10.3 Die Verringerung der Verlustleistung



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10.3 Die Verringerung der Verlustleistung

In klassischen Entwurfstechniken wird davon ausgegangen, daß im stationären Fall einer der beiden Transistoren praktisch völlig ausgeschaltet ist und die statische Verlustleistung klein gegenüber der dynamischen ist:

 

Will man die dynamische Verlustleistung verringern, so muß man die Schaltenergie verkleinern. Das geschieht am effizientesten über die Versorgungsspannung.

Zugleich mit der Verringerung der Versorgungsspannung muß natürlich der Entwurf der Transistoren angepaßt werden; vor allem die Schwellspannung ist dabei ebenfalls herabzusetzen.

Das bewirkt aber einen höheren Ausschaltstrom der Transistoren. Das Verhältnis zwischen Einschalt- und Ausschaltstrom wird nach oben durch den Ausdruck

 

begrenzt, der allerdings ein theoretischer Wert ist und in der Praxis nicht erreicht werden kann. Um ein möglichst großes Verhältnis dieser Ströme zu erzielen, muß man die Transistoren in schwacher Inversion betreiben.

Der höhere Ausschaltstrom führt zu einer nicht mehr vernachlässigbaren statischen Verlustleistung. Trotz des Anstiegs des statischen Anteils sinkt die Gesamtverlustleistung; ein Optimum ergibt sich, wenn

 

ist, wobei je nach Technologie und Schaltung gewisse Schwankungen zu verzeichnen sind.

Besonders wichtig ist es aber, bei der Verringerung der Verlustleistung die Rauschabstände und die Grenzen für das Verhältnis der Taktraten bei dynamischer Logik zu beachten; daraus ergeben sich meist etwas höhere Mindestwerte für die Versorgungsspannung.

Eine Folgewirkung der kleineren Versorgungsspannung ist ein Anstieg der Verzögerungszeit pro Gatter. Dieser kann teilweise durch neue Prozeß- und Bauelementtechnologien abgefangen werden. Andererseits erlaubt es die geringere Verlustleistung pro Gatter, wichtige funktionelle Gruppen in der Schaltung zu parallelisieren, sodaß der Gesamtdurchsatz steigt.

Die einzelnen Einflußgrößen hängen auf relativ komplexe Weise zusammen, und so ist es notwendig, eine Optimierung über Prozeß-, Bauelement- und Schaltungsebene durchzuführen, um die Packungsdichte und Verarbeitungsgeschwindigkeit weiter zu erhöhen.

Die Hauptanforderung für einen Prozeß, der für kleine Versorgungsspannungen ausgelegt wird, ist eine genaue Einstellung der Schwellspannungen der Transistoren, die in einem sehr engen Bereich liegen müssen.



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Martin Stiftinger
Fri Oct 21 18:22:52 MET 1994