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Low-Power Design of CMOS ICArguably

Low-Power Design of CMOS ICArguably, invention of the transistor was a giant leap forward for low-power microelectronics that has remained unequal to date, even by the virtual torrent of developments it forbore. Operation of vacuum tube required several hundred volts of anode voltage and a few watts of power. In comparison, the transistor required only milliwatts of power. Since the invention of the transistor, decades ago, through the years leading to the 1990s, power dissipation, though not entirely ignored, was of little. The greater emphasis was on performance and miniaturization. Applications are applied to a battery-pocket calculator, hearing aids, implantable pacemakers, portable military equipment used by individual soldier and most important wrist-watches-drove low-power electronics. In all such applications, it is important to prolong the battery life as much as possible. And now, with the growing trend towards portable computing and wireless communication, power dissipation has become one of the most critical factors in the continued development of the microelectronics technology. There are three sources of power dissipation in a digital complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) circuit. The first source is the logic transitions. As the" nodes " in a digital CMOS circuit transition back and forth between the two logic levels, the parasitic capacitances are charged and discharged. Current flows through the channel resistance of the transistors, and electrical energy is converted into heat and dissipated away. As suggested by this informal description, this component of power dissipation is proportional to the supply voltage, node voltage swing, and the average switched capacitance per cycle. The second source of power dissipation is the short-circuit currents that flow directly from supply to ground when the n-subnetwork and the p-subnetwork of a CMOS gate both conduct simultaneously. The third and the last source of dissipation is the leakage current that flows when the input (s) to, and therefore the outputs of a gate is not changing. This is called static dissipation. In current day technology the magnitude of leakage current is low and usually neglected. As the supply voltage is being scaled down to reduce dynamic power, however, MOS field-effect transistors (MOSFETs) with low threshold voltages have to be used. The lower the threshold voltage. the lower the degree to which MOSFETs in the logic gates are turned off and the higher is the standby leakage current. The power dissipation attributable to the three sources described above can be influenced at different levels of the overall design process. Since the dominant component of power dissipation in CMOS circuits varies as the square of the supply voltage, significant savings in power dissipation can be obtained from operation at a reduced supply voltage. If the supply voltage is reduced while the threshold voltages stay the same, that will reduce the noise margins are reduced. To