强型管子,负载常用MOS管作为有源负载,这样不仅节省了硅片面积,而且简化了工艺利于大规模集成。
常用的符号如图1所示。
N沟MOS晶体管金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-SemIConductor)结构的晶体管简称MOS晶体管,有P型MOS管和N型MOS管之分。
MOS管构成的集成电路称为MOS集成电路,而PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路即为CMOS集成电路。
由p型衬底和两个高浓度n扩散区构成的MOS管叫作n沟道MOS管,该管导通时在两个高浓度n扩散区间形成n型导电沟道。
n沟道增强型MOS管必须在栅极上施加正向偏压,且只有栅源电压大于阈值电压时才有导电沟道产生的n沟道MOS管。
n沟道耗尽型MOS管是指在不加栅压(栅源电压为零)时,就有导电沟道产生的n沟道MOS管。
NMOS集成电路是N沟道MOS电路,NMOS集成电路的输入阻抗很高,基本上不需要吸收电流,因此,CMOS与NMOS集成电路连接时不必考虑电流的负载问题。
NMOS集成电路大多采用单组正电源供电,并且以5V为多。
CMOS集成电路只要选用与NMOS集成电路相同的电源,就可与NMOS集成电路直接连接。
不过,从NMOS到CMOS直接连接时,由于NMOS 输出的高电平低于CMOS集成电路的输入高电平,因而需要使用一个(电位)上拉电阻R,R的取值一般选用2~100KΩ。
中大规模集成电路及应用(总结)
中大规模集成电路及应用第一章↗微电子学✍微电子学是研究固体(主要是半导体)材料上构成的微小型化电路、子系统及系统的电子学分支。
✍作为电子学的一门分支学科,主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用,并利用它实现信号处理功能的学科。
↗集成电路:↗Integrated Circuit,缩写IC✍是指通过一系列特定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路连接集成在一块半导体单晶片(如硅或砷化镓)或陶瓷基片上,作为一个不可分割的整体执行某一特定功能的电路组件。
↗集成电路设计与制造的主要流程框架设计创意+ 仿真验证集成电路芯片设计过程流程图↗摩尔定律✍基于市场竞争,不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力。
✍在新技术的推动下,集成电路自发明以来,其集成度每三年提高4倍,而加工特征尺寸缩小倍。
✍是由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore博士1965年总结的规律,被称为摩尔定律。
集成电路分类↗集成电路的分类✍按器件结构类型✍按集成电路规模✍按结构形式✍按电路功能✍按应用领域按器件结构类型分类↗双极集成电路:主要由双极晶体管构成(优点是速度高、驱动能力强,缺点是功耗较大、集成度较低)✍NPN型双极集成电路✍PNP型双极集成电路↗金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路:主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成✍NMOS✍PMOS✍CMOS(互补MOS)↗双极-MOS(BiMOS)集成电路(功耗低、集成度高,随着特征尺寸的缩小,速度也可以很高):同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路,综合了双极和MOS器件两者的优点,但制作工艺复杂按集成电路规模分类↗度:每块集成电路芯片中包含的元器件数目↗小规模集成电路(Small Scale IC,SSI)↗中规模集成电路(Medium Scale IC,MSI)↗大规模集成电路(Large Scale IC,LSI)↗超大规模集成电路(Very Large Scale IC,VLSI)↗特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC,ULSI)↗巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC,GSI)按结构形式的分类↗单片集成电路:✍它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路✍在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅,除此之外还有GaAs等↗混合集成电路:✍厚膜集成电路✍薄膜集成电路按电路功能分类↗数字集成电路(Digital IC):它是指处理数字信号的集成电路,即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路↗模拟集成电路(Analog IC):它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路✍线性集成电路:又叫做放大集成电路,如运算放大器、电压比较器、跟随器等✍非线性集成电路:如振荡器、定时器等电路↗数模混合集成电路(Digital - Analog IC) :例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等第二章半导体固体材料:超导体: 大于106(Ωcm)-1导 体: 106~104(Ωcm)-1半导体: 104~10-10(Ωcm)-1绝缘体: 小于10-10(Ωcm)-1从导电特性和机制来分:不同电阻特性、不同输运机制1. 半导体的结构原子结合形式:共价键形成的晶体结构: 构 成 一 个正四面体, 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构半导体的结合和晶体结构半导体有元素半导体,如:Si 、Ge化合物半导体,如:GaAs 、InP 、ZnS2. 半导体中的载流子:能够导电的自由粒子本征半导体:n=p=ni电子:Electron ,带负电的导电载流子,是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子,对应于导带中占据的电子空穴:Hole ,带正电的导电载流子,是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位,对应于价带中的电子空位4.半导体的掺杂受 主 掺 杂、施 主 掺 杂施主:Donor ,掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子,并成为带正电的离子。
