[发明专利]高速低功耗多阈值双边沿触发D型触发器

说明书

技术领域

本发明主要涉及到大规模集成电路设计领域，特指一种高速低功耗多阈值双边沿触发D型触发器。

背景技术

随着工艺技术的不断提高，目前超大规模集成电路设计已进入深亚微米阶段。特征尺寸的降低，必然会带来MOS器件的阈值电压的降低，使得电路的漏电流随着特征尺寸的降低而呈指数形式上升，直接造成了电路漏电流功耗迅速增加。由漏电流带来的静态功耗已经不能被忽视。

工作在GHz范围内的系统，其功耗达到了几十w，甚至是几百w以上。过大的功耗带来了一系列的问题，已成为超大规模集成电路发展的一个重要障碍。高的功耗导致了芯片温度的高温。工作温度的升高不仅使电路的各种物理缺陷所造成的故障显现出来，而且高的工作温度使电路的连线电阻变大，线延时增加，导致严重的时延故障。同时，工作温度的升高将导致漏电流的增大，使芯片内部的工作容易失效，寿命缩短等。这些最终导致了电路的可靠性大大降低。有研究表明，温度每升高10^oC，器件的故障率就提高2倍。

低功耗设计技术贯穿于从系统级到器件（工艺）级的整个数字系统设计过程。集成电路设计的层次可以划分为以下几个层次：系统级、功能级（行为算法级）、寄存器传输级（结构级）、门级（逻辑电路级）、版图级（物理级）。

触发器、锁存器是构成时序逻辑电路的基本单元，触发器、锁存器消耗的功耗约占整个芯片的15%~45%。针对现在时钟频率越来越高的现象，触发器、锁存器的功耗比重在整个芯片中也越来越重，减少触发器的功耗，已经成为整个芯片设计的必备要求。

现在工艺技术发展到深亚微米阶段，漏电流带来的静态功耗己经成为不可忽视的功耗。降低漏电流功耗就是要降低漏电流。漏电流主要包括亚阈值漏电流、pn结反相漏电流和击穿电流等，而其中的亚阈值漏电流是漏电流的最主要部分。

当前电路设计中，已提出几种降低漏电流的技术。

1、亚阈值漏电流控制。多阈值 CMOS电路(Multi-threshold CMOS)是在一个电路中应用了多个阈值电压来控制亚阈值电流，也就是电路中管子的阈值电压有不同的值。目前应用的比较多的是双阐值电压，即在关键的通路采用低阐值MOS管，可以得到好的性能，而在辅助通路采用高阈值MOS管，以减小亚阈值漏电流。

2、动态阈值电压CMOS( Dynamic Threshold Voltage CMOS)控制。动态阈值电路是根据电路的状态来改变阈值。最早是通过一个自我调节阈值电压的负反馈电路来估计和稳定漏电流，反馈电路主要是通过调节衬底电压来调节阈值电压的，这样增加了电路的面积，也增加了一定的功耗。随后，又有从业者提出了一种动态MOS管，将衬底与输入相连接，这样衬底电压就随着输入电压的变化而变，无需附加电路。这种电路能够进一步降低一定的电源电压来降低功耗，但漏电流不一定能降低，而且工艺技术比较高。

3、晶体管重排法。晶体管重排法是先定义电路的一个输入向量，该向量可以降低电路的漏电流。当每个门处于高漏电流的时候，在电源与地之间、或者是上拉网络与下拉网络之间插入一个漏电流控制晶体管用来减小漏电流。这就需要又计算一个预定的向量，而且通过插入管子来降低漏电流。虽然能降低一定的功耗，但这个管子本身也会消耗一定的能量，并且会增加电路的面积以及增加电路设计的复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低廉、可提高传输效率、降低静态漏电流和功耗的高速低功耗多阈值双边沿触发D型触发器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高速低功耗多阈值双边沿触发D型触发器，包括：

低功耗控制电路，用来接收低功耗控制输入信号slp，对低功耗控制输入信号slp进行缓冲处理后分别输出信号：sleep和nsleep；

正沿触发锁存器，用来接收数据信号d，正相时钟输入信号clk、反相时钟输入信号nclk以及信号sleep和nsleep；正沿触发锁存器在正相时钟输入信号clk、反相时钟输入信号nclk的控制下对数据信号d进行锁存处理后输出信号qtp；

负沿触发锁存器，用来接收数据信号d，正相时钟输入信号clk、反相时钟输入信号nclk以及信号sleep和nsleep；负沿触发锁存器在正相时钟输入信号clk、反相时钟输入信号nclk的控制下对数据信号d进行锁存处理后输出信号：qtn；