分享-數字IC：靜態功耗、動態功耗-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-11-18
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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