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      6. 數字IC,靜態功耗,動態功耗介紹
        • 發布時間:2022-12-03 16:11:51
        • 來源:
        • 閱讀次數:
        數字IC,靜態功耗,動態功耗介紹
        功耗源
        功耗的本質是能量耗散。由能量守恒定律可知,能量只能從一種形式轉成另一種形式,能量的總量不變。芯片耗散的電能主要轉化成熱能。如果一顆芯片的功耗過大,容易導致工作時溫度過高,造成功能失效,甚至晶體管失效。因此,減小芯片功耗是很重要的一個任務。靜態功耗以及動態功耗是兩個主要的功耗源。
        動態功耗
        動態功耗來源于:
        (1)當門翻轉時,負載電容充電和放電,稱為翻轉功耗
        (2)pmos和nmos管的串并聯結構都導通時的有短路電流,稱為短路功耗。
        動態功耗是一個電路在active狀態下的功耗,active是指電流的輸入或相關的連線電壓發生變化,但這一變化并不一定導致電路的輸出發生變化,因此,動態功耗的有無與電路的輸出是否變化無關。動態功耗也分為兩種,分別是internal power和switching power。
        internal power包括晶體管寄生電容的充放電功耗和電路狀態切換過程中PMOS和NMOS之間的短路電流功耗。對簡單的庫單元,internal power主要是短路功耗,對復雜的庫單元,internal power主要是電容充放電功耗。
        switching power即翻轉功耗,是電路的輸出負載電容充放電的功耗。
        在PTPX的功耗仿真中,internal power也是工具查找工藝庫中的功耗表格得到的。對switching power的計算,是基于電源電壓,網表中反標的負載電容,及邏輯門的輸出翻轉情況。
        靜態功耗
        靜態功耗主要來源于:
        (1)流過截止晶體管的亞閾值泄漏電流(subthreshold leakage)
        (2)流過柵介質的泄漏電流(gate leakage)
        (3)源漏擴散區的p-n節泄漏電流(junction leakage)
        (4)在有比電路中的競爭電流
        靜態功耗 動態功耗
        靜態功耗也稱為漏電功耗(leakage power),是指邏輯單元的輸入和輸出均不發生變化時(一般被稱為inactive或static狀態)的功耗。靜態功耗又分為intrinsic leakage power和gate leakage power.
        intrinsic leakage power主要是由晶體管源極和漏極之間的亞閾值電流(晶體管在關斷時實際并沒有完全關閉,仍有電流),電流大小主要由晶體管閾值電壓和溫度決定(閾值電壓越小,漏電流越大,溫度越高,漏電流越大),因此,如果為了提高芯片工作頻率而使用LVT(低閾值晶體管),會造成芯片靜態功耗顯著增大。
        intrinsic leakage power另一個來源是晶體管擴散區和襯底之間的電流,又稱為反偏PN節電流,它的大小主要取決于晶體管狀態和電源電壓。
        gate leakage power是源極到柵極或柵極到漏極之間的漏電流,隨著工藝節點的減小,這一電流對靜態功耗的貢獻已經越來越顯著。這一電流主要取決于柵氧化層的厚度和電源電壓,而對溫度的敏感性較小。
        在PTPX的功耗仿真中,各單元的靜態功耗是工具查找工藝庫中的功耗表格得到的。
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