بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی مدارهاي تمام جمع کننده ي جدید براي تکنولوژي ولتاژ زیر آستانه
چکیده
در این مقاله دو ساختار جدید تمام جمع کننده ي تک بیتی ارائه شده است. مدارهاي موجود براي بلوكهاي تمام جمع کننده بررسی و همچنین دو مدار تمام جمع کننده ي طراحی شده با تمام جمع کننده هاي رایج از نظر تأخیر انتشار، توان مصرفی، PDP و P2DP در تکنولوژي ولتاژ زیر آستانه مقایسه شده است. نتایج شبیه سازي نرمافزار HSPICE نشان میدهد که تمام جمع کننده هاي پیشنهادي، نسبت به تمام جمع کننده ي TG به طور قابل توجهی بهبود یافته است. مقایسه ساختارهاي تمام جمع کننده در منبع ولتاژ 260mV انجام شده است.
یکی از مدارهاي تمام جمع کننده ي پیشنهادي داراي 14 ترانزیستور است که در ولتاژهاي پایین به خوبی کار میکند، در مقایسه با تمام جمع کننده ي 14T رایج که در ولتاژهاي پایین کار نمیکند.
کلمات کلیدي: جمع کننده تک بیتی، تکنولوژي ولتاژ زیر آستانه، تأخیر انتشار، توان مصرفی.
1 -مقدمه
جمع کننده هامعمولاً پراستفاده ترین سلول به کار رفته در یک سیستم دیجیتال محسوب میشوند. نمونهاي از کاربردهاي این مدارها میتواند در پردازندههاي DSP، اجراي الگوریتمهاي FFT، فیلترهاي FIR و IIR و همچنین استفاده در ضربکننده ها باشد. همانطور که مشخص است در یک میکروپروسسور میلیونها عملیات و دستورالعمل در واحد ثانیه انجام میشود. لذا سرعت قطعاتی که در این زمینه استفاده میشود بسیار حائز اهمیت میباشد. قطعاتی مانند موبایل، لپتاپ و ...، چون قابل حمل میباشند بهتر استاولاً مجتمعسازي بالا ثانیاًو مصرف توان کمی داشته باشد. طراحی مدارهاي جمع کننده در ولتاژ زیر آستانه یک راهحل مناسب جهت کاهش قابلتوجه توان مصرفی میباشد.[1] در طراحی مدارها در ولتاژ زیر آستانه، ولتاژ منبع باید به تدریج تا زیر ولتاژ آستانه کاهش یابد؛ بنابراین خازن بار شارژ یا توسط جریان نشتی زیر آستانه دشارژ میشود. هنگامیکه مدارهاي جمع کننده در ولتاژ زیر آستانه کار میکنند، باید ویژگی عملکردي متفاوت نسبت به عملکرد جمع کننده ها در ناحیه وارونگی قوي داشته باشند، زیرا در ولتاژهاي پایین مصرف توان نشتی حائز اهمیت است. توان میتواند به طور قابلتوجهی تنها با استفاده از این جریان نشتی زیرآستانه در مدارهاي پیادهسازي شده کاهش یابد، که این با تنظیم درست منبع ولتاژ مدار (Vdd)،
به مقدار کمتر یا برابر ولتاژ آستانه (Vth)، به دست میآید. جریان ترانزیستورها در ولتاژ زیرآستانه به صورت نمایی با ولتاژ گیت مرتبط است که منجر به کاهش نمایی در مصرف توان میگردد اما سبب افزایش در تأخیر مدار نیز میشود.[1] در نتیجه یک طراح VLSI باید جهت بهینه کردن این پارامترها یک مصالحه بین آنها برقرار کند. از آنجایی که دو پارامتر تأخیر انتشار و میزان توان مصرفی در تضاد هم میباشند، براي ایجاد مصالحه بین این دو پارامتر، میتوان با توجه به مقدار PDPي مدارها، مقایسه مورد نظر را انجام داد، که در واقع همین مطلب و بررسی عملکرد این ساختارها با کاهش ولتاژ تغذیه هدف این مقاله میباشد، البته براي مقایسه بهتر و نشان دادن اهمیت مصرف توان در ولتاژهاي پایین در این مقاله پارامتر P2DP هم تعریف شده است. در ادامهي این مقاله در بخش2 طراحی تمام جمع کننده ها معرفی میشود. بخش3 به معرفی مدارهاي هریک از سه بلوك تمام جمع کننده اختصاص دارد. در بخش4 نیز، نحوهي انجام شبیه سازي در خصوص انتخاب ساختار برتر و ارائه نتایج مورد بررسی قرار میگیرد نهایتاًو در بخش5 یک نتیجهگیري کلی در مورد کار انجام شده در این مقاله صورت گرفته است.
