بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله روشی نوین برای انتقال دو سیگنال دیجیتال به صورت همزمان و مستقل - ناهمگام - بین دو گره فرستنده/گیرنده از طریق یک اتصال میانی درونتراشهای تشریح میشود. انتقال دادهها روی اتصال میانی میتواند به صورت همجهت و یا در دو جهت مخالف باشد. روش پیشنهادی، سطح مصرفی کوچکی از تراشه را اشغال کرده و توان مصرفی اندکی دارد؛ نیز میتواند در ولتاژ تغذیه کم به کار رود. در این روش، فرستنده و گیرندههای دوطرف اتصال میانی کاملا مستقل از یکدیگر عمل کرده و هیچ نیازی به تفکیک زمانی یا همگامی بین آنها وجود ندارد. شبیهسازی روش پیشنهادی در فنآوری سی ماس 0/18 میکرومتر و روی سیمی با طول 100 میکرومتر در لایه ششم، کاهشی بیش از 67 درصدی در حاصل ضرب توان مصرفی و تاخیر را نسبت به یکی از بهترین روشهای شاخص پیشین نشان میدهد.
کلید واژه- سیگنال دهی، اتصال میانی روی تراشه، ارتباط دوجهته، ارتباط همزمان.
-1 مقدمه
با کوچکشدن ابعاد ترانزیستورها و امکان مجتمع نمودن مدارهای بزرگ روی یک تراشه، امکان ایجاد ارتباط بین بخش های مختلف تراشه اهمیت یافته است. در تراشههای امروزی بسیار مهم است که بتوان توان مصرفی و سطح اشغالی را کاهش داده و سرعت سیستم را افزود . بنابراین چنان چه بتوان روی یک اتصال میانی دو بیت داده را منتقل نمود، سرعت به میزان دو برابر افزایش یافته است. روشهایی که تاکنون برای این کار معرفی شدهاند، بدین شرح است:
مدولهکردن دامنه سیگنال ارسالی روی خط به نحوی که سیگنالهای موجود روی خط قابل تفکیک از یکدیگر باشند. این تکنیک در هردو حالت ولتاژی[1] و جریانی [4][3][2] پیادهسازی شدهاست. با این روش حتی میتوان سیگنالهای آنالوگ را نیز منتقل نمود .[6][5] تفکیک پالس ساعت برای دریافت داده از دو طرف خط و انتقال آن به طرف دیگر .[8][7] بررسی وضعیت اتصال میانی و تشخیص همسان یا غیرهمسان بودن دادههای ارسالی از دو طرف خط. از آنجا که دادهی یک طرف خط مشخص است، دادهی طرف دیگر نیز معلوم میگردد.[9] در این مقاله روش جدیدی ارائه میگردد که در هیچ کدام در دستهبندیهای معرفی شده جای ندارد. در این روش برای اینکه سیگنالها روی اتصال میانی تداخل نداشته و قابل تفکیک باشند، به دو نوع جریان و ولتاژ ارسال میگردند . جزئیات این طرح در بخش 2 شرح داده میشود. در بخش 3، نتایج حاصل از شبیه-سازی ارائه شده و در بخش 4 نتیجهگیری و جمعبندی مطالب مشاهده میشود.
-2 روش پیشنهادی
نکته کلیدی در ارسال چند داده همزمان روی یک اتصال میانی این است که سیگنالها در حداقل یک ویژگی کاملا متفاوت و قابل تفکیک باشند. این ویژگی میتواند فرکانس، دامنه ولتاژ، دامنه جریان و یا زمان ارسال باشد. اما در روش پیشنهادی - شکل - 1 داده های ارسالی از دو طرف اتصال میانی در جنس سیگنال با هم متفاوت هستند. در واقع یک طرف خط، داده را به شکل ولتاژ و طرف دیگر داده را به شکل جریان ارسال میکند. طرفی که سیگنال جریان ارسال میکند، باید گیرنده ولتاژ داشته باشد و متقابلا طرفی که سیگنال ولتاژ ارسال میکند، باید گیرنده جریان داشته باشد. در پیادهسازی روش پیشنهادی فرض شده است که سیگنالهایی که به عنوان ورودی و خروجی از واحد فرستنده/گیرنده دو طرف اتصال میانی داده/دریافت میشود، از نوع بیتهای دیجیتال ولتاژی هستند و بین صفر ولت و ولتاژ تغذیه تغییر میکنند.
-1-2 پیادهسازی روش پیشنهادی
با توجه به شکل 2 فرضهای ساده کنندهای که برای طراحی مدار در نظر گرفته شده است، بدین شرحاند: سیگنال جریان یا صفر است یا مقداری بالای یک حد آستانه - که 3 میکروآمپر فرض شده است - . سیگنال ولتاژ بین دو حد آستانه تغییر میکند. برای تولید سیگنال جریان از منبع جریان ساده استفاده شده که از یک ماسفت با ولتاژ VGS ثابت و یک کلید با ولتاژ کنترل کننده VC1 تشکیل شده است. ولتاژ VC1 درواقع همان دادهای است که باید منتقل گردد. گیرنده ولتاژ نیز یک گیت معکوس کننده ساده - M3a,M4a - است که به صورت موازی متصل شده و ولتاژ خط را به عنوان ورودی دریافت میکند.
