本章目录
- 一、CMOS器件
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- 1.1CMOS 反相器
- 1.2 CMOS 与非门（NAND）
- 1.3 CMOS或非门（NOR ）
- 1.4CMOS与门和CMOS或门
- 1.5 CMOS重要的电路技术参数
- 二、CMOS功耗及解决方案
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- 2.1 时钟门控（clock gating）
- 2.2 动态电压频率调整DVFS
- 2.3.多阈值电压技术
- 2.4.多电源多电压技术技术
一、CMOS器件
1.1CMOS 反相器
CMOS由反相器实现非门功能PMOS管和一个NMOS逻辑电路图如下：
| In | PMOS | NMOS | OUT |
|---|---|---|---|
| 0 | 导通 | 关闭 | 1 |
| 1 | 关闭 | 导通 | 0 |
在实际制造过程中，PMOS管比NMOS因为管要宽PMOS管道由空穴导电，NMOS由于电子导电，电子迁移率远高于空穴迁移率(约2倍)。
1.2 CMOS 与非门（NAND）
CMOS与非门并联PMOS管，两个串联NMOS管组成的。
| A | B | PMOS （A） | PMOS（B） | NMOS（A） | NMOS(B) | OUT |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 导通 | 导通 | 关闭 | 关闭 | 1 |
| 0 | 1 | 导通 | 关闭 | 关闭 | 导通 | 1 |
| 1 | 0 | 关闭 | 导通 | 导通 | 关闭 | 1 |
| 1 | 1 | 关闭 | 关闭 | 导通 | 导通 | 0 |
1.3 CMOS或非门（NOR ）
CMOS或者个串联的非门PMOS管，两个并联NMOS管组成的。
1.4CMOS与门和CMOS或门
分别将CMOS与非门、CMOS或非门的VDD端与接地端可以交换，可以通过真值表验证，这里不再给出具体的CMOS电路图。
1.5 CMOS重要的电路技术参数
1.输入输出的高低电平； ??输入低电平的上限值VIL（max） ??输入高电平的下限值VIH（mix） ??输出低电平的上限值VOL（max） ??输出高电平的下限值VOH（mix） 2.噪声容量-门电路的抗干扰能力，电路的噪声容量越大，抗干扰能力越强。 ??输入高电平噪声容限：VNH = VOH（mix） - VIH（mix）(输出-输入) ??输入低电平噪声容限：VNL = VIL（max） - VOL（max）(输入-输出) 3.传输延迟时间表示门电路开关速度的参数，其值和电源电压VDD与负载电容有关。 3.功耗-分为静态功耗和动态功耗。 4.延迟-功耗积-测量电路综合性能指标(工作速度快，功耗低) 5.扇入和扇出数-表示门电路的输入端信号数和输出端信号数。
二、CMOS功耗及解决方案
CMOS电路功耗需要考虑两部分：静态功耗和动态功耗；静态功耗是指电路输出无动态转换时的功耗。动态功耗是指电路状态转换时的功耗。动态功耗主要包括两部分：一是指电路输出状态转换时的功耗MOS管的导通功耗，二是指电路输出由高电平转为低电平，或从低电平到高电平（CMOS充放电过程中管道负载为电容性)，增加电路损耗。
动态功耗由开关功耗(翻转功耗)和短路功耗组成。
总功耗 = 静态功耗 开关功耗 短路功耗
翻转功耗 = Cv^2F ??C 负载电容，V是电压，F是频率 短路功耗 = V I（短路） ??I(短路)N极和P极在切换过程中同时有效短路电流 静态功耗 = V I（漏电） ??静态功耗(又称漏电功耗)是晶体管在电路稳定时漏电引起的功耗。
需要注意的是，提高电压可以提高电路性能，但也会增加功耗；温度升高也会增加功耗。如何有效降低电路设计中的功耗？主要是指动态功耗
可通过做），降低转速，即降低频率，降低电路功耗；此外，还可以降低电压，如
2.1 时钟门控（clock gating）
：当数据无效时，将能有效降低功耗的技术， 它是低功耗设计的重要方法之一。门控时钟实际上是一个逻辑模块， 当寄存器输入数据无效时，将寄存器输入时钟放置为0，此时寄存器值保持不变，此时无时钟翻转，避免动态功耗。
2.2 调整动态电压频率DVFS
（Dynamic Voltage and Frequency Scaling）动态电压频率调节本质上是一种自适应的电压频率调节技术，也是一种低功耗技术。目的是根据芯片当时的实际功耗需要设置工作电压和时钟频率，以确保提供的功率既满足要求，又不过度性能，从而降低功耗。 ??一味的降频降压当然是不能降低功耗的，因为低频下运行可能使系统处理任务的时长增加，从而整体上可能增加了功耗。所以DVFS其核心是动态调整策略，其目的是根据当时的系统负进行实时调整，从而提供满足当时性能要求的最低功耗。当然，基本策略是在工作负荷增加时先升压再升频，工作负荷降低时先降频。 ??例如，该技术可以动态调节CPU工作频率和工作电压，如CPU高速工作时，选择适当的电压供应CPU;当CPU在空闲或睡眠状态下，系统会自动切换到适当的低以降低系统功耗。
2.3.多阈值电压技术
该装置的格栅电压定义为阈值电压，即MOSFET其中一个重要参数。由于阈值电压不同Vth相应设备的漏电流Leakage差异很大，漏电流随阈值电压而变化Vt指数下降，
采用不同阈值电压的标准单元在不同时序路径上降低漏电流，达到降低漏电功耗的目的。
2.4.多电源多电压技术
**（MSMV）**它是一种能有效降低动态功耗的技术，简称多电压技术。所谓多电源，是指不同逻辑模块在不同的电源域由不同的电源供电。 ??具体来说，在芯片设计中，工作频率要求高的系统或模块使用高压，工作频率要求低的系统或模块使用相应的低压Normal从而达到低功耗的目的。 ??例如，在手机基带芯片中CPU或者GPU系统模块只下，系统模块才能满足系统的工作要求。对于一般只需要达到一般性能的模块，可以提供较低的电压，如系统需要一直上电Always-ON域中的Timer计时器等等。