بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آناليز و مقايسه ضرب کننده هاي آنالوگ چهار ربعي مد جرياني از نظر خطي بودن و اعوجاج هارمونيک کلي
چکيد ه :
ضرب آنالوگ دو سيگنال يکي از مهمترين کاربردها در پردازش سيگنال است . انگيزه اصلي براي انتخاب ضرب کننده ي جرياني آنالوگ اهميتش در کارکرد پردازش سيگنال آنالوگ غير خطي است . ضرب کننده به عنوان عنصر برنامه ريز در سيستمهايي همچون فيلترها ,شبکه هاي عصبي , و به عنوان ميکسر ها و مدلاتورها در يک سيستم مخابراتي استفاده مي شود. و کاربرد وسيعي در فيلتر هاي وقفي مدولاسيون تبديل فرکانس کنترل بهره خودکار سيستم هاي مجتمع فازي و غيره دارند. ضرب چهار ربعي داراي عملکرد غير خطي در پردازش سيگنال هستند که براي تجهيزات ارتباطات و سيستم هاي کنترل بسيار مفيد مي باشندوفن آوري CMOS به طور گسترده اي به عنوان مطلوب ترين تکنولوژي براي پياده سازي مدارهاي مجتمع به رسميت شناخته شده است .بنابراين مقايسه و بررسي ضرب کننده هاي چهار ربعي جرياني از نظرتوان مصرفي، اعوجاج هارمونيک کل THD، پاسخ فرکانسي، خطي بودن , سرعت ،محدوده ولتاژ ورودي ، محدوده جريان ورودي
، نويز، منبع تغذيه و ساير پارامتر هاي تاثير گذار بر مدار هاي ضرب کننده هاي چهار ربعي جرياني جهت دستيابي به ضرب کننده با عملکرد مناسب واستفاده در کاربرد هاي خاص ضروري است .
کليد واژه - مقايسه - ضرب کننده - چهار ربعي جرياني-پاسخ فرکانسي .
١- مقدمه
به دليل اهميت فراوان ضرب کننده ها در صنعت در اين پژوهش ما قصد بررسي و مقايسه انواع ضرب کننده هاي انالوگ چهار ربعي را داريم و با دسته بندي آنها از نظر پارامترهاي تاثير گذار استفاده مطلوب از آنها را در کاربرد هاي خاص را فراهم مي آوريم . تکامل تکنولوژي مدارت مجتمع و آينده سناريوهاي محاسبات فراگير و تاکيد بر نياز به مدارهاي با توان بسيار پايين و ولتاژ کم وبا دامنه سيگنال پويا و خطي ما را بر آن داشت تا از ضرب کننده چهار ربعي در ساخت بلوکهاي سيستم هاي پردازش سيگنال استفاده کنيم . انتخاب بهترين معماري ضرب کننده براي کاربرد هاي خاص است که طراحان تامين ولتاژ وتوان پايين را بررسي مي کنند . متاسفانه طراحاني که ضرب کننده هارادريک ادبيات مطرح مي کنند اغلب مرجعي يا مقايسه اي باديگر ضرب کننده ها فراهم نمي آورند .فقدان قياس باعث ميشود معماري هاي ضرب کنندهاي اساسي مشابه شود که لحظه به لحظه به عنوان معماري هاي جديد گزارش مي شوند .در بخش ١ اين مقاله يک ضرب کننده آنالوگ چهارربعيCMOS جديد و مدار تقسيم کننده بر اساس مدار توان دوم پيشنهاد شده است . يک حلقه انتقال خطي دو گانه قالب بندي اساسي در تحقق طرح است . ولتاژ تغذيه V٣٣ است .مزيت هاي اصلي اين ضرب کننده سرعت بالا، توان کم ، خطي بودن بالا و خطاي آفست dc کم هستند.مدار مورد نظر با استفاده شبيه ساز hspice توسط پارامترهاي سظح (BSIMV3) در تکنولوژي cmos استاندارد طراحي و شبيه سازي مي شود. نتايج شبيه سازي ضرب کننده آنالوگ يک خطاي خطي ١.١% ، يک THD ٠.٩٧ درMHZ1 ، پهناي باند ويک توان مصرفي ماکزيمم mw ٠.٣٤ را نشان مي دهد. و در بخش ٢ اين مقاله ، يک ضرب کننده ي جريان CMOS آنالوگ براي کاربردهاي ولتاژ پايين ارائه شده که از فرايند n-well استفاده مي کند. روابط ضرب کننده به دست آمده اند تا خواص خطيشان ثابت شود، و سپس يک طراحي ولتاژ پايين پيشنهاد شده است . شبيه سازيهاي پس از طرح در فرايند ٠.٣٥ CMOS ميکرومتري و منبع تغذيه ١.٥ ولتي، THD در حد ٠.٨٤ درصدي در ١٠ مگاهرتز و پهناي باند فرکانس ١٤٠ مگاهرتزي نشان ميدهد.