2 -تمام جمع کننده :
در شکل((1، دیاگرام بلوکی یک تمام جمع کننده تکبیتی مبتنی بر XOR-XNOR نشان داده شده است. این مدار از سه بلوك اصلی تشکیل شده است. از آنجا که این بلوكها را میتوان به روشها و منطقهاي متفاوت پیادهسازي کرد، پسنتیجتاً مدار تمام جمع کننده نیز میتواند به شکلها و منطقهاي متفاوت طراحی شود. در این شکل، A و B وروديها، Cin نقلی ورودي، Sum حاصلجمع و Cout نقلی خروجی میباشد. روابط (1) و (2)، ارتباط موجود میان وروديها و خروجیها را ارائه میدهد.[2]
عبارتهاي بولین در روابط (1) و (2)، میتواند به صورت روابط (3)، (4) و (5)، مرتب گردند.
همانطورکه در روابط (4) و (5)، مشاهده میشود، H و متمم آن H متغیرهاي اولیه براي Sum و Cout هستند؛ بنابراین در بلوك اول، باید H و H تولید شود که همراه با Cin جهت ایجاد Sum در بلوك دوم استفاده میشوند. بلوك سوم جهت تولید Cout با استفاده از وروديهاي H، H، A و Cin به کار برده شده است.[2]
با توجه به بررسی تمام جمع کننده ها در ولتاژهاي زیر آستانه، براي کاهش مصرف توان، که عامل اصلی آن در ولتاژهاي پایین توان نشتی میباشد، سعی شده از گیتهاي NOT، تا حد امکان استفاده نشود. بنابراین براي بلوك اول از مدارهایی استفاده میشود که سیگنالهاي H و H را به طور همزمان، بدون نیاز به گیت NOT تولید کند. در دو ساختار تمام جمع کننده هاي مبتنی بر XOR-XOR یا XNOR-XNORمعمولاً براي تولید سیگنال Hدر بلوك اول نیاز به گیت NOT است. در ادامه تمام جمع کننده ي مبتنی بر XOR-XNOR مورد بررسی قرار میگیرد، که در بلوك اول این نوع تمام جمع کننده سیگنالهاي H
و H به طور همزمان تولید میشود.
در تمام جمع کننده ي مبتنی بر XOR-XNOR ، خروجیهاي Sum و Carry توسط روابط (4) و (5)، تولید میشوند.
شکل :1 بلوك تمام جمع کننده ي مبتنی بر .[2] xor-xnor
در این تمام جمع کننده بلوك اول شامل یک مدار XOR-XNOR است، که سیگنالهاي H و H را تولید میکند. بلوكهاي دوم و سوم مالتیپلکسرهاي دوبهیک با خطوط انتخاب H و H میباشند، که به ترتیب خروجیهاي حاصل جمع و رقم نقلی را تولید میکنند. تولید همزمان سیگنال H و H در تمام جمع کننده ها بسیار مهم است زیرا خطوط انتخاب مالتیپلکسرهاي طبقه خروجی را راهاندازي میکنند. در حالت دیگر H) و H غیر همزمان)، ممکن است گذار غیرواقعی و اتلاف توان غیرضروري رخ دهد. تا زمانی که این سیگنالهاي میانی از بلوك اول در دسترس نیستند، خروجیهاي نهایی نمیتوانند تولید شوند. در ادامه مدارهایی که تاکنون براي سه بلوك تمام جمع کننده ارائه شده است، بررسی میشود.
3 -مدارهاي ارائه شده براي سه بلوك پایه تمام جمع کننده :
دروازههاي XOR و XNOR نقش مهمی در مدارهاي مختلف به ویژه مدارهاي محاسباتی دارند و طراحی بهینهي آنها موجب بهبود کارایی مدارهاي مذکور خواهد شد. با توجه به اهمیت طراحی و ساخت تمام جمع کننده ها، ضرورت بحث در مورد طراحی مداراهاي XOR و XNOR بهعنوان پایهايترین عنصر در طراحی این رده از مدارهاکاملاً آشکارشده است. در سالهاي اخیر، تولید همزمان XOR و XNOR بهطور گستردهاي براي بلوك اول استفاده شده است4]، .[5 این ویژگی بسیار مطلوب است زیرا
سیگنالهاي خروجی در این بلوك به طور همزمان تولید شده و براي راهاندازي1 خطوط انتخاب مالتیپلکسر در تمام جمع کننده استفاده میشود. در شکل((3 کلیه مدارهایی که تا کنون براي بلوك اول طراحی شده است نشان داده شده است.
در شکل((4، تعدادي از مدارهاي پرکاربرد براي بلوك دوم، که تاکنون ارائه شده است، مشاهده میشود. این مدارهاالزاماً عمل
XOR یا XNOR را انجام میدهند و در بلوك اول تمام جمع کننده هم قابل استفاده هستند، اما عملکرد مناسبی نمیتوانند در این بلوك داشته باشند.
شکل((2، مدار مالتیپلکسر دو به یک را براي بلوك سوم نشان میدهد. خروجی این بلوك را میتوان بهصورت رابطهي (5)،
بیان کرد.
شکل :2 مدار ارائهشده براي بلوك سوم.[10]
شکل :3 مدارهاي موجود براي بلوك اول ساختار تمام جمع کننده .[6]
