基于浮栅MOS技术的低功耗集成电路设计中若干关键问题研究

互连技术和低功耗技术是集成电路发展面临的两大挑战.浮栅MOS管具有单个器件功能性强、阈值控制灵活和低功耗等特点,对提高集成电路信息密度、有效减少互连线数及实现低功耗设计有重要意义,近年来国际上对浮栅MOS电路的研究呈指数式增长.本项目旨在提出一种适用于描述多输入浮栅MOS阈值可控特点的代数系统及高性能低功耗浮栅MOS电路的实用设计和综合方法.包括:研究多栅输入信号、阈值与器件开关状态之间关系的数学表示和性质,建立开关级浮栅MOS电路设计理论;提出浮栅电荷初始化和刷新方法及电路阈值控制方法;研究浮栅MOS阈值逻辑及其对复杂函数的综合方法;提出提高浮栅MOS电路噪声容限、灵敏度及消除输出信号阈值损失的具体措施;研究消除浮栅MOS电路馈通电流的方法,提出低功耗浮栅MOS电路的实用设计和综合方法.研究浮栅MOS管在匹配滤波器中的应用.对电路的性能通过HSPICE模拟验证,设计子系统进行流片测试.

浮栅MOS 管具有单个器件功能性强、阈值可变和功耗低等特点,对减少互连线数,提高集成度以及实现低功耗设计有重要意义。本项目旨在提出一种适用于描述多输入浮栅MOS 阈值可控特点的代数系统及低功耗浮栅MOS 电路的实用设计和综合方法。具体成果有：(1)利用多输入浮栅MOS管易于通过浮栅实现求和的特点，提出一种通过引入多值求和信号指导设计浮栅MOS电路的方法，对每个浮栅MOS管的逻辑功能均采用传输开关运算予以表示。引入求和辅助变量可显著简化对电路的综合过程。(2)对钟控浮栅MOS管的SPICE宏模型进行改进, 改进后的模型可用于对具有可变浮栅预置电压的电路进行分析; 提出一种采用钟控浮栅MOS管设计的采样保持电路，通过引入nMOS阈值补偿单元，克服了单管浮栅MOS跟随器存在阈值损失这一缺点，提高了精度。(3)采用浮栅MOS管设计了几种具有回差特性的阈值门, 通过选择不同的电容耦合系数可以实现不同的回差特性, 通过改变外部输入栅电压可以方便地移动回差窗口。提出一种基于浮栅MOS管的多值电压型施密特触发器设计方案，由具有回差特性的阈运算电路和多值信号传输控制电路组成。回差值可通过改变电容耦合系数比来调整。(4) 提出一种采用浮栅MOS管和双传输管逻辑实现多值电路的设计方案，由浮栅MOS管实现文字运算电路, 用文字电路的输出去控制双传输开关，实现对多值信号的传输。(5)将浮栅MOS管应用在神经网络中，设计了模板匹配和竞争全胜等电路。基于Hopfield神经网络，提出了两种采用浮栅MOS管的并行A/D转换器，它们分别由比较器和施密特触发器来构成，电路结构得到了非常明显的简化。(6)讨论了电路级低功耗时钟网络设计方法，提出了有条件放电的双边沿触发器；提出了采用两相功率时钟的能量恢复型触发器电路；提出了采用双传输管逻辑和浮栅MOS管的多值边沿触发器设计。(7) 提出一种基于浮栅MOS管的差动电压开关逻辑电路设计方案，该方案将传统CVSL电路中的nMOS下拉网络由多输入浮栅MOS管来替代, 从而消除了在实现复杂逻辑函数时出现的nMOS堆叠问题..本项研究发表学术论文27篇，其中EI已收录14篇，申请国家发明专利3项,其中1项已授权。