摘 要： 傳統(tǒng)絕熱電路ECRL(Efficient Charge Recovery Logic)有兩個缺點，其一是電路節(jié)點能量不能被完全回收,；其二是電路的功耗隨著負載電容的增大而增加,。對此提出了兩種改進型電路，一種是構(gòu)造一條能量回收通路,，使得未回收的能量通過構(gòu)造的通路得到回收,，用有限的絕熱損失實現(xiàn)非絕熱能量的完全回收；另一種是通過自舉操作使得電路的非絕熱過程僅涉及電容較小的驅(qū)動MOSFET管,，與負載電容不直接相關(guān),。采用0.5 μm BSIM3v3模型工藝的HSPICE對上述電路進行仿真，結(jié)果表明,，與ECRL電路相比,，兩種改進型電路的功耗均有一定程度的降低。
關(guān)鍵詞： ECRL,； 能量回收,； 絕熱電路
通常降低集成電路功耗的方法有減小負載電容、減少開關(guān)跳變和降低電源電壓等,，但是這些降低功耗的方法是有限制的,。近年來人們提出了一種在電路設(shè)計上能夠極大減少電路功耗的新型電路，稱為絕熱電路,，也稱能量回收電路,。
絕熱電路可分為完全絕熱電路與半絕熱電路兩種，前者從理論上講功耗可以達到零,，但是需要復(fù)雜的可逆邏輯電路,，實現(xiàn)起來難度很大，后者雖然沒有實現(xiàn)零功耗,，但是電路結(jié)構(gòu)相對簡單,，且相對傳統(tǒng)CMOS電路功耗已明顯降低，因此不完全絕熱電路近年成為主要研究對象,。不完全絕熱電路有ECRL,、2N-2P、2N-2N2P,、PAL,、PAL-2N等[2-4], 這些電路在一定程度上實現(xiàn)了低功耗，但各自存在一定缺陷，其一是電路節(jié)點能量不能被完全回收,，殘留能量與MOSFET的開啟電壓VT有關(guān),，如果節(jié)點電容是C，則電路的非絕熱損耗為E=CVT2,。其二是電路功耗與電路的負載電容直接相關(guān),，功耗隨著負載電容的增大而增加。
針對傳統(tǒng)ECRL電路的缺點提出了兩種改進型電路,。
1 ECRL電路
ECRL電路的結(jié)構(gòu)和功率時鐘如圖1所示,功率時鐘一方面為電路提供能源,，同時也控制著電路的工作節(jié)奏，實現(xiàn)了求值和能量的回收,。ECRL的工作過程分為預(yù)充求值階段,、保持階段、回收階段以及等待階段,。
假設(shè)在預(yù)充求值階段INB為邏輯“1”,，IN為邏輯“0”,此時由于MN2導(dǎo)通而將OUTB節(jié)點拉到低電平，當(dāng)CLK上升到MOS管的閾值電壓|VTP|時MP1導(dǎo)通,，CLK通過MP1對OUT節(jié)點充電,，但在CLK未達到|VTP|之前時，
利用0.5 μm BSIM3v3工藝模型,，在功率時鐘的上升和下降時間均為20 ns,、頻率為12.5 MHz幅值為5 V、負載電容分別為20 fF的條件下,，通過HSPCIE仿真得到其功耗為0.217 23 μW,。
2 改進的ECRL電路(IECRL)
ECRL電路的節(jié)點能量不能被完全回收,，這影響了電源的回收效率,。IECRL電路是對ECRL電路的改進，該電路通過構(gòu)造一條能量回收通路使得未回收的能量得到回收,。IECRL電路的結(jié)構(gòu)和工作時鐘如圖2所示,。
假設(shè)在預(yù)充求值階段輸入INB為邏輯“1”，IN為邏輯“0”,，與ECRL電路相同,，OUTB節(jié)點被拉到低電平，區(qū)別在于CLK未達到|VTP|之前時,，CLK1為高電平使MN3導(dǎo)通,因此在輸出OUT節(jié)點從零到|VTP|過程中無非絕熱損失,。當(dāng)CLK達到最大值時，OUT也隨著CLK達到最大值,，電路進入保持階段,。當(dāng)CLK由最大值下降時，通過MP1將能量回收至CLK,，此時CLK1為高電平使得MN3導(dǎo)通,，殘余能量通過MN3回收至CLK,，因此OUT可以下降到零?；厥者^程結(jié)束后,，電路進入等待階段，輸入端重新賦值進入下一周期,。
IECRL的能耗僅包括絕熱能耗,，其第一部分是CLK對負載電容的充放電能