improve noise margins, the threshold voltages need to be made smaller as well. However, the subthreshold leakage current increases exponentially when the threshold voltage is reduced. The higher static dissipation may offset the reduction in transitions component of the dissipation. Hence the devices need to be designed to have threshold voltages that maximize the net reduction in the dissipation. The transitions component of the dissipation also depends on the frequency or the probability of occurrence of the transitions. If a high probability of transitions is assumed and correspondingly low supply and threshold voltages chosen, to reduce the transitions component of the power dissipation and provide acceptable noise margins. respectively, the increase in the static dissipation may be large. As the supply voltage is reduced, the power-delay product of CMOS circuits decreases and the delays increase monotonically. Hence, while it is desirable to use the lowest possible supply voltage, in practice, only as low a supply voltage can be used as corresponds to a delay that can be compensated by other means, and steps can be taken to retain the system level throughput at the desired level. One way of influencing the delay of a CMOS circuit is to change the channel-width to channel-length ratio of the devices in the circuit. The power-delay product for an inverter driving another inverter through an interconnect of certain length varies with the width to length ratio of the devices. If the interconnect capacitance is insignificant, the power-delay product initially decreases and then increases when the width-to-length ratio is increased and the supply voltage is reduced to keep the delay constant. Hence, there exists a the supply voltage and the width-to-length ratio that is optimal from the power-delay product consideration. The way to assure that the system level throughput does not degrade as supply voltage is reduced by exploiting parallelism a
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CMOS IC的低功耗设计<br>可以说,晶体管的发明是低功耗微电子技术的一次巨大飞跃,迄今为止,它仍然不平等,即使它已经放弃了虚拟的发展洪流。真空管的运行需要几百伏的阳极电压和几瓦的功率。相比之下,晶体管只需要几毫瓦的功率。自从几十年前晶体管发明以来,一直到 1990 年代,功耗虽然没有被完全忽略,但影响很小。更加强调性能和小型化。应用适用于便携式电池计算器、助听器、植入式起搏器、单兵使用的便携式军事设备以及最重要的手表驱动的低功耗电子设备。在所有此类应用中,尽可能延长电池寿命很重要。而现在,随着便携式计算和无线通信的不断发展,功耗已经成为微电子技术持续发展的最关键因素之一。<br>数字互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电路中存在三种功耗来源。第一个来源是逻辑转换。随着数字 CMOS 电路中的“节点”在两个逻辑电平之间来回转换,寄生电容被充电和放电。电流流过晶体管的沟道电阻,电能转化为热量并散发出去。正如这个非正式的描述所暗示的那样,功耗的这个分量与电源电压、节点电压摆幅和每个周期的平均开关电容成正比。功耗的第二个来源是短路电流,当 CMOS 栅极的 n 子网和 p 子网同时导通时,短路电流直接从电源流向地。第三个也是最后一个耗散源是当输入 (s) 时流过的漏电流,因此门的输出没有变化。这称为静电耗散。在当今的技术中,泄漏电流的量级很低并且通常被忽略。然而,随着电源电压的缩小以降低动态功耗,必须使用具有低阈值电压的 MOS 场效应晶体管 (MOSFET)。阈值电压越低。逻辑门中 MOSFET 的关断程度越低,待机漏电流就越高。然而,随着电源电压的缩小以降低动态功耗,必须使用具有低阈值电压的 MOS 场效应晶体管 (MOSFET)。阈值电压越低。逻辑门中 MOSFET 的关断程度越低,待机漏电流就越高。然而,随着电源电压的缩小以降低动态功耗,必须使用具有低阈值电压的 MOS 场效应晶体管 (MOSFET)。阈值电压越低。逻辑门中 MOSFET 的关断程度越低,待机漏电流就越高。<br>归因于上述三个来源的功耗会在整个设计过程的不同级别受到影响。<br>由于 CMOS 电路中功耗的主要成分随电源电压的平方而变化,因此在降低的电源电压下工作可以显着节省功耗。如果降低电源电压而阈值电压保持不变,则会降低噪声容限。为了提高噪声容限,阈值电压也需要更小。然而,当阈值电压降低时,亚阈值漏电流呈指数增加。较高的静态耗散可以抵消耗散的转变分量的减少。因此,需要将器件设计为具有最大程度地减少耗散的阈值电压。<br>耗散的跃迁分量还取决于跃迁的频率或发生概率。如果假设转换概率很高,并选择相应的低电源电压和阈值电压,以减少功率耗散的转换分量并提供可接受的噪声容限。分别,静电耗散的增加可能很大。随着电源电压的降低,CMOS电路的功率延迟乘积减少,延迟单调增加。因此,虽然希望使用尽可能低的电源电压,但实际上,只能使用与可以通过其他方式补偿的延迟相对应的低电源电压,并且可以采取措施保持系统级吞吐量在所需的水平。<br>影响 CMOS 电路延迟的一种方法是改变电路中器件的沟道宽度与沟道长度之比。一个逆变器通过一定长度的互连驱动另一个逆变器的功率延迟积随器件的宽长比而变化。如果互连电容微不足道,则功率延迟乘积最初会减小,然后当宽长比增加并降低电源电压以保持延迟恒定时增加。因此,存在一个电源电压和宽长比,从功率延迟乘积的考虑来看是最佳的。<br>通过利用并行性来确保系统级吞吐量不会随着电源电压降低而降低的方法
