25、低功耗CMOS技术：绝热逻辑与绝缘体上硅的应用

低功耗CMOS技术：绝热逻辑与绝缘体上硅的应用

1. 绝热逻辑

1.1 传统CMOS电路的能耗问题

传统CMOS电路在每个完整的开关周期内，负载电容通过p - MOSFET充电，通过n - MOSFET放电。在低到高的转换过程中，负载电容充电至$V_{DD}$，电容中存储的能量为$C_LV_{DD}^2/2$，同时p - MOSFET会消耗等量的能量；在高到低的转换过程中，电容中存储的能量在n - MOSFET中耗散，存储的电荷被传导到地。因此，传统CMOS在每个开关周期会耗散$C_LV_{DD}^2$的能量，且每个电荷仅使用一次。

1.2 绝热逻辑的原理

绝热逻辑的核心思想是电荷可以被重复使用来执行逻辑功能，从而减少从电源吸取的平均电流。理想情况下，每个电荷可以无限次循环使用。虽然这一理想状态无法实现，但在实际的绝热电路中，通过电荷回收可以显著减少能耗。

1.3 绝热开关的概念

可以借助图9.9和图9.10来理解绝热开关的概念。在图9.9中，使用恒流源而不是恒压源通过p - MOSFET对负载电容充电。假设p - MOSFET在充电过程中工作在线性区域，用电阻$R_{DP}$建模。如果负载电容的初始电压为零，在充电过程中，电容上的电压为：
[V(t)=\frac{I_{SOURCE}}{C_L}t]
将负载充电到$V_{DD}$所需的时间为：
[t_R=\frac{V_{DD}C_L}{I_{SOURCE}}]
在充电过程中，p - MOSFET的功耗是恒定的：
[P_R = R_{DP}I_{SOURCE}^2]
因此，在将电容从零充电到$V_{