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衬底偏压

基片偏置的使用
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描述

PMOS中的衬底偏置使晶体管主体偏置到高于V的电压dd;在NMOS中,到比V低的电压党卫军
因为漏电流是器件V的函数th,衬底偏置,也称为回偏置-可降低漏电功率。使用这种先进的技术,衬底或适当的井是偏置的,以提高晶体管阈值,从而减少泄漏。在PMOS中,晶体管体偏置到高于V的电压dd.在NMOS中,晶体管体的偏置电压低于V党卫军

自从升了Vth还影响性能,一种先进的技术允许动态应用偏压,因此在活动模式下,反向偏压很小,而在待机状态下,反向偏压更强。

产生区域和路由惩罚。标准单元库中需要一个额外的引脚,并且需要特殊的库单元。在整个设计中放置体偏置单元,为晶体管体块提供电压。为了产生偏置电压,需要一个基片偏置发生器,这也消耗了一些动态功率,部分抵消了减少的泄漏。

在先进技术的小型工艺中,衬底偏压回报正在减少。在65nm及以下,体偏效应减小,降低了泄漏控制效果。台积电已发布的信息指出,在90nm的因素4Ã -减少,只有2Ã -转移到65nm。因此,预计衬底偏压将被功率门控所掩盖。

对于单孔技术,PMOS的大部分连接到n孔,NMOS的大部分连接到p基板。对于双井技术,NMOS的大部分连接到p型井。

根据库的不同,可以对PMOS、NMOS或两者进行衬底偏置。为了使标准电池的大部分NMOS和PMOS偏置,电压由电荷泵产生,这是输出VDDbias和VSSbias电压的自定义块。

这些电荷泵是pll大小的自定义宏,提供VDDbias和VSSbias。然后,这些电压需要分布在利用衬底偏压的芯片部件上。将偏置电压分配到标准电池有两种方法:
1)使用well-tap cell (body-bias cell)
2)单元内开关,每个标准单元都有VDDbias和VSSbias引脚,然后分别将这些引脚敲击到n阱和p sub

Well-Tap或Body-Bias cell

Well-tap或body-bias细胞分别将VDDbias和VSSbias引向n-well和p-sub。理论上,每个标准单元行必须至少有一个井接单元。在现实中,每个标准单元行都需要多个体偏或井接单元来防止锁存。设计师通常有一个规则,每隔一定距离,在一个标准单元格行中放置一个点击单元格。

增加井接单元实际上节省了面积,因为与下面列出的第二种方法相比,唯一增加的面积是井接单元(比平均1倍逆变器小)。

一个典型的体偏细胞看起来与正常的无偏细胞相似,除了两个不同之处:n-well被敲击到VDDbias而不是Vdd, p-sub被敲击到VSSbias而不是V党卫军.将该单元格放置在每个标准单元格行的多个点上,将会使该行的n-well和p-sub分别达到VDDbias和VSSbias。

水龙头- sensing

单元内轻敲意味着每个标准单元都有VDDbias和VSSbias引脚,然后将这些引脚分别轻敲到n阱和p sub上。额外的引脚用于将每个标准单元中的VDDbias和/或VSSbias分别连接到n阱和p基板。

这种方法为n-阱和p-sub提供了一致的偏置电压水平,但使用更多的面积,因为每个标准单元都必须为偏置电压引脚以及分接区域预留区域。它还占用了大量的路由资源,因为需要将每个VDDbias和VSSbias引脚路由到偏置电压源。

一个采用VDDbias和VSSbias引脚的标准单元如下所示。在这里,不需要单独的体偏单元,因为对n阱和p-sub的开关嵌入在标准单元中。每个标准电池都有一个额外的VDDbias和VSSbias引脚,连接到金属形状上。然后敲击金属形状到n井和p sub。

基片偏置的潜在问题

选择利用衬底偏置的设计人员可能会遇到两个潜在的问题,涉及p衬底分离和偏置电压分布。

P-Substrate分离

对于单井技术,整个芯片都是硅p-substrate。也就是说,除了芯片中被制成n孔的部分,整个芯片芯片本质上就是p-sub。这意味着如果设计者选择偏置p基板,那么芯片的整个基板都会偏置。这很少是可取的,因为通常芯片的某些部分(例如,任何模拟块)不应该有偏差。

这对于n阱偏置来说不是问题,因为芯片的n阱很容易分离。

对于具有p井和n井的双井技术来说,这也不是问题。因此,p阱可以与芯片的其余部分分离,就像n阱一样。

偏置电压分布

无论采用哪种偏置电压分配方法,偏置电压网(VDDbias和VSSbias)仍然必须从电荷泵路由到井接头单元或标准单元。目前大多数EDA工具都没有用于衬底偏压的特殊功能。因此,设计人员在布线偏置电压配电网时可能会遇到问题。

更重要的是,这些分布网络占用了大量的路由资源,可能会对设计的可路由性产生不利影响。

扩散偏置

基片偏置的另一种选择是扩散偏置,它绕过了基片分离问题。在这种技术中,晶体管的扩散是偏置的,而不是体积。

请注意,随着工艺的缩小,预计基板偏压将被电源关闭所掩盖。这是因为基片偏置的节能回报随着较小的工艺而减少,因此使得PSO成为更有吸引力的选择。

在设计示例中,衬底偏压显示泄漏功率降低了10倍。它可能导致10%的时间损失和小于10%的面积损失。对实施的影响可能很大。

页面内容最初由Cadence设计系统

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