JPH07221631A - Cmos回路 - Google Patents

Cmos回路

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JPH07221631A
JPH07221631A JP7013282A JP1328295A JPH07221631A JP H07221631 A JPH07221631 A JP H07221631A JP 7013282 A JP7013282 A JP 7013282A JP 1328295 A JP1328295 A JP 1328295A JP H07221631 A JPH07221631 A JP H07221631A
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JP
Japan
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coupled
clock
circuit
cmos
input
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Pending
Application number
JP7013282A
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English (en)
Inventor
Steven C Avery
シー.アベリィ スティーブン
Alexander G Dickinson
ジョージ ディキンソン アレクサンダー
Thaddeus J Gabara
ジョン ガバラ サディウス
Alan H Kramer
エイチ.クラマー アラン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
AT&T Corp
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Publication date
Application filed by American Telephone and Telegraph Co Inc, AT&T Corp filed Critical American Telephone and Telegraph Co Inc
Publication of JPH07221631A publication Critical patent/JPH07221631A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0008Arrangements for reducing power consumption
    • H03K19/0019Arrangements for reducing power consumption by energy recovery or adiabatic operation
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03KPULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/08Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
    • H03K19/094Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
    • H03K19/096Synchronous circuits, i.e. using clock signals
    • H03K19/0963Synchronous circuits, i.e. using clock signals using transistors of complementary type