٢- ضرب کننده آنالوگ Cmos چهار ربعي با توان کم سرعت بالاي با حالت جرياني
٢-١ مدارتوان دوم حالت جريان :
شکل ١ مدار توان دوم حالت جرياني بر اساس حلقه دوگانه انتقال خطي را نشان مي دهد از. اين مدار را براي تحقق مدارضرب کننده استفاده خواهيم کرد. مدارمتشکل از يک حلقه دوگانه انتقال خطي يک ُID است .به طور کلي جريان درين ( ٤M - ١M) در اشباع با صرف نظراز اثر ات مرتبه دوم MOS ترانزيستور مانند کاهش موبيليته و مدولاسيون طول کانال ميتوان بيان کرد:
در آن است .پارامتر هدايت انتقالي ترانزيستور ، 0μ تحرک الکترون است ،COX اکسيدگيت خازن در واحد سطح ، L .W نسبت ابعاد ترانزيستور ، VGS ولتاژ گيت به سورس و VT ولتاژ آستانه ترانزيستور MOS. است يک حلقه ازM4 - M1 ترانزيستور MOS را در نظر بگيريد ؛جمع ولتاژهاي گيت -سورس در اطراف حلقه مي دهد.
ترانزيستور ١M تا ٤M حلقه دوگانه انتقال خطي در شکل ١. آنها در منطقه اشباع باياس شده اند سپس با استفاده از (١) و (٢) و با توجه به ماداريم
با جا گذاري(5)و (6) در (7)و بتوان رساندن هر دو طرف :
جريان خروجي در مدار شکل ١ بصورت :
بنا براين (10) جريان توان دوم سيگنال ورودي است .
٢-٢ ضرب کننده آنالوگ :
ضرب کننده آنالوگ در شکل ٢نشان داده شده است برپايه مدار توان دوم شکل ١ و دو حلقه انتقال خطي دوگانه استوار است حلقه ٤M-١M تابع تابع (Y-X) را ميسازدو توابع توان دوم را ميسازند.
٢-٣ تجزيه و تحليل عملکرد
در اين بخش ، ويژگي هاي آنالوگ ضرب کننده درشکل . ٢تجزيه و تحليل خواهد شد. دامنه هاي ورودي ،ولتاژ آستانه ،
عدم تطبيق و خطا ي اثر بدنه مورد بحث قرار گرفته است .
شکل ٢:مدار ضرب کننده مد جرياني
٢-٣- ١ خطا. ي ناشي از اثر بدنه
در يک ترانزيستور MOS، ولتاژ سورس به را افزايش مي دهد ، Vt ولتاژ آستانه نيز افزايش مي دهد. اين " ا ثربدنه " ، که مي تواندمشخص شود توسط :
که ولتا ژ آستانه باياس -صفر است ضريب اثر بدنه و پتانسيل بالک مي باشد.براي اجتناب از اين اثر ، ترانزيستور هاي MOSکسکد شده در چاه از هم جدا قرار داده شده است ، و VSB صفر خواهد شد.بنابراين ، اين ترانزيستور ها ولتاژ آستانه باياس – صفر دارند . در بالک به سورس متصل شده است و و در ترانزيستور ١ عدم تطابق بين ترانزيستور هاي :
هر دو طرف را دو بار بتوان دو مي رسانيم و ترمهاي شامل صرفنظر ميشود پس جريان بصورت
با صرف نظر از ترمهاي شامل
ترم در21 نشان دهنده خطاي خطي کوچک است .
