电流型CMOS数字集成电路设计理论与技术研究

With the development of the process technology and sharply increased operating frequency, the power consumption of voltage-mode CMOS integrated circuits is significantly increased and the reliability is deteriorated, which brings great challenges to the integrated circuit design. However, the current-mode CMOS circuits maintain fairly constant power consumption as the operating frequency is increased. They can work at a higher frequency and get higher reliability. So in deep sub-micron process, the current-mode CMOS circuits have more advantages than the voltage-mode CMOS circuits, and its process can be compatible with the process of voltage-mode CMOS. The current digital circuits are mainly using voltage signals, accordingly the existing design theories and technologies mainly focus on voltage-mode circuits design. The current signals have different characteristics compared with the voltage signals, which are very convenient for doing addition, subtraction, multiplication or other arithmetic operations. This project presents the threshold-arithmetic algebraic system suitable for the current-mode CMOS digital circuit design, which includes the basic arithmetic set, the normalized form and the graphical representation of the functions. The project also provides the switch-level design method for the current-mode CMOS digital circuits based on the threshold-arithmetic algebraic system. Moreover, the project will design a three-variable current-mode CMOS universal unit, and presents a current-mode CMOS circuit design method based on the three-variable current-mode CMOS universal unit. The research of the project will provide the theoretical and technical basis for designing high performance, low power current-mode CMOS digital integrated circuits.

电压型CMOS集成电路随着工艺发展，工作频率提高，其功耗大幅增加，可靠性变差，对集成电路设计带来巨大挑战。而电流型CMOS电路随着工作频率的提高其功耗基本不变，并可工作在更高的频率，可靠性更高，因此深亚微米工艺下，电流型CMOS电路比电压型CMOS电路具有明显的优势，而工艺上又与电压型CMOS兼容。目前的数字电路基本以电压为信号，因此已有的设计理论与技术也针对电压型电路的。而电流信号与电压信号有不同的特点，它很方便进行加、减、倍乘等运算操作。本申请项目将提出适合电流型CMOS数字电路设计的阈算术代数系统，包括基本运算集、函数的规范展开形式及图形表示；提出基于阈算术代数系统的电流型CMOS数字电路开关级设计方法；设计一种三变量电流型CMOS通用单元，提出基于三变量电流型CMOS通用单元的电流型CMOS电路设计方法。本项目的研究为设计高性能、低功耗电流型CMOS数字集成电路提供理论与技术基础。

随着工艺的进步，相较于电压型CMOS电路，电流型CMOS电路可工作在更高的频率，其功耗低，可靠性高。目前的电路设计理论与技术主要针对电压型电路，而电流信号与电压信号有明显不同的特点，为此需要研究适合电流型CMOS电路设计的代数系统及设计方法，使设计的电路结构简单、性能好。.首先，针对电流信号具有大小和方向，易于加、减、倍乘、比较等操作的特点，提出了一种阈算术代数系统，定义了阈算术运算、非负运算，并阈算术运算，证明了由阈算术运算、加法、乘法组成的基本运算集的完备性及相关运算性质，并称阈算术代数系统中的函数为阈算术函数；进一步提出了阈算术代数系统中的函数表示及规范展开形式；提出了一种称为“和图”的阈算术函数图形表示，可方便直观地用于函数的表示及变换。其次，提出了一种基于阈算术代数系统的电流型CMOS电路设计方法，并设计了全加器、脉冲D触发器等单元电路，可用于设计任意电流型CMOS电路。第三，提出了一种三变量电流型CMOS电路通用设计方法，进一步提出了一种基于三变量函数的任意n变量函数分解算法，进而提出了一种基于三变量电流型CMOS电路的任意n变量函数电流型CMOS电路的设计方法。提出的函数分解算法简便、规范，设计的电路结构简单。第四，设计了一种电流型CMOS三变量通用特征阈值逻辑门和三变量数据选择器，可作为通用逻辑单元用于设计任意n变量函数的电流型CMOS电路。第五，提出了一种抗功耗攻击的电流型CMOS安全电路结构及设计方法，相较于电压型CMOS电路，设计的电流型CMOS安全电路显著提高了抗功耗攻击能力。最后，拓展了项目的研究内容，提出了一种基于共振隧穿二极管RTD的三变量通用逻辑门设计，及基于RTD三变量通用逻辑门的函数综合方法，实现了用RTD三变量通用逻辑门设计任意ｎ变量函数的RTD电路。