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Logic Circuits (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 CMOS論理回路において、使用するデバイ
ス総数を減少させ、場合により多重出力を与えると同時
に、準静的抵抗散逸により断熱的挙動を実現する。 【構成】 クロック信号により電力を供給されるCMO
S論理回路であり、戦略的に配置されたダイオードの付
加により、回路は断熱的に挙動することができる。実施
例の回路は、クロック入力信号と直列に結合されたスイ
ッチングダイオードからなる。一対のダイオードは一対
の入力クロックと結合される。各入力クロックは、相補
的な形で他のものと位相が180°ずれる。また、一対
のダイオードはCMOS回路に結合されるが、この場
合、入力クロックの1つの位相だけが回路の駆動に使用
される。いずれの場合でも、CMOS回路は準静的抵抗
散逸を示し、従って、断熱的に挙動する。追加要件は、
ゲート間でデータを転送するクロックが必要なことであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は携帯型電子装置で使用す
るのに適した低電力散逸CMOS回路に関する。さらに
詳細には、本発明は準安定抵抗散逸のために回路内に結
合されたダイオードを使用し、多重出力セーブ機能を実
現するCMOS回路に関する。
【0002】
【従来の技術】多くの電子システムにおいて低電力回路
は望ましい機能である。携帯型の、限られた電源しか有
しない電子システムでは特に望ましい。電力散逸が論争
の種であったとき、既にCMOSはエミッタ結合論理
(ELC)、バイポーラおよびその他の回路技術の魅力
的な代替手段であった。
【0003】しかし、サブミクロン範囲におけるCMO
S設計特徴および対応するスイッチング周波数の増大に
より、CMOSにおける電力散逸も現在では大きな関心
事となっている。最近の幾つかの集積回路設計は数十ワ
ットもの電力を散逸する。或る場合には、パッケージン
グ技術を圧迫する。
【0004】スイッチング処理中に散逸されるエネルギ
ー量は低速度で論理スイッチングを行うことにより低減
させることができる。これは断熱スイッチングとして知
られている。この断熱スイッチングは信号エネルギーを
循環し、エネルギーを節約し、そして、その他の情報を
表示するためにそのエネルギーを後で再使用する。重要
なことは、回路の動作速度が遅くなればなるほど、スイ
ッチング処理中に散逸されるエネルギー量も小さくな
る。
【0005】例えば、図7は従来技術のCMOSインバ
ータを示す。このCMOSインバータはnfetと直列
なpfetからなり、各デバイスのドレインは一緒に出
力Yに結合されている。nfetは標準的なオフスイッ
チである。ゲートに電荷が存在しない場合、ソースとド
レイン間は接続されない。電荷がゲートに存在すると、
ソースはドレインと結合される。
【0006】これと対照的に、pfetは標準的なオン
スイッチである。ゲートに電荷が存在しない場合、ソー
スとドレイン間は接続される。電荷がゲートに存在する
と、ソース/ドレイン間の接続は切断される。負荷容量
Cはインバータが接続されるデバイスのゲート容量を示
す。Xが低い場合、pfetはYを電源に接続し、接地
から分離する。Xが高い場合、nfetはYを接地に接
続し、電源から分離する。従って、このデバイスは論理
インバータとして機能する。
【0007】出力が電圧Vである場合、コンデンサはQ
=CVの電荷を有する。コンデンサはE=1/2・CV
2の信号エネルギーを蓄える。電源はQV=CV2のエネ
ルギー量を供給するので、その差のEh=1/2・CV2
は充電処理中にpfetにおける熱として放散されなけ
ればならない。入力が1に戻る場合、負荷容量は接地に
まで放電される。この時点でnfet内の信号エネルギ
ーは消失する。従って、全体的なスイッチングループ内
で散逸された全エネルギーはCV2である。
【0008】図8(A)〜(E)を参照する。図8
(A)はRC回路を示す。ここで、抵抗Rは使用可能に
されたMOSデバイスを示す。初めに、β1およびVout
は両方とも低電位である。β1は図8(B)に示された
ネットワークに階段関数を作用させ、Voutは指数関数
的に応答する。
【0009】t=0+において、全電圧が抵抗Rの両端
に印加される。散逸されるエネルギーは、E0=1/2
・CV2である。図8(C)に示されるように、ステッ
プ(階段)が2個の半ステップに分割される場合、散逸
されるエネルギーはE0=1/4・CV2である。駆動信
号の階段関数が一層小さなステップサイズに分割される
場合、抵抗内で散逸されるエネルギーも小さくなる。
【0010】図8(B)および図8(C)における最終
電圧は同一であるが、図8(C)よりも長い期間が必要
である。図8(D)において、ステップはさらに細分さ
れ、極限的な状態では、波形は図8(E)で示される。
図8(E)の場合の散逸エネルギーは(2RC/T)
(1/2・CV2)で示される。TがRC時定数よりも
大きくなるにつれて、抵抗内で散逸されるエネルギーは
顕著に低下させることができる。
【0011】従って、従来技術では、散逸媒体によるエ
ネルギーの転送は、この転送が十分に緩慢に行われる場
合、少量のエネルギーしか散逸しない。従来技術の“ホ
ットクロックnMOS”と呼ばれる設計は、この原理を
MOS回路に適用し、次の2つのルールに従う。(1)
MOS回路間の電位がゼロでなければ、スイッチ(MO
Sデバイス)は使用不能にならない。(2)MOS回路
内を電流が流れる場合、スイッチは使用可能にはならな
い。MOS回路の設計においてこれらのルールに従うこ
とにより、超低散逸電力回路を作製することができる。
さらに、DC/DCコンバータも従来技術におけるこれ
らの設計ルールに従う。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、使用するデバイス総数を低くすることができ、場合
により多重出力を与えると同時に、準静的抵抗散逸(qua
si-static resistive dissipation)を使用することによ
