DM, Tardor 2004 1

Lògica dinàmica

Rosa M. BadiaRamon Canal

DMTardor 2004

DM, Tardor 2004 2

Estructures dinàmiques CMOS• La utilització d’estructures estàtiques CMOS es

interessant de cara a facilitar el disseny i reduir el consum, però suposa un increment dels retards i àrea

• Les estructures dinàmiques s’utilitzen per accelerar els càlculs i a la vegada reduir el nombre de transistors requerits

• Famílies lògiques:– Lògica dinàmica– Lògica NP – Lògica Domino– Lògica multifase– Lògica CVSL (versió dinàmica)– Lògica Domino amb múltiples sortides– Lògica NORA

DM, Tardor 2004 3

Estructures dinàmiques CMOS

• Principis de funcionament:– La tecnologia dinàmica es bassa en la utilització de

les capacitats paràsites (capacitats de porta) per emmagatzemar temporalment valors

DM, Tardor 2004 4

Famílies lògiques• Lògica Dinàmica

– El funcionament de la porta es composa de dues fases:• Pre-càrrega• Avaluació

DM, Tardor 2004 5

Famílies lògiques• L’encadenament de portes lògiques dinàmiques

produeix una descàrrega no volguda en la fase d’avaluació

DM, Tardor 2004 6

Famílies lògiques

• Estructures en lògica dinàmica

DM, Tardor 2004 7

Famílies lògiques• Lògica NP:

– Es poden crear portes dinàmiques amb la funció en el pull-down(porta N) i al pull-up (porta P)

DM, Tardor 2004 8

Famílies lògiques

• Lògica NP: l’encadenament de portes N amb portes P evita el problema de la descàrrega

DM, Tardor 2004 9

Famílies lògiques• Lògica Domino:

– S’afegeix un inversor a la sortida per evitar la descàrrega

DM, Tardor 2004 10

Famílies lògiques

CL

CLK

CLK

Me

Mp

A

B

!Out

Mkp

Keeper

Solució a la pèrdua de càrrega (leakage)• Keeper compensates for the charge lost

due to the pull-down leakage paths.

DM, Tardor 2004 11

Famílies lògiques

• Versions a la lògica domino

DM, Tardor 2004 12

Famílies lògiques

• Més variacions en la lògica domino

DM, Tardor 2004 13

Famílies lògiques

CL

CLK

CLK

Ca

Cb

B=0

AOut

Mp

Me

Redistribució de càrregaen domino:Charge stored originally on CLis redistributed (shared) over CL and CA leading to static power consumption by downstream gates and possible circuit malfunction.

When ∆Vout = - VDD (Ca / (Ca + CL )) the drop in Vout is large enough to be below the switching threshold of the gate it drives causing a malfunction.

DM, Tardor 2004 14

Families lògiques

CLK

CLK

Me

Mp

A

B

OutMkp CLK

Solució a la redistribució de càrrega

Precharge internal nodes using a clock-driven transistor (at the cost of increased area and power)

DM, Tardor 2004 15

Famílies lògiquesClock Feedthrough

Mp

Me

VDD

CLKOut

CLK

A

B

CL

Ca

Cb

Ma

Mb

X

CLK2.5V

overshoot

out

could potentially forward bias the diode

Capacitive coupling between Out and Clk input of the precharge device due to the gate to drain capacitance. So voltage of Out can rise above VDD. The fast rising (and falling edges) of the clock couple to Out.

DM, Tardor 2004 16

Mp

Me

VDD

CLK Out

CLK

A

B

CL

Ca

Cb

Ma

Mb

X

Clock feedthrough

Clock feedthrough

Famílies lògiquesClock Feedthrough

DM, Tardor 2004 17

Families lògiquesBackgate Coupling

• Susceptible to crosstalk due to 1) high impedance of the output node and 2) capacitive coupling

– Out2 capacitively couples with Out1 through the gate-source and gate-drain capacitances of M4

CL1

CLK

CLK

B=0

A=0

Out1Mp

Me

Out2

CL2

In

Dynamic NAND Static NAND

=1 =0M1

M2 M3

M4

M5M6

DM, Tardor 2004 18

-1

0

1

2

3

0 2 4 6

Vol

tage

Time, ns

Clk

In

Out1

Out2Does not discharge to GND

Due to backgate

Due to clk feedthrough

Families lògiquesBackgate Coupling

DM, Tardor 2004 19

Families lògiquesAltres efectes

• Capacitive coupling• Substrate coupling• Minority charge injection• Supply noise (ground bounce)

DM, Tardor 2004 20

Famílies lògiques

Mp

Me

VDD

PDN

Clk

In1In2In3

Out1

Clk

Mp

Me

VDD

PDN

Clk

In4

Clk

Out2

Mr

VDD

Inputs = 0during precharge

Can be eliminated!

• Millores a la lògica domino

DM, Tardor 2004 21

Families lògiques• Footless Domino

The first gate in the chain needs a foot switchPrecharge is rippling – short-circuit currentA solution is to delay the clock for each stage

VDD

Clk MpOut1

In1

1 0

VDD

Clk MpOut2

In2

VDD

Clk MpOutn

InnIn3

1 0

0 1 0 1 0 1

1 0 1 0

DM, Tardor 2004 22

Famílies lògiques• Lògica multifase

– S’utilitzen quatre fases d’un rellotge per crear un pipeline en l’avaluació de les portes.

– S'utilitza una porta de pas per controlar la interconnexió

DM, Tardor 2004 23

Famílies lògiques• Lògica multifase

– L’avaluació d’una etapa i la transferència de dades d’una etapa a la següent es realitza en quatre fases

DM, Tardor 2004 24

Famílies lògiques• Lògica multifase

– Inicialment es precarrega el senyal intern FX1. El senyal F1 no es modifica.

DM, Tardor 2004 25

Famílies lògiques• Lògica multifase

– El senyal FX1 es propaga a la sortida F1. El senyal FX2 es precarrega.

DM, Tardor 2004 26

Famílies lògiques• Lògica multifase

– Els senyals FX1 y F1 avaluen. El senyal FX2 es propaga a la sortida F2.

DM, Tardor 2004 27

Famílies lògiques• Lògica multifase

– El senyal F1 s'aïlla de FX1. El senyal FX2 avalua i es propaga a la sortida F2.

DM, Tardor 2004 28

Famílies lògiques• Lògica multifase

– El senyal FX1 es precarrega, mentre F1 està aïllada. La sortida F2 manté el seu valor.

DM, Tardor 2004 29

Famílies lògiques• Lògica multifase

– Les portes poden conectar-se per crear pipelines de quatre o de

dues etapes.

DM, Tardor 2004 30

Famílies lògiques

• Lògica CVSL (versió dinàmica)

DM, Tardor 2004 31

Famílies lògiques

• Lògica NORA C2MOS gate