CMOS组合逻辑（二）

        在前面介绍了静态互补CMOS逻辑，这里主要说明有比逻辑和动态CMOS逻辑。

CMOS组合逻辑_vtc曲线_沧海一升的博客-CSDN博客介绍了静态互补CMOS逻辑https://blog.csdn.net/qq_21842097/article/details/107456036

一、有比逻辑

1、伪NMOS

        因为互补CMOS优点是全轨输出，静态功耗低，但是代价是稳定输出的时候，有一半的管子属于冗余的。如果当资源（如面积）有限时，我们需要另外一种静态CMOS的设计方法来减少MOS管的数目。因此有了有比逻辑这种设计方法，当扇入是N时，它仅需N+1个MOS管；但于此同时它需要以降低稳定性和额外的静态功耗作为代价。

额定低电压不是0，因为存在PDN和伪NMOS的通路。这降低了噪声容限，并且引起了静态功耗。

        之所以称之为有比逻辑，是因为输出电平和功能取决于NMOS和PMOS的尺寸比。不同于无比逻辑，无比逻辑高低电平与尺寸无关。

        其做法为将PUN替换为一个无条件负载器件。通常为一个栅极接地的PMOS负载（伪NMOS门）。

         虽然静态功耗限制了伪NMOS的应用，但是当面积是最重要的因素时，伪NMOS还是可以使用的，因此还是可以看到伪NMOS有时应用在大扇入的电路中。

2、差分串联电压开关逻辑(DCVSL)

        差分级联电压开关逻辑，目的在于完全消除静态电流并提供轨到轨的电压摆幅的有比逻辑。用两个PMOS和两个对偶的互斥输入的NMOS实现逻辑功能，其原理为差分逻辑和正反馈：

• 差分门要求每个输入都具有互补形式，同时也产生互补输出。
• 反馈机制保证不需要负载时将其关断

优点在于：

• 消除静态电流，提供轨到轨输出
• 同时产生了输出和其反信号，节省了额外的反相器，避免使用反相器引起的时差问题。这实际上受益于差分逻辑。

         这就是DCVSL的结构，下面的两个N网络输出为互斥的信号，通过上面两个PMOS的加强实现输出的稳定。基本原理是下面两个N网络总会有一个导通，输出L0，L0使得上面两个PMOS中一个导通，抬高另外一个PMOS的输入使其关闭，实现信号的稳定。实现稳态的过程为有比电路，存在稳定延时。如XOR-XNOR门：

        当然，DCVSL也存在一定缺陷：

• 在翻转期间PMOS和PDN会同时导通一段时间，产生短路通路，造成渡越电流。（不同于静态电流，静态电流在PDN导通时一直存在）
• 在实际布线时导线数量加倍，使得电路复杂
• 动态功耗较高

3、传输管逻辑

        传输管逻辑主要目的在于减少晶体管数，利用输入驱动栅极和源漏端来减少逻辑需要的晶体管数。

        与只允许驱动栅极的CMOS不同。

         传输管的缺点在于存在阈值损失。并且由于体效应这种情况更加严重。此外，应该避免传输管驱动另一个栅极，这样会导致阈值损失传递。

1）差分传输管逻辑CPL

        高性能设计中通常使用差分传输管逻辑，称为CPL或DPL.

• CPL属于静态门，输出节点通过低阻路径连到VDD或地。
• 互补输入输出
• 具有模块化特点，门单元库设计简单。

        

         缺点在于因为存在VTH，高电平时充电充不到VDD，只能充到VDD-VTH。

2）解决阈值损失和静态功耗

        正如上面所说由于传输管在高电平无法充电到VDD，少了一个VT，所以在驱动后级的反相器时反相器会有静态功耗。因此，常用以下方案设计稳定有效的传输管

        a、电平恢复器

        一种简单的方法是使用一个PMOS连到反馈环路中：

        通过上拉的PMOS将高电平充到VDD,消除了后级反相器的静态功耗，传输管和恢复器中也没有静态电流路径。但电平恢复器也有以下缺陷：

• 是有比逻辑，增加了复杂性。在节点从高到低的过程中，传输管试图拉低节点，而电平恢复器却要上拉到高，因此传输管的下拉能力必须大于恢复器的上拉能力。这就要求仔细设计各个管的尺寸。
• 电平恢复器对器件切换速度有影响。增加恢复器增加了内部节点X的电容，减慢了门的速度。

