采用靜態(tài)CMOS和單相能量回收電路的乘法器電路設(shè)計(jì)

O 引言

　　電路中的功率消耗源主要有以下幾種：由邏輯轉(zhuǎn)換引起的邏輯門(mén)對(duì)負(fù)載電容充、放電引起的功率消耗;由邏輯門(mén)中瞬時(shí)短路電流引起的功率消耗;由器件的漏電流引起的消耗，并且每引進(jìn)一次新的制造技術(shù)會(huì)導(dǎo)致漏電流20倍的增加，漏電流引起的消耗已經(jīng)成為功率消耗的主要因素。目前降低功耗的方法主要有：減小電源電壓、調(diào)整晶體管尺寸、采用并行和流水線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、利用睡眠模式、采用絕熱邏輯電路等。其中，能量回收邏輯就是基于絕熱計(jì)算發(fā)展起來(lái)的一種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。

這里簡(jiǎn)單介紹一種使用單相正弦電源時(shí)鐘的能量回收邏輯，并用這種原理電路設(shè)計(jì)了一個(gè)兩位的數(shù)字乘法器電路，與靜態(tài)CMOS數(shù)字乘法器相比，這種能量回收乘法器能夠大大降低功率消耗。

　　1 單相正弦電源時(shí)鐘能量回收邏輯電路工作原理

　　以反相器為例說(shuō)明這種電路的工作原理，如圖1所示。M1和M2的連接方式與傳統(tǒng)的靜態(tài)CMOS邏輯電路相似。不同的是電源不再是恒定不變的，而是用一個(gè)正弦信號(hào)代替，這個(gè)信號(hào)同時(shí)起到同步電路工作的作用，因此又稱作電源時(shí)鐘。M3和M4連接成二極管的形式用來(lái)控制充放電的路徑。

　　當(dāng)輸入信號(hào)B為邏輯“O”時(shí)，M1導(dǎo)通，M2截止。正弦信號(hào)正半周時(shí)，通過(guò)M3和M1向負(fù)載電容充電，一旦電容充電到最大值，M3能夠阻止電容向輸入正弦時(shí)鐘信號(hào)放電，輸出保持在高電平不變。當(dāng)輸入信號(hào)B為邏輯“1”時(shí)，M1截止，M2導(dǎo)通。正弦信號(hào)負(fù)半周時(shí)，負(fù)載電容通過(guò)M2和M4向輸入正弦時(shí)鐘信號(hào)放電，一旦電容放電到最小值，M4能夠阻止輸入正弦時(shí)鐘信號(hào)向電容充電，輸出保持為低電平不變。

　　2 基于單相能量回收電路的乘法器電路設(shè)計(jì)

　　2.1 基于單相能量回收電路的乘法器

　　兩位乘法器能夠?qū)崿F(xiàn)2位二進(jìn)制數(shù)的乘法運(yùn)算，設(shè)A1A0，B1B0為乘數(shù)和被乘數(shù)，P3P2P1P0為乘法運(yùn)算得到的積，由卡諾圖(見(jiàn)圖2)得到兩位乘法器的輸出邏輯函數(shù)表達(dá)式分別為：