り、断熱的挙動を示すことができるCMOS論理回路を
提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、準静的抵抗散逸を示すためにCMOS回
路を使用可能にする回路を提供する。この回路は、クロ
ック入力信号と直列に結合されたスイッチングダイオー
ドからなる。本発明によれば、一対のダイオードは一対
の入力クロックと結合される。各入力クロックは、相補
的な形で他のものと位相が180°ずれる。また、本発
明によれば、一対のダイオードはCMOS回路に結合さ
れるが、この場合、入力クロックの一つの位相だけが回
路の駆動に使用される。いずれの場合でも、CMOS回
路は準静的抵抗散逸を示し、従って、断熱的に挙動す
る。追加要件は、ゲート間でデータを転送するクロック
が必要なことである。
【0014】
【実施例】以下、図面を参照しながら本発明を具体的に
説明する。
【0015】下記の実施例の説明において、CxはCx
と同じものを意味するものと理解される。
【0016】断熱的に動作されるCMOS回路に電力を
供給するために使用されるクロックと結合されたダイオ
ードの実現について以下詳細に説明する。本発明によれ
ば、一対のダイオードが一対のクロック信号と共に使用
される。ここで、このクロック信号は相互に位相が18
0°ずれている。図1(A)および図1(B)を参照す
る。
【0017】これらの図は、入力信号INを断熱的に出
力ノードOUTにシフトさせるためのCMOSインバー
タ回路を示す。図1(B)のタイミング図を参照する。
INは論理1であり、C1は上がり、C1は下がる(環
で囲まれた区域1に対応する)。ここで、信号Aは断熱
的に0にまで低下される。これはIN変化の1位相後に
起こる。C1およびC1が変更するとき、入力INは安
定である。
【0018】図2および図3は、ゲート間でデータが転
送される方法を例証する。適正な転送を保証するため
に、Aが安定な場合にだけ変化するクロックC2および
C2が導入される。C2が上がり、C2が下がる場合
(環で囲まれた区域2に対応する)、中間信号Bは1に
まで上昇する。
【0019】同様に、C1が上がり、C1が下がる場合
(環で囲まれた区域3に対応する)、中間信号Dは0に
まで低下され、C2が上がり、C2が下がる場合、出力
信号OUTは上昇させられる。同じシナリオにより、I
Nの立下りエッジは、回路により断熱的にクロックさ
れ、その結果、OUTはこれらと同期して同様に低下す
る。生成されたすべての波形(A,B,DおよびOU
T)は、遅延および/又は反転を除いて、INと同じ波
形を有する。
【0020】波形BおよびOUTはINと同一である
が、偶数個の位相だけ遅延されている。一方、波形Aお
よびDは逆極性を有し、INから奇数個の位相だけ遅延
されている。
【0021】この設計アプローチを使用することによ
り、図4に示されるようなRAMセルを作製することが
できる。
【0022】これらのダイオードを使用することによ
り、多重出力論理演算ゲートを得ることもできる。これ
は、桁上げ先見加算器のような再帰演算のための面積お
よびデバイス総数を節約する。
【0023】図5(A)、(B)、(C)はこの多重出
力論理設計のデバイス節約を例証する。図5(A)の8
−デバイス回路はF(A,B,C)を発生することがで
き、図5(B)の12−デバイス回路はF(A,B,
C,D,E)を発生することができる。
【0024】図5(C)の14−デバイス回路は、F
(A,B,C)とF(A,B,C,D,E)の2つの出
力を発生することができる。従って、図5(C)のデバ
イス総数14個の回路によらずに、各回路を単独で実現
するとデバイスの総数は20個になるので、6個のデバ
イスが節約される。さらに、これらのゲートは同様に3
個以上の出力を包含できる。
【0025】図6は、本発明の別の実施例の回路のブロ
ック図である。図6に示されたCMOSゲートは、信号
クロック入力を実現することにより、2つの入力A,B
の論理的NAND演算を行う。ここで、一対のダイオー
ドはゲートに結合され、回路は断熱的電力散逸を示す。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
デバイス総数を節約しながら、準静的抵抗散逸を使用す
ることにより、断熱的挙動を示すことができるCMOS
論理回路が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明による単一ゲートのブロック図
であり、(B)はこのゲートの模式的なタイミング図で
ある。
【図2】断熱的なスイッチング挙動を示す4相CMOS
シフトレジスタのブロック図である。
【図3】図2の回路の動作の一例のタイミング図であ
る。
【図4】本発明によるRAMセルの一例のブロック図で
ある。
【図5】(A)は本発明による多重出力回路の一例のブ
ロック図であり、(B)は本発明による多重出力回路の
別の例のブロック図であり、(C)は本発明による多重
出力回路の他の例のブロック図である。
【図6】本発明により改変されたCMOSNANDゲー
トのブロック図である。
【図7】断熱的スイッチング挙動を示すことができる従
来技術のCMOSインバータのブロック図である。
【図8】(A)はRC回路の一例のブロック図であり、
(B)は入力階段関数に対する出力応答の一例の模式図
であり、(C)は入力階段関数に対する出力応答の別の
例の模式図であり、(D)は入力階段関数に対する出力
応答の他の例の模式図であり、(E)は入力階段関数に
対する出力応答のさらに他の例の模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H03K 19/003 Z 19/0948 (72)発明者 アレクサンダー ジョージ ディキンソン アメリカ合衆国、07753 ニュージャージ ー、ネプチューン、サード アベニュー 17 (72)発明者 サディウス ジョン ガバラ アメリカ合衆国、07974 ニュージャージ ー、マーレイ ヒル、バーリントン ロー ド 62 (72)発明者 アラン エイチ.クラマー アメリカ合衆国、94705 カリフォルニア、 バークレイ、フルトン ストリート 2716

