绝热式渐次充电技术在CMOS电路中的应用

发布时间：2019-12-03 06:09

【摘要】：随着集成电路技术的不断发展,功耗带来的挑战也日益突出,因此各种节能方法被不断地提出。基于以上所提及的功耗问题,提出一种绝热式渐次充电技术,它能够有效地降低CMOS电路中的能量损耗,达到节能的目的,同时还能降低电路中信号传播时延。这种绝热式渐次充电驱动器是由若干电容、直流电源和相关MOSFET组成的,在这种电路中,渐次式电压的产生几乎不消耗能量。为了凸显该技术的优势,将这种方法与传统的变化电压降低功耗的方法进行比较,经过最终的仿真对比发现该技术比传统的变化电压节能方法在能耗上大幅度降低,与此同时电路中信号传播时延也相应地得以降低。
【图文】：

第10期陈梦浩，等：绝热式渐次充电技术在CMOS电路中的应用了渐次充电电压产生电路，，通过利用平衡电容器来达到平衡节点电压的目的。为了达到这个目的，有必要在改变电容器两端初始电压之前去检测绝热式渐次充电电路的稳定性。1功率损耗分析和变化电压节能法在CMOS电路中的功率损耗主要包括动态能量损耗，静态能量损耗和短路电流损耗等，这些功耗在CMOS电路中的分布如图1所示[2]。图1CMOS电路功耗示意图该电路的总功耗如下：P=PD+Psc+PC（1）式中：PD为动态功耗；Psc为短路功耗；PC为静态功耗。PD电路在开关过程中对负载电容充放电所消耗的，它与电源电压VDD、负载电容CL、工作频率f和开关活动律α相关，具体如下：PD=αCLfV2DD（2）由于电路的输出波形不是理想波形而是存在上升沿和下降沿，因此在输入电平处于VTN~VDD+VTP这段范围内，会导致电路中的PMOS和NMOS晶体管都导通，产生从源头到地的短路电流Isc，从而引起开关过程中的附加短路功耗[3]Psc。对于一定的电源电压，增大阈值电压VT可以减小短路功耗，具体如下：Psc=IscVDD（3）在理想状况下，CMOS电路的静态损耗为零，但是实际中处于截止状态的MOSFET存在泄漏电流Ileak，从而形成电路在稳态下的直流电流，引起静态功耗PC，具体如下：PC=IleakVDD（4）在实际生产工作中，有许多方法可以解决电路中的高功耗问题，通过调节电路中的电源电压是最为普遍的方法，因为这种方法在降低功耗方面也是最简单方便的。通过改变电路中的供电电压VDD来降低功耗是可行的，因为当电源电压下降V

现代电子技术2017年第40卷如图3所示。假设现在有电容CT，它比负载电容CL要小很多，并且电路中的每个开关都能够闭合足够多的时间去完成充电过程。这样电路中的槽电压在经过一定时间就会自动地上升到理论的电压值。也就是说，渐次充电技术是通过应用一种数字控制信号将输出转换到理想的数值[5]。当然渐次充电技术也有它的局限性，因为这个电路中的MOSFET其实就相当于一个开关，这个开关在使用时会有一定的限制，那就是MOSFET导通必须满足其输入电压要大于它的阈值电压[6]。图3绝热式渐次充电电路示意图3仿真验证通过在绝热式渐次充电电路进行实验操作和Matlab仿真，得到了相应的仿真结果图。为了准确地验证相关结论和技术的准确性和创新性，在这里设立渐次充电支路中的开关个数为5个，负载电容CL为10μF，其他的电容为0.1μF，电源电压VDD为2V，其具体的实验电路如图4所示。图4绝热式渐次充电电路图假如该电路中所有的MOSFET都是导通的，并且电路中的元器件也正常运行，那么负载电容在充电过程中的两端最高电压是2V。图5是负载电容CL两端。电压随时间变化的趋势图。因为渐次充电电路支路中的开关的个数是5个，所以负载电容CL两端电压的上升阶段就可以分为5个阶段，故该负载电容两端电压的上升趋势满足了渐次式充电的相关特性，即电压逐步上升的特性[7]。通过观察会发现每个阶段电压的增加量几乎是相等的，并且每一阶段经历的时间也是相等的。伴随着负载电容充电时间的不断延长，电容的充电过程也更加迅速[8]。通过分析可以得到的结论是当电路中的开关全部处于闭合状态时，负载电容CL两端的电压Uc是呈阶?

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