低功耗多电源多地电压多米诺电路

       多米诺电路以其速度快的优良特性，被广泛应用于微处理器、存储器、缓存器和探测器中的高速运算电路及其关键路径中，是工作频率在2 GHz以上系统中的最主流动态逻辑电路[1-3]。但是，随着半导体工艺的飞速发展和芯片工作频率的提高，芯片的功耗迅速增加。尤其在手机、掌上电脑（PDA）、笔记本电脑等大量便携式设备出现以后，人们对低功耗的要求更加迫切[4，5]。

       在现有诸多降低多米诺电路功耗的方法中，多电源电压技术是被业界广泛应用和认可的低功耗技术[6]。但是，多电源电压技术只考虑电源电压，而忽略了地电压，如果同时对地电压进行优化，多米诺电路的功耗可以进一步降低。另外，由于N阱工艺设计规则对N阱隔离的要求，不同的电源必须置于不同的N阱之中，由此造成版图面积急剧增大。因此，进一步优化多电源技术的功耗特性，同时解决该技术版图过大的问题，是电路设计者面临的关键问题。本文对多电源电压多米诺电路的地电压进行了有效的优化，并提出了共阱多地技术，节省了版图面积，从而使多米诺电路满足当今集成电路发展中在速度、功耗和面积方面的要求，具有更加广阔的应用前景。

1 共阱多地技术的提出

       传统的多电源电压多米诺电路如图1（a）所示，在电路中采用低电源电压VDDl来代替高电源电压VDDh，由CMOS电路的功耗模型（式(1)）可知，随着电源电压的降低，多米诺电路的功耗将明显减小。多米诺电路的版图设计如图1（b）所示，由于两个PMOS管分别与不同的电源电压相连接，所以两N阱隔离。但是从图中可以明显看出，应用此种方法，版图设计复杂且大大增加了面积。此外，从式（1）还可以看出，除了降低电源电压即在电路中应用低电源电压技术外，还可以通过降低逻辑摆幅Vswing的方法，抑制电路的功耗，即应用高地电压GNDh (GNDh>0 V)，使逻辑摆幅由原来的VDD－GND变为VDDl－GND，或是VDD－GNDh，或是VDDl－GNDh，如图2和表1所示。

       管的源极连接在低电源电压VDDl电源线上，衬底连接在高电源电压VDDh上，NMOS的源极连接在高地电压GND上，衬底连接在标准地电压GND上。所以，不论是NMOS管还是PMOS管，均存在衬底反偏效应，如式（2）所示。