برای تولید سیگنال ولتاژ از ترانزیستورهای M6b و M5b و منبع ولتاژ ثابت VB2 و ولتاژ کنترلی VC2 استفاده شده است. اگر ترانزیستور M5b روشن باشد، ولتاژ خط برابر ولتاژ VGS ترانزیستور M7b میباشد و در غیر این صورت ولتاژ خط به مقدار تغییر میکند. البته برای اینکه این قسمت مدار به درستی کار کند، باید ترانزیستورها همواره روشن باشند. لذا لازم است تا در مواقعی که جریان خط صفر است، منبع جریان دیگری ترانزیستورها را روشن نگه دارد و برای همین دلیل از ترانزیستورهای M1b و منبع ولتاژ ثابت VB3 استفاده شده است.
گیرنده جریان خط بدین صورت عمل میکند که جریان M7b به M8b آینه شده و چنانچه جریان M8b از جریان M2b بیشتر باشد ولتاژ درین M2b بالا میرود و در غیر اینصورت ولتاژ درین M2b پایین میآید. این عدم تساوی مقدار جریان دو منبع جریان M2b - و - M8b باعث میشود تا همواره یکی از آنها در ناحیه ترایود و دیگری در ناحیه اشباع بوده و ولتاژ گره مابین آنها یکی از دو حالت حدی را داشته باشد. ولتاژ خروجی VO1 توسط ولتاژ درین M2b کنترل میشود و آن نیز متاثر از جریان وارد شده از اتصال میانی است. درواقع ولتاژ ورودی VC1، جریان خط و در نتیجه ولتاژ خروجی VO1 را تعیین میکند. متقابلا ولتاژ ورودی VC2، ولتاژ اتصال میانی و نهایتا ولتاژ خروجی VO2 را تعیین میکند.
-2-2 محدودیتها و ملاحظات مداری ×
در طرف فرستنده جریان، محدودیت مداری تنها جهت جریان خط است که میتواند یا وارد شونده یا خارج شونده باشد. دیگر اینکه افزایش دامنه جریان، افزایش توان مصرفی را در پی دارد. در طرف فرستنده ولتاژ باید در نظر داشت که ولتاژی که به اتصال میانی اعمال می شود نباید باعث اختلال در عملکرد منبع جریان طرف دیگر خط شود. در این مدار ولتاژ خط نباید بیش از VDD-VDS - SAT - - M1a - باشد. همچنین ولتاژهای اعمالی به خط باید مقادیری باشند که برای گیرنده ولتاژ در طرف دیگر خط کاملا قابل تفکیک و تشخیص باشند. باید توجه داشت که با توجه به مقادیر ارایه شده برای ولتاژ خط مشاهده میشود که این مقادیر کاملا وابسته به مقدار VGS ترانزیستور است.
به همین دلیل وابستگی اندکی نیز به جریان خط خواهد داشت. این اثر در بخش سوم و در منحنی ولتاژ خط در شکل 3 نیز دیده میشود. اما همچنان که مشاهده می شود، اثر جریان خط روی ولتاژ خط به حدی نیست که آن را از محدوده قابل تفکیک برای گیرنده ولتاژ خط خارج ساخته و یا به حد دیگر ولتاژ منتقل کند و منجر به تشخیص غلط شود. مقدار منبع جریان تغذیه طرف فرستنده ولتاژ و نسبت W/L ترانزیستورهای M2b و M8b باید به گونه ای انتخاب شوند تا وقتی که جریان اتصال میانی صفر است، جریان M2b از جریان M8b بیشتر باشد و در وقتی که منبع جریان به طرف دیگر خط وصل میشود، جریان M2b از جریان M8b کمتر باشد.
-3 نتایج شبیهسازی ×
مدار شکل 2 توسط نرم افزار star-hspice 2008 و با فنآوری سیماس 0/18 میکرومتر و مدل خط انتقال سه قطعهای شبیهسازی و ارزیابی شده است. ولتاژ تغذیه مدار 1/8 ولت انتخاب شده است. البته این ولتاژ میتواند کمتر نیز باشد، ولی منجر به کاهش دامنه نویز قابل تحمل مدار میگردد. برای جلوگیری از اتلاف بیش از حد توان، دامنه سیگنال جریان ارسالی 3 میکروآمپر انتخاب شده که توان مصرفی متوسط 20 میکرووات را در پی داشته است. حداکثر تاخیر پاسخ در حالت انتقال سیگنال جریان، در وضعیت همزمانی لبههای بالاروندهی هر دو سیگنال رخ میدهد و برای سیمی با طول 100 میکرومتر در لایه ششم - M6 - فنآوری برابر همانطور که در جدول 1 آمده است، حاصل ضرب توان مصرفی در تاخیر انتقال یک داده به طور میانگین، بسیار کمتر از این مقدار در سه مدار دیگر است و بیش از 67 درصد بهبود در EDP نسبت به مرجع [10] -دارای کمترین EDP در میان سه مرجع-
