CN203661036U - 一种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路，包括动态时钟控制电路、输入电路和输出电路；所述动态时钟控制电路包括pMOS管P1和P2；所述输入电路包括三输入浮栅nMOS管N1；所述输出电路包括npn型三极管Q1和Q2；所述pMOS管P1和P2的源级接工作电压VDD；所述三输入浮栅nMOS管N1的源级和一个输入端接地；所述npn型三极管Q1的集电极接工作电压VDD；所述npn型三极管Q2的发射极接地；所述动态时钟控制电路P1和P2的栅极分别接CP和所述动态时钟控制电路P1和P2的漏极分别接Q1和Q2的基极；本实用新型的有益效果是：BiCMOS技术的应用使得电路具有高集成度、高速、大驱动能力的特点，动态多输入浮栅技术又使得电路极大的降低了功耗，且电路工作状态可控。

Description

一种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路

技术领域

本实用新型涉及一种与门电路，更具体说，它涉及一种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路。 

背景技术

近年来，低功耗已经成为限制VLSI电路设计的关键因素之一，它的重要性主要体现在两个方面：第一，随着VLSI集成度的提高和工艺的改进，其密度和复杂性增加。如果不能很好的控制功耗，芯片产生的热量会导致功能下降及产生稳定性问题甚至错误行为，同时增加封装和散热的成本；第二，巨大的功耗也使使用电池的便携式设备因电池易耗尽而影响使用。 

BiCMOS电路是CMOS和双极型器件同时集成在一块芯片上的技术，它是以CMOS为主要电路元件，而在要求驱动大电容负载之处加入双极型器件或电路。因此BiCMOS电路既有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极型电路高速、大驱动能力的优势。 

在实现低功耗的方法中，动态电路引起越来越多的关注，因为动态电路具有较低的功耗。在动态电路中，动态能耗控制是一项极为重要的功能，它针对电路器件是否在使用及使用的程度，通过开关来控制器件，使得不需要工作的器件关闭，从而不消耗能量。同时动态电路在速度、芯片面积等方面也比静态电路有优势。 

多输入浮栅MOS器件是一种具有复杂功能的MOS管，它具有多个输入栅极和一个浮栅极，大大增强了单个晶体管的功能，从而有效地降低了整个电路的复杂度，大大减少了互连线数.另一方面，由于多输入浮栅MOS管对栅极电平的加权求和是通过输入栅与浮栅间的电容耦合来实现的，因此具有极低功耗的特点。 

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种降低整个电路的复杂度，功耗低和工作状态可控的基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路。 

这种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路，包括动态时钟控制电路、输入电路和输出电路； 

所述动态时钟控制电路包括pMOS管P1和P2；所述输入电路包括三输入浮栅nMOS管N1； 所述输出电路包括npn型三极管Q1和Q2； 

所述pMOS管P1和P2的源级接工作电压VDD；所述三输入浮栅nMOS管N1的源级和一个输入端接地；所述npn型三极管Q1的集电极接工作电压VDD；所述npn型三极管Q2的发射极接地； 

所述动态时钟控制电路P1和P2的栅极分别接CP和

所述动态时钟控制电路P1和P2的漏极分别接Q1和Q2的基极； 

所述输入电路N1的三个输入端分别接输入x、y、GND；所述输入电路N1的漏极接P2的漏极； 

所述输出电路Q1的发射极和Q2的集电极接输出F。 

本实用新型的有益效果是：BiCMOS技术的应用使得电路具有高集成度、高速、大驱动能力的特点，动态多输入浮栅技术又使得电路极大的降低了功耗，且电路工作状态可控。由于使用了浮栅技术，降低了整个电路的复杂度。 

附图说明

图1为本实用新型电路原理图； 

图2为n型和p型多输入浮栅MOS管符号和电容模型。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步描述。虽然本实用新型将结合较佳实施例进行描述，但应知道，并不表示本实用新型限制在所述实施例中。相反，本实用新型将涵盖可包含在有附后权利要求书限定的本实用新型的范围内的替换物、改进型和等同物。 

多输入浮栅MOS管是近年来提出的一种具有功能性强、阈值控制灵活等特点的新型器件，人们已在模拟、数字和神经网络等多个领域对它的应用开展了深入研究。这种器件的加工工艺与标准的双层多晶硅CMOS工艺完全兼容，它的符号表示及其电容模型如图2所示。它具有多个输入栅极和一个浮栅极，其中浮栅由第一层多晶硅形成，多个输入控制栅则由第二层多晶硅形成。输入端与浮栅之间通过电容实现耦合。图中V_F表示浮栅上的电压，V₀为衬底电压，V₁、V₂、……、V_n为输入信号电压。C₀是浮栅与衬底之间的耦合电容，它主要由栅氧化层电容C_ox构成，C₁、C₂、……、C_n为各个输入栅与浮栅之间的耦合电容。 图中D和S分别表示漏极和源极。浮栅上的净电荷QF由下式给出： 

