IC常用知识4-静态功耗和动态功耗
时间：2022-08-03 17:19:00
文章目录
- 1. 简介
- 2. 静态功耗
- 3. 动态功耗
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- 3.1 开关功耗
- 3.2 短路功耗
- 4. 低功耗设计
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- 4.1 RTL级
- 4.2 门级电路
- 5. 相关题目：
1. 简介
CMOS电路功耗主要由动态功耗和静态功耗组成，动态功耗又分为开关功耗、短路功耗两部分
2. 静态功耗
静态功耗又称待机功耗，包括电路中晶体管漏电流引起的功耗
3. 动态功耗
3.1 开关功耗
动态功耗包括:开关功耗或反转功耗、短路功耗或内部功耗；
开关功耗:电路在开关过程中充放输出节点负载电容所消耗的功耗。例如，以下内容CMOS非门中：
当Vin=0时，PMOS管导通，NMOS管截止；VDD对负载电容Cl进行充电；
当Vin=1时，PMOS管截止，NMOS管导通；VDD对负载电容Cl进行放电；
开关功耗的计算公式如下： 通过这个公式，只要有时钟或信号跳变，就可以有开关功耗，即动态功耗
在上式中，VDD供电电压，Cload对于后电路等效的电容负载，Tr还有另一种写法可以输入信号的翻转率，f时钟频率，一个周期信号翻转两次，所以这里没有 1/2;
它与电路的工作频率、负载电容和电压平方成正比。
3.2 短路功耗
由于输入电压波形不是理想的阶跃输入信号，因此有一定的上升和下降时间，在输入波形的过程中，在一定的电压输入范围内，NMOS和PMOS管道导通，此时将出现电源到地的直流导通电流，即开关过程中的短路功耗。
短路功耗产生的条件是信号跳变。
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##3. 静态功耗
在CMOS在电路中，静态功耗主要是由漏电流引起的
对于常规cmos电路稳态时无直流导流电流，理想情况下静态功耗为0，但由于泄漏电流的存在，cmos电路的静态功耗不为0。一般情况下，泄漏电流主要是指网极泄漏电流和亚阈值电流， CMOS泄漏电流主要包括：
- PN结反向电流I1（PN-junction Reverse Current）
- 源极与漏极之间的亚阈值漏电流I2（Sub-threshold Current）
- 栅极漏电流包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3（Gate Induced Drain Leakage）
- 隧道泄漏电流在栅极和衬底之间I4（Gate Tunneling）
网极泄漏功耗：在格栅极上加入信号后(即格栅压力)，从格栅到衬底之间有电容，因此格栅衬里之间会有电流，从而产生功耗。
亚阈值电流：使栅极电压低于导通阈值时，仍然会产生FET泄漏电极到源极的泄漏电流。这种电流称为亚阈值泄漏电流。为了降低亚阈值电流，可以使用高阈值设备，也可以通过衬底偏置增加阈值电压，属于低功耗设计。
静态功耗的计算公式如下，Ipeak为泄漏电流：
4. 低功耗设计
4.1 RTL级
1.并行结构：并行结构可以在一定程度上降低某一区域的频率，从而降低功耗。
2.流水结构：将路径长度缩短为原路径长度的1 /M。这样，在一个时钟周期内充放电容变成了C/M。如果时钟速度在加入流水线后保持不变，那么在一个周期内只需要正确C/M充/放电，而不是原来的C充/放电。因此，在相同的速度要求下，可以使用较低的电源电压来驱动系统。
3.优化编码：通过数据编码减少开关活动，如用格雷代替二进制。
4.操作数量隔离：操作数量隔离的原理是：如果数据通路的输出在一定时间内无用，则将其输入置于固定值，使数据通路部分不翻转，功耗降低。
4.2 门级电路
1.门控时钟技术： 芯片工作时，很大一部分功耗是由于时钟网络的翻转消耗。控制技术的基本原理是关闭芯片上暂时不使用的功能及其时钟，以节省电流消耗。门控时钟对翻转功耗和内部功耗的抑制作用最强，是低功耗设计中最有效的方法之一。
2.多电压供电
3.多阈值电压
根据多阈值电压单元的特点，低阈值电压单元用于关键路径，以满足时间顺序的要求(low Vt cells)，减少单元门延迟，改善路径顺序。为了降低静态功耗，高阈值电压单元用于非关键路径(high Vt cells)，降低静态功耗。因此，采用多阈值电压工艺库，我们可以设计低静态功耗和高性能设计。
4.动态电压调节
5.动态频率调节
5. 相关题目：
1.以下哪些变化会导致功耗消耗？
A. 只有数据信号翻转
B. 只有复位信号翻转
C. 只有时钟信号翻转
D.所有信号都不翻转
答案:ABCD,
解析：D静态功耗选项仍然存在
芯片泄漏与以下因素有关()
频率
电压
温度
工艺
答案：BCD
PVT
参考链接：
https://blog.csdn.net/qq_27745395/article/details/76855661
https://blog.csdn.net/moon9999/article/details/77900306
https://www.cnblogs.com/IClearner/p/6923585.html