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CMOS集成电路的低功耗设计<br>可以说,晶体管的发明是低功率微电子技术的一个巨大飞跃,尽管它所推动的发展实际上是洪流式的,但迄今为止,低功率微电子技术的发展仍不尽如人意。真空管的工作需要几百伏的阳极电压和几瓦的功率。相比之下,晶体管只需要毫瓦的功率。自几十年前晶体管发明以来,直到20世纪90年代,功耗虽然没有被完全忽略,但几乎没有什么意义。更强调的是性能和小型化。应用领域包括电池袖珍计算器、助听器、植入式心脏起搏器、士兵个人使用的便携式军事设备以及由低功耗电子设备驱动的最重要的手表。在所有此类应用中,尽可能延长电池寿命非常重要。现在,随着便携式计算和无线通信的发展趋势,功耗已经成为微电子技术持续发展的最关键因素之一。<br>在数字互补金属氧化物半导体(CMOS)电路中有三种功耗源。第一个来源是逻辑转换。当数字CMOS电路中的“节点”在两个逻辑电平之间来回转换时,寄生电容充电和放电。电流流过晶体管的沟道电阻,电能转化为热量并消散。正如这个非正式描述所建议的,功耗的这个分量与电源电压、节点电压摆幅和每个周期的平均开关电容成正比。第二个功耗源是当CMOS栅极的n子网络和p子网络同时导通时,直接从电源流向地的短路电流。第三个也是最后一个耗散源是当输入到时流动的泄漏电流,因此门的输出不变。这称为静态耗散。在当今的技术中,泄漏电流的大小很小,通常被忽略。然而,随着电源电压被缩小以降低动态功率,必须使用具有低阈值电压的MOS场效应晶体管(MOSFET)。阈值电压越低。逻辑门中MOSFET的关断程度越低,备用泄漏电流越高。<br>可归因于上述三个电源的功耗可在整个设计过程的不同层面上受到影响。<br>由于CMOS电路中功耗的主要成分随电源电压的平方而变化,因此在降低电源电压的情况下操作可显著节省功耗。如果电源电压降低而阈值电压保持不变,则会降低噪声裕度。为了提高噪声裕度,还需要减小阈值电压。然而,当阈值电压降低时,亚阈值泄漏电流呈指数增长。较高的静态耗散可能抵消耗散中过渡部分的减少。因此,器件需要设计为具有阈值电压,以最大限度地减少净损耗。<br>耗散的跃迁分量还取决于跃迁发生的频率或概率。如果假设高跃迁概率,并选择相应的低电源电压和阈值电压,以减少功耗的跃迁分量并提供可接受的噪声裕度。分别而言,静态耗散的增加可能很大。随着电源电压的降低,CMOS电路的功率延迟积减小,延迟单调增加。因此,尽管希望使用最低可能的电源电压,但在实践中,仅可使用与可通过其他方式补偿的延迟相对应的低电源电压,并且可采取步骤将系统级吞吐量保持在期望水平。<br>影响CMOS电路延迟的一种方法是改变电路中器件的沟道宽度与沟道长度之比。逆变器通过一定长度的互连驱动另一个逆变器的功率延迟积随设备的宽长比而变化。如果互连电容不显著,则功率延迟乘积最初会减小,然后随着宽长比的增加而增大,并且电源电压会降低以保持延迟恒定。因此,电源电压和宽长比之间存在一个平衡点,从功率延迟积的角度来看,这是最优的。<br>通过利用并行性,确保系统级吞吐量不会随着电源电压的降低而降低
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CMOS集成电路的低功耗设计可以说,晶体管的发明是低功耗微电子技术的一次巨大飞跃,迄今为止,低功耗微电子技术仍处于不平等状态,即使是在它所抑制的虚拟发展洪流中。真空管的工作需要几百伏的阳极电压和几瓦的功率。相比之下,晶体管只需要毫瓦的功率。自从几十年前晶体管发明以来,到20世纪90年代,功耗虽然没有被完全忽视,但也没什么影响。更强调的是性能和小型化。应用于电池袖珍计算器、助听器、植入式心脏起搏器、单兵使用的便携式军事装备以及最重要的手表驱动的低功耗电子设备。在所有这些应用中,尽可能延长电池寿命非常重要。现在,随着便携式计算和无线通信的发展趋势,功耗已经成为微电子技术持续发展的最关键因素之一。数字互补金属氧化物半导体(CMOS)电路中有三种功耗来源。第一个来源是逻辑转换。当数字CMOS电路中的“节点”在两个逻辑电平之间来回转换时,寄生电容被充电和放电。电流流过晶体管的沟道电阻,电能转化为热量并被耗散掉。根据非正式描述,功耗的这一部分与电源电压、节点电压摆幅和每个周期的平均开关电容成正比。功耗的第二个来源是当CMOS栅极的n子网和p子网同时导通时,直接从电源流向地的短路电流。第三个也是最后一个耗散源是输入至时流动的漏电流,因此栅极的输出不变。这叫做静态耗散。在当今技术中,漏电流的大小很低,通常被忽略。然而,随着电源电压被缩小以降低动态功率,必须使用具有低阈值电压的金属氧化物半导体场效应晶体管。阈值电压越低。逻辑门中MOSFETs的关断程度越低,待机漏电流越高。可归因于上述三个源的功耗会在整个设计过程的不同层面上受到影响。由于互补金属氧化物半导体电路中功耗的主要成分随着电源电压的平方而变化,因此在降低的电源电压下工作可以显著节省功耗。如果电源电压降低,而阈值电压保持不变,这将降低噪声容限。为了提高噪声容限,阈值电压也需要做得更小。然而,当阈值电压降低时,亚阈值漏电流呈指数增长。较高的静态耗散可以抵消耗散的转变分量的减少。因此,器件需要设计成具有阈值电压,以最大限度地降低功耗。耗散的跃迁分量也取决于跃迁发生的频率或概率。如果假设高转换概率,并选择相应的低电源电压和阈值电压,以降低功耗的转换分量并提供可接受的噪声容限。分别地,静态耗散的增加可能很大。随着电源电压的降低,CMOS电路的功率延迟积减小,延迟单调增加。因此,虽然希望使用尽可能低的电源电压,但实际上,只有与可以通过其他方式补偿的延迟相对应的低电源电压才可以使用,并且可以采取步骤将系统级吞吐量保持在期望的水平。影响互补金属氧化物半导体电路延迟的一种方法是改变电路中器件的沟道宽度与沟道长度之比。逆变器通过一定长度的互连驱动另一个逆变器的功率延迟积随器件的宽长比而变化。如果互连电容很小,功率延迟积最初会减小,然后随着宽长比的增加和电源电压的降低而增加,以保持延迟不变。因此,从功率延迟积的角度来看,电源电压和宽长比是最佳的。通过利用并行度a来确保系统级吞吐量不会随着电源电压的降低而降低的方法
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