        b、多阈值晶体管

        使用零阈值的NMOS传输管可以消除大部分阈值损失。所有非传输管都用高阈值器件实现。

        同样也存在缺陷：

• 需要对器件的注入准确控制才能达到0阈值，并且由于体效应，难以真的达到全摆幅
• 用零阈值对功耗有不利影响。这是因为即使器件关断，也会有亚阈值电流流过传输管

        c、传输门逻辑

        最广泛采用的是传输门逻辑，利用NMOS和PMOS的互补特性。

         两个管子并联，控制信号相反，任何时候两者都导通。通常消耗更少的管子。例如实现下面的逻辑：

        采用CMOS逻辑需要8管，而传输门逻辑只需要6管。（不包括反向输入信号的生成）:

         这种传输门本身没有驱动能力，需要靠前一级的驱动能力，或在这个传输门前后各增加一级反相器，共增加两级反相器，同时保证有驱动能力，和信号极性保持不变。

        应用场景有，在常见的MUX多路选择电路中，在DFF和latch中时钟采样信号。在前者MUX多路选择电路中，选择信号是一些低速信号，甚至有可能是寄存器(register)。而在后者DFF和latch中，选择信号就是时钟信号，是高速信号。

        非理想选择信号造成的影响，主要是指选择信号变化时，SEL和SELB在切换过程有交叠，存在一个管子本该关断，但是还没有关断，或者存在一个管子本该开启，却还没有开启。在MUX多路选择电路中，正是因为选择信号是一些低速信号，少有切换过程，故影响不大。而在DFF和Latch中，时钟信号不断地翻转，不断有切换过程，当时钟信号有交叠时，是会直接影响输出信号的好坏。

二、动态CMOS逻辑

1、基本介绍

        静态CMOS是指稳态时，通过低阻路径连接GND或VDD：

• 互补CMOS：上下网络互补，上拉到VDD，下拉到GND。管子数为2N
• 传输管逻辑：上拉网络用其他代替，有比逻辑，存在VTH。管子数为N+1

        动态CMOS：依靠高阻抗上的电容存储临时的信号，管子数为N+2。

        其结构如下：

         工作分为两个阶段：

• 预充电：CLK=0，Mp导通，对CL充电。输出节点Out被PMOS管预充电至VDD。此期间NMOS求值管Me关断，所以下拉不工作。求值管消除了预充电期间的任何静态功耗。
• 求值：CLK=1，Me导通，OUT和GND之间存在低阻通路。预充电管Mp关断，输出根据下拉拓扑结构有条件地放电。

        特点：

• 全电压摆幅
• 无比逻辑（同互补CMOS，异传输管逻辑）
• 噪声容限低。因为out在预充电阶段已经充电到vdd，即Vds已经满足>Vov，于只要Vin>VTH，管子就会导通。
• 需要预充电和求值的时钟。
• 较快的开关速度。原因如下，
  • 相对互补CMOS，缺少了上拉网络的一个门，相对负载是互补CMOS，负载是动态门的CL比较小
  • 动态门没有短路电流（同一个时刻，只能一个M导通），由下拉网络提供的所有电流都用于CL​电容的放电
  • 如果IN=0​，则不存在输出延时（预充电完输出即为1）；如果IN=1​，则需要CL​放电
• 晶体管重复利用，减小面积（多输出多米诺）

        优点：

• 提高速度
• 减小面积（多输出多米诺；N+2​个管子）
• 没有短路功耗
• 没有毛刺（因为一次只能翻转一次，CL放电完只能等效下一次预充电才能回到1)

        缺点：

• 动态逻辑的时钟功耗可以很大
• 当增加抗漏电器件时可能会有短路功耗
• 由于周期性的预充和放电，动态逻辑会有较高的开关活动性。

2、存在的问题——信号完整性

1）电荷泄漏

        预充电到高后，电容上将保持高电平，但总是会有泄露电流导致电荷漏掉。

         可见存储在CL上的电荷将通过漏电左图的几个漏电渠道漏掉，因此动态电路有一个最低的频率要求，一般为几KHZ。

       电荷泄露的解决通常通过增加伪NMOS上拉以及反馈来补偿：

 