$Q_F=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i(V_F-V_i)=V_F\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i-\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i{V}_i;---\left(1\right)$

对于n沟道浮栅MOS管，衬底接地，因此V₀=0。假设浮栅上的初始电荷为零，根据电荷守恒定律，由上式可得: 

$V_F=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i{V}_i;---\left(2\right)$

$w_i=\frac{C_i}{C_0+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j}---\left(3\right)$

设V_T为由浮栅端看进去的管子的阈值电压，则当V_F>V_T时管子导通。由式（2）和（3）可以看出，多输入浮栅MOS管能够对各栅极输入信号加权求和，用计算得到的求和结果去控制MOS管的“开”和“关”。注意到它在浮栅上进行的所有输入信号的加权求和运算是利用电容耦合效应以电压模式来进行的，这显示了它具有比电流模式求和技术更优秀的低功耗特性。如果以V₁作为输入端，其他输入端作为控制端，则有： 

$V_1>\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i}{C_1}{V}_T-\frac{C_2}{C_1}{V}_2-\·\·\·-\frac{C_n}{C_1}{V}_n;---\left(4\right)$

这样，由V₁端看进去的管子的阈值电压V^* _t1可以表示为: 

${V^{*}}_{t1}=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i}{C_1}{V}_T-\frac{C_2}{C_1}{V}_2-\·\·\·-\frac{C_n}{C_1}{V}_n;---\left(5\right)$

上式表明，无需调整V_T，只要通过改变耦合电容之间的比例关系或改变控制端电压V_i就可以改变浮栅MOS管相对于输入信号V₁的阈值电压，从而控制MOS管的导通和截止。对于p沟道浮栅MOS管，衬底通常接电路最高电压源（如V_DD），因此式（5）中V₀=V_DD，式（2）-（5）需作相应修正。 

本实用新型的一种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路如图1所示。 

包括：动态时钟控制电路、输入电路和输出电路。 

所述动态时钟控制电路包括pMOS管P1和P2；所述输入电路包括三输入浮栅nMOS管N1；所述输出电路包括npn型三极管Q1和Q2。 

所述pMOS管P1和P2的源级接工作电压VDD；所述三输入浮栅nMOS管N1的源级和一个输入端接地；所述npn型三极管Q1的集电极接工作电压VDD；所述npn型三极管Q2的发射极接地。 

所述动态时钟控制电路P1和P2的栅极分别接CP和

所述动态时钟控制电路P1和P2的漏极分别接Q1和Q2的基极。 

所述输入电路N1的三个输入端分别接输入x、y、GND；所述输入电路N1的漏极接P2的漏极。 

所述输出电路Q1的发射极和Q2的集电极接输出F。 

本电路中所采用的三输入浮栅MOS管N1的输入端（V1=x、V2=y、V3=0）权重相同，即C1=C2=C3=C。 

根据公式（4）只需 

$\frac{V1*C1+V2*C2+V3*C3}{C1+C2+C3}>V_T=\frac{V_H}{2}$

N1导通，即 

$\frac{V1+V2}{3}>V_T=\frac{V_H}{2}---\left(6\right)$

当CP为逻辑低电平，

为逻辑高电平时，动态时钟控制电路中P1导通，P2截止，Q1的基极为高电平，使得Q1导通，输出F被预置为高电平，输入x和y不影响输出。 

当CP为逻辑高电平，为逻辑低电平时，动态时钟控制电路中P2导通，P1截止，这时输出由输入决定： 

（1）当输入x、y都是高电平时，根据公式（6），

公式成立，所以N1导通，A节点为低电平，从而使得Q2截止，输出F保持高电平。 

（2）当输入x和y中至少有一个为低电平（即x=0且y=1，或者x=1且y=0，或者x=0且y=0）时，根据公式（5），N1综合输入电平小于等于公式不成立，N1管截止，A节点为高电平，从而使得Q2导通，输出F被下来至低电平。 

以1表示输入输出高电平VDD，0表示输入输出低电平GND。根据上面的工作过程，可 以总结出所述一种低功耗动态三值与门电路的工作状态如下表所示： 

。

Claims (1)

1.一种基于浮栅技术的二值动态BiCMOS与门电路，其特征在于：包括动态时钟控制电路、输入电路和输出电路； 

所述动态时钟控制电路包括pMOS管P1和P2；所述输入电路包括三输入浮栅nMOS管N1； 

所述输出电路包括npn型三极管Q1和Q2； 

所述pMOS管P1和P2的源级接工作电压VDD；所述三输入浮栅nMOS管N1的源级和一个输入端接地；所述npn型三极管Q1的集电极接工作电压VDD；所述npn型三极管Q2的发射极接地； 

所述动态时钟控制电路P1和P2的栅极分别接CP和

所述动态时钟控制电路P1和P2的漏极分别接Q1和Q2的基极； 

所述输入电路N1的三个输入端分别接输入x、y、GND；所述输入电路N1的漏极接P2的漏极； 

所述输出电路Q1的发射极和Q2的集电极接输出F。 

Images