IC常用知识4-静态功耗和动态功耗-程序员宅基地

技术标签： IC基础知识  

文章目录

1. 简介

CMOS电路功耗主要由动态功耗和静态功耗组成，动态功耗又分为开关功耗、短路功耗两部分

2. 静态功耗

静态功耗也称为待机功耗，包含有电路中晶体管的漏电流所导致的功耗

3. 动态功耗

3.1 开关功耗

动态功耗包括：开关功耗或称为反转功耗、短路功耗或者称为内部功耗；
开关功耗：电路在开关过程中对输出节点的负载电容充放电所消耗的功耗。比如对于下面的CMOS非门中：
image.png

当Vin=0时，PMOS管导通，NMOS管截止；VDD对负载电容Cl进行充电；
当Vin=1时，PMOS管截止，NMOS管导通；VDD对负载电容Cl进行放电；

这样开关的变化，电源的充放电，形成了开关功耗，开关功耗的计算公式如下， 并且通过这个式子我们可以只要有时钟，或者信号跳变，就存在开关功耗，也就是动态功耗
image.png
在上式中，VDD为供电电压，Cload为后级电路等效的电容负载大小，Tr为输入信号的翻转率，也有另外一种写法，f为时钟频率，一个周期信号翻转两次，所以这里没有 1/2;
image.png
它与电路的工作频率成正比，与负载电容成正比，与电压的平方成正比。

3.2 短路功耗

由于输入电压波形并不是理想的阶跃输入信号，有一定的上升时间和下降时间，在输入波形上升下降的过程中，在某个电压输入范围内，NMOS和PMOS管都导通，这时就会出现电源到地的直流导通电流，这就是开关过程中的短路功耗。
短路功耗产生的条件一样是需要信号产生跳变。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pEqdY5h2-1618457006861)(https://upload-images.jianshu.io/upload_images/9246563-869dc2c80ac8094a.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)]
##3. 静态功耗
在CMOS电路中，静态功耗主要是漏电流引起的功耗

对于常规cmos电路，在稳态时不存在直流导通电流，理想情况下静态功耗为0，但是由于泄露电流的存在，使得cmos电路的静态功耗并不为0。一般情况下，漏电流主要是指栅极泄漏电流和亚阈值电流, CMOS泄露电流主要包括：

  1. PN结反向电流I1（PN-junction Reverse Current）
  2. 源极和漏极之间的亚阈值漏电流I2（Sub-threshold Current）
  3. 栅极漏电流，包括栅极和漏极之间的感应漏电流I3（Gate Induced Drain Leakage）
  4. 栅极和衬底之间的隧道漏电流I4（Gate Tunneling）
    栅极泄漏功耗：在栅极上加信号后（即栅压），从栅到衬底之间存在电容，因此在栅衬之间就会存在有电流，由此就会存在功耗。
    亚阈值电流：使栅极电压低于导通阈值，仍会产生从FET漏极到源极的泄漏电流。此电流称为亚阈值泄漏电流。要降低亚阈值电流，可以使用高阈值的器件，还可以通过衬底偏置进行增加阈值电压，这些属于低功耗设计。
    静态功耗的计算公式如下，Ipeak为泄漏电流：
    image.png

4. 低功耗设计

4.1 RTL级

1.并行结构：并行结构一定程度可以减低某一区域的频率，从而可能降低功耗。
2.流水结构：“路径长度缩短为原始路径长度的1 /M。这样，一个时钟周期内充/放电电容变为C/M。如果在加入流水线之后，时钟速度不变，则在一个周期内，只需要对C/M进行充/放电，而不是原来对C进行充/放电。因此，在相同的速度要求下，可以采用较低的电源电压来驱动系统。”
3.优化编码：通过数据编码来降低开关活动，例如用格雷码取代二进制。
4.操作数隔离：“操作数隔离的原理就是：如果在某一段时间内，数据通路的输出是无用的，则将它的输入置成个固定值，这样，数据通路部分没有翻转，功耗就会降低。”

