بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک تمام جمع کنندهی کم مصرف مبتنی بر ترانزیستورهای اثرمیدانی نانولولهی کربنی را ارائه میدهیم. بهرهوری انرژی یکی از ویژگیهای مورد نیاز بسیاری از سیستمهای الکترونیکی مدرن طراحی برای عملکرد بالا و برنامه-های کاربردی قابل حمل شدهاست و به طور عمده به عملکرد اجزاء داخلی حال حاضر سیستم بستگی دارد. اجزاء داخلی باید از مصرف توان کم و سرعت بالا بهره ببرند.
طراحی بهینه از گیتهای XOR-XNOR مبتنی بر نانولولههای کربنی میتواند عملکرد مدار تمام جمع کننده را بهبود بدهد. در این مقاله بهبود عملکرد مدار تمام جمع کننده پیشنهادی با مدارهای تمام جمع کننده از جمله CCMOS، CMOS پل، CNTFET FA1، CNTFET FA2، CNTFET FA3، CNTFET FA4 مقایسه میشود.
.1 مقدمه
تمام جمع کننده یکی از بلوکهای ساختمانی اصلی بسیاری از مدارهای VLSI دیجیتال است و طبیعتا بهبود عملکرد آن تاثیر بسزایی در بهبود کلی عملکرد مدار دارد. هدف اصلی ایجاد تغییرات در مدارها، کاهش مصرف توان و افزایش سرعت عملکرد است.[1-2] گیت های XOR-XNOR نقش عمده ای در مدارهای مختلف مورد استفاده برای عملیات محاسباتی مانند تمام جمع کننده، مقایسه کننده و ... ایفا می کند.
چند طرح برای تشخیص عملکرد XNOR-XOR با استفاده از سبک های مختلف منطق، در دسترس است. طرح بهینه سازی شدهی گیت های XOR-XNOR برای بهبود عملکرد مدارهای بزرگی که این گیت ها بخشی از آنها هستند، مورد نیاز است. منظور از بهینه سازی، جلوگیری از هرگونه تخریب در ولتاژ خروجی، مصرف انرژی کم است. در این مقاله یک مدار تمام جمع کننده مبتنی بر نانولوله های کربنی با استفاده از یک XOR-XNOR ارائه می دهیم که دارای عملیات سرعتر، مصرف توان کمتر نسبت به دیگر مدارهای تمام جمع کننده مبتنی بر XOR-XNOR پیشنهادی قبلی می باشد.
2. ترانزیستورهای اثرمیدانی مبتنی بر نانولولههای کربنی - CNFETs -
نانولولههای کربنی از صفحات گرافیتی که بر اساس بردار C=ma1+na2 به صورت لوله درآمدهاند، تشکیل می شوند که در آن a1 و a2 بردارهای واحد صفحهی گرافیت هستند و بسته به نوع کایرالیتی - m,n - که نحوهی پیچش نانولولهی کربنی را تعیین میکند، نانولولههای کربنی تک دیواره می توانند فلز یا نیمه هادی باشند.
به این صورت که چنانچه m و n مساوی باشند - m=n - ویا حاصل تفریق m-n مضربی از عدد 3 باشند - m-n=3i - ، آنگاه نانولوله تولید شده دارای خاصیت رسانایی فلز خواهد بود. در غیر این صورت، نانولولهی تولید شده دارای خاصیت نیمه رسانایی است
CNFET ها دستگاههای مولکولی هستند که از اساسی ترین محدودیت ترانزیستورهای سیلیکونی پیروی نمیکنند و سرعت حمل و نقل بالایی در کانال خود دارند. از این رو نانولولهی کربنی برای استفاده در ترانزیستورهای اثرمیدانی بسیار مناسب هستند.
با استفاده از قطر مناسب برای نانولولهها میتوان ولتاژ آستانهی مناسب برای CNFETها به دست آورد. ولتاژآستانهی CNFET با قطر نانولوله رابطهی عکس دارد و به صورت زیر بیان می شوند:
که در آن a فاصلهی 2 اتم کربن مجاور - a 0.248 - ، الکترون واحد و DCNT قطر نانولوله هستند.
نانولولههای کربنی بسته به بردار کایرالیتی - m,n - به سه گروه آرمچیر، کایرال، زیگزاگ تقسیم میشوند. اگر m=n باشد، نانولولهی حاصل از نوع آرمچیر خواهد بود. اگر یکی از اعداد m و n صفر باشند، آنگاه نانولولهی زیگراگ تولید خواهد شد و در صورتیکه هیچکدام از دو حالت قبل رخ ندهد، یعنی m و n غیرمساوی و غیر صفر باشند، آنگاه نانولولهی ایجاد شده از نوع نامتقارن است.
.3 مروری بر مدارهای جمع کننده موجود
در این قسمت تعدادی از تمام جمع کننده هایی که در گذشته ارائه شدهاند را به طور مختصر توضیح می دهیم و عملکرد آنها را با مدارهای پیشنهادی مقایسه می کنیم. در گذشته تمام جمع کننده های زیادی بر اساس - MOSFETترانزیستورهای اثرمیدانی نیمه رسانا-اکسید-فلز - و CNFET ارائه شدهاند که هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند. اما با توجه به اینکه ترانزیستورهای نانولولههای کربنی یک جایگزین مناسب برای فنآوری مبتنی بر سیلیکون هستند و محدودیتهای MOSFET را ندارند، مدارهای پیشنهادی در این مقاله را هم با مدارهای MOSFET و هم با مدارهای مبتنی بر CNFET مقایسه خواهیم کرد.
تمام جمع کنندهی CMOS معمولی با 28 ترانزیستور در شکل 3,1 نشان داده شدهاست. این طرح بر اساس توپولوژی CMOS استاندارد طراحی شده و دارای خروجی سوئینگ کامل است که حاشیهی نویز و قابلیت اطمینان را افزایش داده-است. اما به علت استفاده از تعداد زیاد PMOS در شبکهی بالابر، این طراحی دارای خازنهای ورودی بالا، توان مصرفی پویا و تاخیر زیاد است
شکل :3,1 تمام جمع کنندهی [9] CCMOS
مدار دوم، جمع کنندهی CMOS پل است که از 24 ترانزیستور تشکیل شدهاست[9] و نسبت به مدار قبل مصرف توان کمتری دارد و در شکل 3,2 نشان داده شدهاست. در این طرح سیگنال Cout بر اساس سبک CMOS ساخته شده و سیگنال Sum از Cout و با استفاده از یک مدار پل تولید شده است. علاوه بر این برای تولید Sum و Cout از Sum و Cout برای افزایش قابلیت هدایت، از دو معکوس کننده در خروجی استفاده شدهاست.
شکل :3,2 تمام جمع کنندهی CMOS پل
مدار بعدی با استفاده از گیت XOR مبتنی بر نانولولههای کربنی ارائه شده که در شکل 3,3 پیاده سازی شده و در آن از 2 ترانزیستور عبور و 2 ترانزیستور پائینبر استفاده شده است.
