Low Power – High SpeedMCML Circuits (II)
ShahnamKhabiri
95.575
March, 2002
Outline:Outline:
- Introduction
- CSL and MCML operation
- CMOS, MCML, CML, ECL comparison
- DyCML
- Feedback MCML
- Adaptive pipeline system for MCML
- Conclusion
- References
IntroductionIntroduction
VLSI development goals:
- Large integration density
- High speed operation
- Low power dissipation
- Low cost
Introduction Introduction 
Why not CMOS:
- Switching noise in mixed mode ASIC’s
-   P 
- Vdd   P , but Delay  , …
Why CMOS:
- High packing densities
- High noise margin
- Simplicity
- No static power dissipation
- Yield
- Low cost, …
Current Steering Logic (CSL)Current Steering Logic (CSL)
C:\My Documents\shahnam\fig3.JPG
Advantage:
- Reduced power supply current noise
Disadvantage:
- Additional output branch for each fanout
- Static power dissipation
- Frequency proportional dynamic powerdissipation
C:\My Documents\shahnam\fig36.JPG
MCML OperationMCML Operation
- Rise time depends on RL(RFP voltage)
- Fall time depends on I (RFNvoltage)
- NMOS current source haslonger L to provide high ro
- Less sensitivity to noisemargin and gain, therefore :
  gain could be set to 1.4
 and Vswing set to 300mv
C:\My Documents\shahnam\fig35.JPG
MCML Logic GatesMCML Logic Gates
C:\My Documents\shahnam\fig23.JPG
CMOS, MCML, CML, ECLCMOS, MCML, CML, ECL
C:\My Documents\shahnam\fig5.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig6.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig4.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig7.JPG
 
CMOS
MCML
CML
ECL
Delay
C.Vdd/[K(Vdd-VT)2]
C.V/I
C.V/I
<Tcml
Power
C(Vdd)2.f
Vdd.I
Vdd.I
>Pcml
Vms
V= 0.6 v
(I/K)0.5+VT=  0.9 v
2VBE+VSC= 1.8 v
3VBE+VSC= 2.6 v
CMOS, MCML, CML, ECL CMOS, MCML, CML, ECL 
C:\My Documents\shahnam\fig30.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig31.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig32.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig33.JPG
Simulated results for an MCML F.A.Simulated results for an MCML F.A.
C:\My Documents\shahnam\fig10.JPG
- MCML Full Adder in 0.5um
  Vdd = 1.2 v
  delay = 200ps
-CMOS:
  Vdd = 3.3 v, delay = 600ps
  Vdd = 1.5 v, delay = 2ns
Experimental results for an MCML F.FExperimental results for an MCML F.F
C:\My Documents\shahnam\fig11.jpg
- 0.5 um cmos, f = 1.8 GHz
- Delay between clock edge and output= 160ps
DyCMLDyCML
C:\My Documents\shahnam\fig12.JPG
- Vswing.CL = WC1.LC1.Cox.(Vdd-Vswing)
- C1 size
C:\My Documents\shahnam\fig13.JPG
Advantage:
- Dynamic current source
- No static power dissipation
- More stability in compare with otherdynamic circuits
- Supply voltage is as low as Vtn+|Vtp|
DyCML DyCML 
Cascading:
C:\My Documents\shahnam\fig14.JPG
1- Clock Delay mechanism (CD)
  less stability
2- Self Timing scheme (ST)
 higher delay and power consumption
Simulation results for DyCMLSimulation results for DyCML
C:\My Documents\shahnam\fig15.bmp
- Using 0.6 um CMOS
- Vdd = 3.3 v, f = 100MHz
- DyCML more suitable forcomplex gates
- ST is slower than CD andconsumes more power
Feedback MCMLFeedback MCML
Effect of Vthfluctuation:
C:\My Documents\shahnam\fig16.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig17.JPG
- Vth fluctuation is due to:
  Fluctuation of gate oxidethickness
  Fluctuation of gate length
  Random placement of thechannel dopant
-VB = G(0).Vth
  G(0)  VB
 
Feedback MCML Feedback MCML 
C:\My Documents\shahnam\fig18.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig19.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig20.JPG
- If GC(fmax) = GF(fmax)
   GF(0) < GC(0) 
  VB is smaller 
 More tolerance forVth @ several GHz
- LMF1 and LMF2 arelarger than minimum
Feedback MCML 1:2 Demux andsimulation results:Feedback MCML 1:2 Demux andsimulation results:
C:\My Documents\shahnam\fig21.JPG
C:\My Documents\shahnam\fig22.JPG
- Feedback MCMLtolerates two times moreVth fluctuation incompare withconventional MCML
- Experimental resultsshow 10 Gb/s Mux,Demux 1:8 in 0.18umuse ¼ power of GaAs orSi bipolar and faster thanCMOS.