4.2 门级电路

1.门控时钟技术： 芯片工作时，很大一部分功耗是由于时钟网络的翻转消耗的，控技术基本原理就是通过关闭芯片上暂时用不到的功能和它的时钟，从而实现节省电流消耗的目的，门控时钟对翻转功耗和内部功耗的抑制作用最强，是低功耗设计中的一种最有效的方法。
2.多电压供电
3.多阈值电压
根据多阈值电压单元的特点，为了满足时序的要求，关键路径中使用低阈值电压的单元(low Vt cells)，以减少单元门的延迟，改善路径的时序。而为了减少静态功耗，在非关键路径中使用高阈值电压的单元(high Vt cells)，以降低静态功耗。因此，使用多阈值电压的工艺库，我们可以设计出低静态功耗和高性能的设计。
4.动态电压调节
5.动态频率调节

5. 相关题目：

1.以下哪些变化会存在功耗消耗
A. 只有数据信号翻转
B. 只有复位信号翻转
C. 只有时钟信号翻转
D.所有信号都不翻转
答案:ABCD,
解析：D选项仍然存在静态功耗
芯片的漏电和下列哪些因素有关（）
频率
电压
温度
工艺
答案：BCD
PVT

参考链接：
https://blog.csdn.net/qq_27745395/article/details/76855661
https://blog.csdn.net/moon9999/article/details/77900306
https://www.cnblogs.com/IClearner/p/6923585.html
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.csdn.net/mu_guang_/article/details/115719673

智能推荐

class和struct的区别-程序员宅基地

文章浏览阅读101次。4.class可以有⽆参的构造函数，struct不可以，必须是有参的构造函数，⽽且在有参的构造函数必须初始。2.Struct适⽤于作为经常使⽤的⼀些数据组合成的新类型，表示诸如点、矩形等主要⽤来存储数据的轻量。1.Class⽐较适合⼤的和复杂的数据，表现抽象和多级别的对象层次时。2.class允许继承、被继承，struct不允许，只能继承接⼝。3.Struct有性能优势，Class有⾯向对象的扩展优势。3.class可以初始化变量，struct不可以。1.class是引⽤类型，struct是值类型。

android使用json后闪退,应用闪退问题：从json信息的解析开始就会闪退-程序员宅基地

文章浏览阅读586次。想实现的功能是点击顶部按钮之后按关键字进行搜索，已经可以从服务器收到反馈的json信息，但从json信息的解析开始就会闪退，加载listview也不知道行不行public abstract class loadlistview{public ListView plv;public String js;public int listlength;public int listvisit;public..._rton转json为什么会闪退

如何使用wordnet词典，得到英文句子的同义句_get_synonyms wordnet-程序员宅基地

文章浏览阅读219次。如何使用wordnet词典，得到英文句子的同义句_get_synonyms wordnet

系统项目报表导出功能开发_积木报表 多线程-程序员宅基地

文章浏览阅读521次。系统项目报表导出 导出任务队列表 + 定时扫描 + 多线程_积木报表 多线程

ajax 如何从服务器上获取数据？_ajax 获取http数据-程序员宅基地

文章浏览阅读1.1k次，点赞9次，收藏9次。使用AJAX技术的好处之一是它能够提供更好的用户体验，因为它允许在不重新加载整个页面的情况下更新网页的某一部分。另外，AJAX还使得开发人员能够创建更复杂、更动态的Web应用程序，因为它们可以在后台与服务器进行通信，而不需要打断用户的浏览体验。在Web开发中，AJAX（Asynchronous JavaScript and XML）是一种常用的技术，用于在不重新加载整个页面的情况下，从服务器获取数据并更新网页的某一部分。使用AJAX，你可以创建异步请求，从而提供更快的响应和更好的用户体验。_ajax 获取http数据