TP3057简介
TP3057简介:本模块的核心器件是A律PCM编译码集成电路TP3057,它是CMOS工艺制造的专用大规模集成电路,片内带有输出输入话路滤波器,其引脚及内部框图如图1-4、图1-5所示。
引脚功能如下:图1-4TP3057引脚图(1) V一接-5V电源。
(2) GND接地。
(3) VFRO接收部分滤波器模拟信号输出端。
(4) V+接+5V电源。
(5) FSR接收部分帧同信号输入端,此信号为8KHz脉冲序列。
(6) DR接收部分PCM码流输入端。
(7) BCLKR/CLKSEL接收部分位时钟(同步)信号输入端,此信号将PCM码流在FSR上升沿后逐位移入DR端。
位时钟可以为64KHz到2.048MHz的任意频率,或者输入逻辑“1”或“0”电平器以选择1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz用作同步模式的主时钟,此时发时钟信号BCLKX同时作为发时钟和收时钟。
(8) MCLKR/PDN接收部分主时钟信号输入端,此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。
可以和MCLKX异步,但是同步工作时可达到最佳状态。
当此端接低电平时,所有的内部定时信号都选择MCLKX信号,当此端接高电平时,器件处于省电状态。
(9) MCLKX发送部分主时钟信号输入端,此信号频率必须为1.536MHz、1.544MHz或2.048MHz。
可以和MCLKR异步,但是同步工作时可达到最佳状态。
(10) BCLKX发送部分位时钟输入端,此信号将PCM码流在FSX信号上升沿后逐位移出DX端,频率可以为64KHz到2.04MHz的任意频率,但必须与MCLKX 同步。
图1-5TP3057内部方框图(11) DX发送部分PCM码流三态门输出端。
(12) FSX发送部分帧同步信号输入端,此信号为8KHz脉冲序列。
(13) TSX漏极开路输出端,在编码时隙输出低电平。
(14) GSX发送部分增益调整信号输入端。
(15) VFXi-发送部分放大器反向输入端。
CMOS和MEMS技术概念
CMOS和MEMS技术概念IC,是integrated circuit的缩写,集成电路的意思广义的讲,IC就是半导体元件产品的统称,包括:1.集成电路(integrated circuit,缩写:IC)2.二,三极管.3.特殊电子元件.再广义些讲还涉及所有的电子元件,象电阻,电容,电路版/PCB版,等许多相关产品.IC工艺也就是电路方面的工艺ic即intergarted circuit,集成电路,统称。
所以ic工艺即是制造集成电路的工艺,有很多种,比如最早的bipolar工艺、后来的nmos工艺、pmos工艺以及现阶段被广泛使用的cmos工艺(cmos 工艺就是在一套制程种能同时生产两种mos,nmos和pmos),另外还有集成了cmos和bipolar的bi-cmos工艺等等。
而mems即微机电系统,是一门新兴学科和领域,跟ic有很大的关联,当然mems 工艺也和cmos工艺会有很大的相似之处,现在的发展方向应该是把二者集成到一套的工艺上来。
对mems不是特别的了解:)for mems details: /doc/6d18545240.html,/question/37641032.html?fr=qrl3一、微电子学中的CMOS概念CMOS,全称Complementary Metal Oxide Semiconductor,即互补金属氧化物半导体,是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。
采用CMOS 技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)集成在一块硅片上。
该技术通常用于生产RAM和交换应用系统,在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的ROM芯片。
CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成,它的特点是低功耗。
由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至,比线性的三极管(BJT)效率要高得多,因此功耗很低。
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CMOS VLSI Design
Slide 2
Power and Energy
Power is drawn from a voltage source attached to the VDD pin(s) of a chip. Instantaneous Power: P(t ) iDD (t )VDD Energy:
32mA Pstatic I staticVDD 38mW
All devices exhibit gate leakage. On average, half the transistors are off.
