基于adiabatic电路的低功耗加法器设计

摘要

近几年里,电路的功耗逐渐地成为VLSI系统设计考虑的关键因素,尤其是随着便携式电池供电系统的广泛应用,功耗的重要性日益显著,并已经成为继工作频率和芯片面积之后,又一个限制电路性能和成本的关键因素.这为集成电路的设计增加了一个新的设计考虑,从而增加了集成电路设计的复杂性.目前已经涌现出很多降低电路功耗的设计技术,其中adiabatic技术是众多低功耗设计技术中比较新颖的一种,具有较好的发展优势和潜力.该文分析了adiabatic电路的功耗模型和传统CMOS电路的功耗模型,从理论上阐明adiabatic电路在降低功耗方面的优越性.针对目前adiabatic电路设计技术,总结了adiabatic电路主要的一些电路形式,重点对单相时钟adiabatic电路做了深入的分析.在前人成果的基础上,对adiabatic电路进行进一步的研究,从电路级的设计层面上对adiabatic电路进行改进,提出了改进后的电路结构,包括改进的单相时钟adiabatic电路和可控制单相时钟adiabatic电路.后者实现了对电路功耗的控制,进一步拉加了adiabatic电路的优越性.最后通过一个8bits超前进位加法器的设计,从系统角度对改进adiabatic电路进行模拟验证.模拟采用的工艺条件是TSMC的0.35μm工艺,模拟结果证明基于改进adiabatic电路的加法器在性能上有了很大的提高,降低了功耗,提高了工作频率.由于CMOS电路是目前数字电路设计的主流,相应的有很多比较成熟的低功耗设计技术.所以论文自始至终都将adiabatic电路和传统的CMOS电路进行比较,从基本的功耗模型到具体的电路,从而充分地体现了adiabatic电路在降低电路功耗方面所具有的优越性.

目录

文摘

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第1章绪论

1.1研究背景

1.2低功耗电路设计基本理论

1.3研究内容及目标

第2章adiabatic电路工作原理和基本电路

2.1传统CMOS低功耗设计

2.1.1系统级低功耗设计技术

2.1.2结构级低功耗设计技术

2.1.3逻辑级低功耗设计技术

2.1.4物理级低功耗设计技术

2.1.5 CMOS电路功耗优化的限制

2.2 adiabatic电路基本原理

2.3典型电路结构

2.3.1传输门adiabatic电路

2.3.2 2N-2N2D adiabatic电路

2.3.3 2N-2P与2N-2N2P adiabatic电路

2.3.4 PALadiabatic电路

2.3.5 CALadiabatic电路

2.4真正单相时钟adiabatic电路

2.4.1 TSELadiabatic电路

2.4.2 SCALadiabatic电路

2.5小结

第3章实用adiabatic电路优化设计

3.1 adiabatic电路设计考虑

3.2 adiabatic电路基本单元优化设计

3.2.1改进的adiabatic电路

3.2.2改进的adiabatic电路级连

3.2.3功耗分析

3.2.4其它门电路

3.3可控制的adiabatic电路

3.4模拟结果

3.4.1改进的adiabatic电路模拟结果

3.4.2可控制adiabatic电路的模拟结果

3.4.3功耗比较

3.5小结

第4章基于adiabatic电路的低功耗加法器

4.1 adiabatic电路的系统考虑

4.2基于adiabatic电路的8bits加法器

4.3模拟结果

4.3.1经典adiabatic电路功耗性能比较

4.3.2改进adiabatic电路实现的8bits CLA模拟结果

4.3.3可控制adiabatic电路实现的8bits CLA模拟结果

4.3.4功耗比较

4.4版图考虑

4.5小结

第5章总结

参考文献

致谢