Linux图形终端与字符终端-程序员宅基地

文章浏览阅读2.8k次。登录退出、修改密码、关机重启_字符终端

随便推点

Python与Arduino绘制超声波雷达扫描_超声波扫描建模 python库-程序员宅基地

文章浏览阅读3.8k次，点赞3次，收藏51次。前段时间看到一位发烧友制作的超声波雷达扫描神器，用到了Arduino和Processing，可惜啊，我不会Processing更看不懂人家的程序，咋办呢？嘿嘿，所以我就换了个思路解决，因为我会一点Python啊，那就动手吧！在做这个案例之前先要搞明白一个问题：怎么将Arduino通过超声波检测到的距离反馈到Python端？这个嘛，我首先想到了串行通信接口。没错！就是串口。只要Arduino将数据发送给COM口，然后Python能从COM口读取到这个数据就可以啦！我先写了一个测试程序试了一下，OK！搞定_超声波扫描建模 python库

凯撒加密方法介绍及实例说明-程序员宅基地

文章浏览阅读4.2k次。端—端加密指信息由发送端自动加密，并且由TCP/IP进行数据包封装，然后作为不可阅读和不可识别的数据穿过互联网，当这些信息到达目的地，将被自动重组、解密，而成为可读的数据。不可逆加密算法的特征是加密过程中不需要使用密钥，输入明文后由系统直接经过加密算法处理成密文，这种加密后的数据是无法被解密的，只有重新输入明文，并再次经过同样不可逆的加密算法处理，得到相同的加密密文并被系统重新识别后，才能真正解密。2．使用时，加密者查找明文字母表中需要加密的消息中的每一个字母所在位置，并且写下密文字母表中对应的字母。_凯撒加密

工控协议--cip--协议解析基本记录_cip协议embedded_service_error-程序员宅基地

文章浏览阅读5.7k次。CIP报文解析常用到的几个字段：普通类型服务类型:[0x00], CIP对象:[0x02 Message Router], ioi segments:[XX]PCCC（带cmd和func）服务类型:[0x00], CIP对象:[0x02 Message Router], cmd:[0x101], fnc:[0x101]..._cip协议embedded_service_error

如何在vs2019及以后版本(如vs2022)上添加 添加ActiveX控件中的MFC类_vs添加mfc库-程序员宅基地

文章浏览阅读2.4k次，点赞9次，收藏13次。有时候我们在MFC项目开发过程中，需要用到一些微软已经提供的功能，如VC++使用EXCEL功能，这时候我们就能直接通过VS2019到如EXCEL.EXE方式，生成对应的OLE头文件，然后直接使用功能，那么，我们上篇文章中介绍了vs2017及以前的版本如何来添加。但由于微软某些方面考虑，这种方式已被放弃。从上图中可以看出，这一功能，在从vs2017版本15.9开始，后续版本已经删除了此功能。那么我们如果仍需要此功能，我们如何在新版本中添加呢。_vs添加mfc库

frame_size (1536) was not respected for a non-last frame_frame_size (1024) was not respected for a non-last-程序员宅基地

文章浏览阅读785次。用ac3编码，执行编码函数时报错入如下：[ac3 @ 0x7fed7800f200] frame_size (1536) was not respected for anon-last frame (avcodec_encode_audio2)用ac3编码时每次送入编码器的音频采样数应该是1536个采样，不然就会报上述错误。这个数字并非刻意固定，而是跟ac3内部的编码算法原理相关。全网找不到，国内音视频之路还有很长的路，音视频人一起加油吧～......_frame_size (1024) was not respected for a non-last frame

Android移动应用开发入门_在安卓移动应用开发中要在活动类文件中声迷你一个复选框变量-程序员宅基地

文章浏览阅读230次，点赞2次，收藏2次。创建Android应用程序一个项目里面可以有很多模块，而每一个模块就对应了一个应用程序。项目结构介绍_在安卓移动应用开发中要在活动类文件中声迷你一个复选框变量

推荐文章

热门文章

相关标签