         通过反馈来控制上拉管可以降低静态功耗。通常泄露器的尺寸比较小（电阻比较大），以保证下拉网络可以下拉。

2）电荷分享

        下图展示了电荷分享。在求值期间，假设B=0，A置高后Ma导通，CL上的电容会在CL和Ca之间重新分配，导致输出电平的降低。

         解决方案为使用上拉管对关键的内部节点预充电：

         代价是面积和功耗。

3）电路耦合

        输出节点较高的阻抗使得电路对串扰很敏感。使得Vout略有下降。

4）时钟馈通

        时钟输入和动态节点输出之间的耦合电容引起。耦合电容由预充器件的栅漏电容组成。其次，快速上升和下降的时钟边沿会耦合到信号节点上。

        时钟反转过快，则当CLK0→1​​时，动态节点输出>Vdd；则当CLK​​ 1→0​​时，动态节点输出<0 。时钟馈通危险在于可能使正常情况下反偏二极管变为正向偏置，导致出错。

3、动态门的串联

        动态门的串联会遇到延时的问题，例如下面的电路：

         当Out1开始放电时，此时Out2应该维持不变，但是out1放电需要时间，导致out2也开始放电，产生错误。 但是如果每一级动态门在预充电后输出都为0，则不会由这样的问题。这也是动态门串联的条件。

1）多米诺逻辑

        动态逻辑后加一个反相器，再级联其他多米诺逻辑。反相器可以保证动态逻辑再预充电后输出为0，避免1->0的翻转。目的就是保证预充电时，输入均为0；求值时，输入只做0→1的翻转。

        初始状态均为0，求值的时候根据前一级输出确定下一级输入，从而求下一级输出。

        特点：

• 求值层层传播，如多米诺骨牌
• 求值阶段的时间取决于逻辑深度（因为求值时候的特性，见上）
• 只能实现非反向逻辑
• 无比逻辑
• 节点需要在预充电充完电，求值的过程中，输入需要特别稳定。
• 速度非常快（因为当上一级的输入都是0时，下一级相当于无延迟传播）
• 输入电容小（和互补CMOS比，只有一个管子）

2）去掉下拉时钟网络

        如下图所示

         优点：

• 只需要第一级的下拉时钟负载，后面的不用。减少时钟负载。
• 速度和性能可以得到大大提升

        缺点：

• 去掉下拉时钟网络，需要满足该动态门CLK=0​​时，该动态门输入均为0，否则可能导致短路
• 为了达到上文的目标，需要精确把控时钟。

3）多米诺逻辑的性能优化

1. 调整反相器的晶体管尺寸

   分析可知，

   预充电过程中，主要经过两个门的延迟：

   • Vdd通过上拉时钟PMOS管对CL进行充电
   • 本级动态门输出逻辑1经过反相器（INV的PMOS管）输出逻辑0，作为下一级输入

   求值过程中，如果存在该动态门输入存在从0→1​​​跳变，主要经过两部分延迟：

   • 本级动态门下拉网络对CL进行放电
   • 本级动态门输出逻辑0经过反相器（INV的PMOS管）输出输出逻辑1，作为下一级的求值输入

   可根据情况进行反相器尺寸的调整（一般为了减低求值时间，会增大INV的PMOS尺寸

2. 面积优化

   • 采用多输出多米诺逻辑，见下文。

     多输出多米诺逻辑中，动态逻辑门可以实现多种逻辑，可以重复利用一些晶体管，使得晶体管数目减小。

   • 或者使用组合多米诺逻辑，见下文。

     组合多米诺逻辑，并不需要在每个动态门之后加反相器，而是借助一个复合互补CMOS门将多个动态门组合起来。

4）多输出多米诺

        多输出多米诺可以重复利用一些晶体管，一个复合逻辑门里面可以实现多种逻辑，减小了晶体管数量，大大减小面积。

5）组合逻辑多米诺

        组合多米诺逻辑，并不需要在每个动态门之后加反相器，而是借助一个复合互补CMOS门将多个动态门组合起来。

 

        如上图，动态门组成逻辑：；经过静态互补CMOS门，组成逻辑，注意，Y2结果并不需要经过反相器。