- Feedback MCMLLatch implementation
MCML Optimization in Mixed SignalApplications MCML Optimization in Mixed SignalApplications 
Voltage Swing Control (VSC):
C:\My Documents\shahnam\fig24.JPG
- VSC allows fixed voltageswing across variety ofcurrents and easy trade offspeed for power
- Drawbacks:
  Power and area overhead
  different gates won’t trackVlow exactly so hard to shareVSC
Adaptive pipeline system for MCMLAdaptive pipeline system for MCML
C:\My Documents\shahnam\fig25.JPG
Current SourceController:
- RFN and consequently Iwill be set based oncritical path delayrequirements
- Circuit timinginsensitive to process,temperature and voltagevariation.
- Design for nominaldelay and not the worstcase delay
Full Adder in MCMLFull Adder in MCML
C:\My Documents\shahnam\fig28.JPG
- We can use Currentscaling to increase Carryspeed
- For small number ofbits <16 bits CLA is not agreat help
Experimental Results:Experimental Results:
C:\My Documents\shahnam\fig26.JPG
- Using 0.25 CMOSprocess for a 12 bitsCORDIC Full Adder
- Power results of MCMLare up to 1.5 times lessthan CMOS CORDIC’swith similar propagation
ConclusionConclusion
- High speed:
   Tcmos > Tmcml > Tcml > Tecl
   NMOS devices, Low voltage swing, All ON Transistors
- Low power consumption
  @500MHz with applicable Vdd’s:
  Pcmos > Pecl > Pcml > Pmcml
- Flexible to construct any logic circuit
- High speed compact circuits are feasible
- P is constant with increasing f (good for high speed applications)
- Fixed power supply current (good for mixed signal ASIC’s)
- Vdd  P , No effect on Delay
MCML advantages:
Conclusion Conclusion 
- Small Vswing reduces cross talk
- Common noise rejection capability
- MOS related advantages:
  good yield, small area, low cost, low supply voltage
- No theoretical minimum for E.D
  For a linear chain of N identical MCML gates:
  E.D = N3.C2.Vdd.V2/I
  I  E.D
-Flexibility in design optimization:
 Vswing, I, Vdd, Transistor sizes
MCML advantages:
Conclusion Conclusion 
- VT deviation impact on functionality anddelay
- Static power
- Not suitable for power down mode systems
- Large load resistors need large area
- Matching of rise and fall delays
- Shallow depth logic is a limit for MCML
C:\My Documents\shahnam\fig8.JPG
MCML disadvantages:
References:References:
Yamashina, Yamada,”An MOS Current Mode Logic Circuit forLow Power GHz Processors”, NEC Res & Dev, 1995.
J.Rabaey, J.M.Musicer,”MOS current mode logic for low power,low noise CORDIC computation in mixed signal environment”,2000.
A.Tanabe,”0.18 u CMOS 10 Gb/s Multiplexer/Demultiplexer Icsusing current mode logic with tolerance to Threshold Voltagefluctuation”,IEEE J. Solid State Circuits, Vol36, No 6, June2001.
M.W.Allam, M.I.Elmasry,”Dynamic current mode logic: a newlow power high performance logic style”,IEEE J. Solid StateCircuits, Vol36, No 3, March 2001.
D.J.Allostot,”Current mode logic techniques for CMOS mixed-mode ASIC’s”,IEEE Custom Integrated Circuits Conf., 1991.