مزاياي استفاده از تابع در ضرب کننده حذف آفست و خطاي اثر بدنه با حذف ترمهاي دوم در (21) است در اين صورت جريان خروجي:
٢-٣-٢ محدوده ورودي و مقاومت ورودي و خروجي:
محدوده جريان ورودي توسط حلقه هاي دوگانه انتقال خطي، M4 - M1 و M5 -M8 ، محدود شده و در منطقه اشباع است . اگر ما فرض کنيم که ترانزيستور M4 - MOS - M1 در ناحيه اشباع کارميکند،
X ، (23) در (6)و با جايگزيني با فرض بيشترين مقدار جريان که در آن مدار ضرب کننده مي تواند به درستي کار کند را بدست مي آوريم
بدست مي آوريم IB با مربع کردن هر دو طرف و حذف قابل قبول که
.در مدار ضرب کننده ، بيشترين جريان ورودي است بيشترينIin است. بنابراين
خواهد شد اگر
٣-ضرب کننده ي چهار ربعي جريان با ولتاژ پايين : توپولوژي براي فرايند CMOSهاي -n .well
ضرب کننده هايي که در کلاس توپولوژي AB قرار دارند، اگر تحت تاثير ناهم خوانيهاي هدايت انتفالي PMOS و NMOS قرار نگيرند بهتر عمل ميکنند. يک توپولوژي که فقط از ترانزيستورهاي NMOS استفاده ميکند معرفي شده است . هرچند که اين توپولوژي ميتواند برخي مشکلات مشکل پارامتر هدايت انتفالي را برطرف کند و از PMOS استفاده ننمايد، فايده اش تنها با هدايت انتفالي ترانزيستورهاي K( NMOS) تعيين ميشود. در اين پژوهش ، ضرب کننده ي ارائه شده مبتني بر ضرب کننده ي چهار ربعي مد جرياني CMOS ميباشد، که جريان خروجياش مستقل از پارامتر دستگاه ترانزيستور MOS است . ميتوان آن را با تکنيک هاي ولتاژ پايين بهبود بخشيد تا گزينه ي خوبي ميان ضرب کننده هاي جريان باشد. به علاوه ، توپولوژي آن موجب ميشود هر مدار مربع ساز از ديگران مجزا باشد. بنابراين در بده بستان ولتاژ پايين و خطي بودن ميتواند مفيد به فايده واقع شود. با اين وجود، اين ضرب کننده براي فرايندهاي CMOS p-well پيشنهاد شده است . چرا که در غير اين صورت ، ممکن است تحت تاثير غيرخطيبودن شود که بيشتر به خاطر اثر بدنه به وجود ميآيد. در اين مقاله ، يک ضرب کننده ي جريان آنالوگ ولتاژ پايين براي پياده سازي در فرايندهاي n-well يا twin-well پيشنهاد شده است . يک روش براي خنثيسازي هم ارائه شده که تقارن بيشتري دارد و موجب کاهش اثر بدنه روي خطيبودن مدار ميشود.پاسخ مشخصه ي انتقال ارائه شده که به ما ميدهد بررسي کنيم آيا ضرب کننده خطيبودن خوبي به دست ميدهد .
شکل ٣: مدار توان دوم مد-جريان
بلوک ارائه شده بر يک توپولوژي کاملا تفاضلي استوار است که از يک مدار تفريق گر feedforward در خروجي استفاده ميکند تا مد عمومي را بتوان خنثي کرد. بافرهاي ورودي در ورودي آورده شده اند تا با امپدانس هاي منابع جريان مطابقت کنند و رفتار ولتاژ پايين را با ايجاد شيفت در ورودي بهبود بخشند .
1-3 مدار توان دوم با اثر بدنه
تحليل مدار توان دوم کننده ي مد-جريان را مي توان با در نظر گرفتن اثر بدنه هم انجام داد. شکل ٣ مدار توان دوم ساز را نشان ميدهد. جريان مربوط بهMd را ميتوان به صورت زير بيان کرد:
