分享-數(shù)字IC：靜態(tài)功耗、動(dòng)態(tài)功耗-KIA MOS管

功耗源

功耗的本質(zhì)是能量耗散。由能量守恒定律可知，能量只能從一種形式轉(zhuǎn)成另一種形式，能量的總量不變。芯片耗散的電能主要轉(zhuǎn)化成熱能。如果一顆芯片的功耗過大，容易導(dǎo)致工作時(shí)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(gè)任務(wù)。靜態(tài)功耗以及動(dòng)態(tài)功耗是兩個(gè)主要的功耗源。

動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗來源于：

（1）當(dāng)門翻轉(zhuǎn)時(shí)，負(fù)載電容充電和放電，稱為翻轉(zhuǎn)功耗

（2）pmos和nmos管的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)都導(dǎo)通時(shí)的有短路電流，稱為短路功耗。

動(dòng)態(tài)功耗是一個(gè)電路在active狀態(tài)下的功耗，active是指電流的輸入或相關(guān)的連線電壓發(fā)生變化，但這一變化并不一定導(dǎo)致電路的輸出發(fā)生變化，因此，動(dòng)態(tài)功耗的有無與電路的輸出是否變化無關(guān)。動(dòng)態(tài)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(tài)切換過程中PMOS和NMOS之間的短路電流功耗。對(duì)簡單的庫單元，internal power主要是短路功耗，對(duì)復(fù)雜的庫單元，internal power主要是電容充放電功耗。

switching power即翻轉(zhuǎn)功耗，是電路的輸出負(fù)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(duì)switching power的計(jì)算，是基于電源電壓，網(wǎng)表中反標(biāo)的負(fù)載電容，及邏輯門的輸出翻轉(zhuǎn)情況。

靜態(tài)功耗

靜態(tài)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(zhì)的泄漏電流（gate leakage）

（3）源漏擴(kuò)散區(qū)的p-n節(jié)泄漏電流（junction leakage）

（4）在有比電路中的競(jìng)爭電流

靜態(tài)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(fā)生變化時(shí)（一般被稱為inactive或static狀態(tài)）的功耗。靜態(tài)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(guān)斷時(shí)實(shí)際并沒有完全關(guān)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(huì)造成芯片靜態(tài)功耗顯著增大。

intrinsic leakage power另一個(gè)來源是晶體管擴(kuò)散區(qū)和襯底之間的電流，又稱為反偏PN節(jié)電流，它的大小主要取決于晶體管狀態(tài)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(jié)點(diǎn)的減小，這一電流對(duì)靜態(tài)功耗的貢獻(xiàn)已經(jīng)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(duì)溫度的敏感性較小。

在PTPX的功耗仿真中，各單元的靜態(tài)功耗是工具查找工藝庫中的功耗表格得到的。

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