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電力供給手段としてクロック入力信号を
    使用するCMOS回路において、前記CMOS回路を準
    静的抵抗散逸作用を発揮可能にする回路であり、前記回
    路は前記クロック入力信号と直列に結合されたスイッチ
    ングダイオードからなることを特徴とするCMOS回
    路。
  2. 【請求項2】 入力データ信号を出力データ信号にシフ
    トするCMOSシフトレジスタであり、前記シフトレジ
    スタはそのクロック信号から電力を供給され、準静的抵
    抗散逸作用を発揮することができ、前記回路は直列に結
    合されたn個のシフトステージからなり、 各ステージはpfet,nfet,第1のダイオードお
    よび第2のダイオードからなり、 nfetのゲートおよびpfetのゲートは一緒に結合
    されて、入力リードを形成し、pfetのソースは第1
    のダイオードのカソードに結合され、pfetのドレイ
    ンはnfetのドレインに結合されて出力リードを形成
    し、nfetのドレインは第2のダイオードのアノード
    に結合され、 第1のダイオードのアノードは第1のクロック信号によ
    り電力供給され、第2のダイオードのカソードは第1の
    クロック信号の補数により電力供給され、 第1のステージの入力リードは入力データ信号であり、
    n番目のステージの出力リードは出力データ信号であ
    り、各ステージの出力リードは次のステージの入力デー
    タに結合され、前記直列シフトレジスタを形成し、 各ステージに電力供給するクロックは次のステージから
    位相が90°ずれていることを特徴とするCMOSシフ
    トレジスタ。
  3. 【請求項3】 ブール論理NAND演算を行うように結
    合された、一対のnfetと一対のpfetからなり、
    断熱的な動作を行うために、一対のダイオードがNAN
    Dゲートに直列に結合されていることを特徴とするクロ
    ック信号により電力供給されるCMOSゲート。
JP7013282A 1993-12-30 1995-01-04 Cmos回路 Pending JPH07221631A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/175,709 US5422582A (en) 1993-12-30 1993-12-30 Diode coupled CMOS logic design for quasi-static resistive dissipation with multi-output capability
US175709 1993-12-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH07221631A true JPH07221631A (ja) 1995-08-18

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ID=22641324

Family Applications (1)

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JP7013282A Pending JPH07221631A (ja) 1993-12-30 1995-01-04 Cmos回路

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EP (1) EP0661813A3 (ja)
JP (1) JPH07221631A (ja)
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EP0661813A2 (en) 1995-07-05
EP0661813A3 (en) 1997-10-01
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