IECRL電路的仿真結(jié)果圖3所示，由于對ECRL電路進行改進,，輸出 OUT和OUTB節(jié)點的低電平已經(jīng)達到零,，說明能量回收有一定程度的改善。
利用0.5 μm BSIM3v3工藝模型,在功率時鐘的上升和下降時間均為20 ns,、頻率為12.5 MHz幅度為5 V,、負載電容為20 fF的條件下，通過HSPCIE仿真得其功耗為0.529 67 μW,。在相同條件下,，IECRL電路的功耗約為ECRL電路的2.4倍，這是因為在預(yù)充求值和回收期間CLK1使額外增加的NMOS管導(dǎo)通來減少電路的非絕熱損失,，但IECRL電路的輸出低電平降到零,，提高了電路的抗干擾性。IECRL電路的優(yōu)勢在于在實際的由阻尼振蕩產(chǎn)生的時鐘電路中,，回收的能量可以及時補充給CLK,，使得電路一直維持下去。
3 改進的自舉能量恢復(fù)電路(IBERL)
IBERL電路通過自舉操作使得電路的非絕熱過程僅涉及電容較小的驅(qū)動MOSFET管,，與負載電容不直接相關(guān),。IBERL電路的結(jié)構(gòu)和時鐘電路如圖4所示。
B1和B2是自舉操作的節(jié)點,，電路中一個脈沖的周期分為六個時間段：T1,、T2、T3,、T4,、T5、T6,。假設(shè)輸入INB為邏輯“1”,，IN為邏輯“0”，在T1時間段,，由于N2導(dǎo)通,，因此A2點的電壓為零。當(dāng)CLK隨時間上升到|VTP|時P1導(dǎo)通，CLK通過P1對A1節(jié)點充電,當(dāng)CLK達到最大值時,，A1節(jié)點電壓也達到最大值,。因為A1點與B1點之間采用互補傳輸門，不會有閾值損失,所以B1節(jié)點的電壓也隨著CLK達到最大值,，而節(jié)點A2和B2保持在零電位,。B1節(jié)點的高電平使N8導(dǎo)通，將輸出OUTB節(jié)點拉到低電平,。T2時間段各節(jié)點電壓大小不變,。在T3時間段，CLK由高電平向低電平變化的過程中,A1節(jié)點隨著CLK變化,，由于N3和P3的接法相當(dāng)于一個反向的二極管,，因此節(jié)點B1的電荷不會通過N3或者P3倒流到CLK，電位依然是CLK的最大值,，節(jié)點A2和B2不受影響,，依然保持在零電位。在T4~T6時間段,，N3和P3,、N4和P4保持在截止?fàn)顟B(tài)，OUTB為低電平,；當(dāng)CLK1逐漸升高時,由于B1節(jié)點與CLK1節(jié)點間寄生電容的作用,，節(jié)點B1由于自舉作用升高使得N5保持在導(dǎo)通狀態(tài)，輸出信號是一個與CLK2相同的脈沖,由于自舉操作的NMOS管的柵電容遠小于負載電容,，因此電路的功耗可以降低很多,。
IBERL的功耗包括絕熱能耗和非絕熱能耗。絕熱能耗包括兩個部分：第一部分是對負載電容的充放電能耗
利用0.5 μm BSIM3v3工藝模型,，在功率時鐘的上升和下降時間均為20 ns,、頻率為7.14 MHz幅值為5 V、負載電容為20 fF的條件下,，通過HSPCIE仿真得其功耗為0.169 24 μW,。在此條件下，IBERL電路的功耗約為ECRL電路的70%,。
圖5分別表示了是ECRL電路和IBERL電路功耗隨負載電容的變化情況，可以看出隨著負載電容的增大,，IBERL電路相比ECRL電路功耗增加更緩慢,，因此在負載比較重的情況，IBERL電路的能耗優(yōu)勢就會越明顯,。
IECRL電路構(gòu)造了一條能量回收通路使得未回收的能量通過構(gòu)造的通路得到回收,，用有限的絕熱損失實現(xiàn)非絕熱能量的完全回收；IBERL電路通過自舉操作，使得電路的非絕熱過程僅涉及電容較小的驅(qū)動MOSFET管,，與負載電容不直接相關(guān),。HSPICE的仿真結(jié)果表明，兩種改進型電路的性能比傳統(tǒng)的ECRL電路有明顯改進,。
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