18: Design for Low Power CMOS VLSI Design Slide 17
I pull-up b 2 24μA Ppull-up VDD I pull-up 29μW Pstatic (31 24) Ppull-up 1.6 mW
18: Design for Low Power CMOS VLSI Design Slide 14
Leakage Example
2
18: Design for Low Power
CMOS VLSI Design
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Static Power
Static power is consumed even when chip is quiescent. – Ratioed circuits burn power in fight between ON transistors – Leakage draws power from nominally OFF devices
Introduction to CMOS VLSI Design
Lecture 18: Design for Low Power
Outline
Power and Energy Dynamic Power Static Power Low Power Design
18: Design for Low Power
18: Design for Low Power
CMOS VLSI Design
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Dynamic Example
Static CMOS logic gates: activity factor = 0.1 Memory arrays: activity factor = 0.05 (many banks!) Estimate dynamic power consumption per MHz. Neglect wire capacitance and short-circuit current.
18: Design for Low Power
CMOS VLSI Design
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Dynamic Example
Static CMOS logic gates: activity factor = 0.1 Memory arrays: activity factor = 0.05 (many banks!) Estimate dynamic power consumption per MHz. Neglect wire capacitance.
Pdynamic 1 iDD (t )VDD dt T 0 VDD iDD (t )dt T 0 VDD TfswCVDD T CVDD 2 f sw
fsw
18: Design for Low Power CMOS VLSI DesignTTVDFra bibliotek iDD(t)
C
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18: Design for Low Power
CMOS VLSI Design
Slide 13
Ratio Example
The chip contains a 32 word x 48 bit ROM – Uses pseudo-nMOS decoder and bitline pullups – On average, one wordline and 24 bitlines are high Find static power drawn by the ROM – b = 75 mA/V2 – Vtp = -0.4V 2 Solution: VDD Vtp
180 10 4l 0.05mm / l 45.6 10 mm
6 6
I static 2.4 106 m m 20nA / m m / 2 3nA / m m
6
45.6 10 mm 0.02nA / mm / 2 0.002nA / mm
18: Design for Low Power
P aCVDD2 f dynamic
CMOS VLSI Design Slide 7
Short Circuit Current
When transistors switch, both nMOS and pMOS networks may be momentarily ON at once Leads to a blip of “short circuit” current. < 10% of dynamic power if rise/fall times are comparable for input and output
Activity Factor
Suppose the system clock frequency = f Let fsw = af, where a = activity factor – If the signal is a clock, a = 1 – If the signal switches once per cycle, a = ½ – Dynamic gates: • Switch either 0 or 2 times per cycle, a = ½ – Static gates: • Depends on design, but typically a = 0.1 Dynamic power:
Vgs Vt
I ds I ds 0e
nvT
Vds vT 1 e
Vt Vt 0 Vds
18: Design for Low Power
s Vsb s
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CMOS VLSI Design
Ratio Example
The chip contains a 32 word x 48 bit ROM – Uses pseudo-nMOS decoder and bitline pullups – On average, one wordline and 24 bitlines are high Find static power drawn by the ROM – b = 75 mA/V2 – Vtp = -0.4V
fsw
18: Design for Low Power CMOS VLSI Design
C
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Dynamic Power Cont.
Pdynamic
VDD iDD(t)
fsw
18: Design for Low Power CMOS VLSI Design
C
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Dynamic Power Cont.
18: Design for Low Power CMOS VLSI Design Slide 15
Leakage Example Cont.
Estimate static power:
18: Design for Low Power
CMOS VLSI Design
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Leakage Example Cont.
The process has two threshold voltages and two oxide thicknesses. Subthreshold leakage: – 20 nA/mm for low Vt – 0.02 nA/mm for high Vt Gate leakage: – 3 nA/mm for thin oxide – 0.002 nA/mm for thick oxide Memories use low-leakage transistors everywhere Gates use low-leakage transistors on 80% of logic
18: Design for Low Power
CMOS VLSI Design
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Example
200 M transistor chip – 20M logic transistors • Average width: 12 l – 180M memory transistors • Average width: 4 l – 1.2 V 100 nm process – Cg = 2 fF/mm
Estimate static power: – High leakage: 20 106 0.2 12l 0.05mm / l 2.4 106 mm – Low leakage: 20 106 0.812l 0.05mm / l
32mA Pstatic I staticVDD 38mW
Leakage Example Cont.
Estimate static power: 6 6 – High leakage: 20 10 0.2 12l 0.05mm / l 2.4 10 mm – Low leakage: 20 106 0.812l 0.05mm / l