بخشی از مقاله
چکیده -
یکی از چالشهای مهم طراحی مدارهای دیجیتالی رابطهی بین میزان مصرف انرژی و سرعت مدار برای تغییر در کارایی طراحی است. تمامجمعکننده، اصلیترین قسمت پردازش در مدارهای مورداستفاده در انجام عملیات محاسباتی ازجمله در کمپرسورها، چک کنندههای برابری و غیره است. برای ساخت یک تمامجمعکننده روشهای بسیاری وجود دارد. اگرچه تمامی روشها دارای تابع عملکرد یکسان هستند ولی در نحوه اعمال ورودیها، روش ایجاد گرههای میانی و تعداد ترانزیستورهای بهکاررفته تنوع وجود دارد.
توان مصرفی کم، نویز پذیری ناچیز، مشابهت کارکرد با MOSFET، انتقال بالستیک الکترونها درون کانال و درنتیجه تحرک پذیری بالای آنها از مزایای ترانزیستور اثر میدانی نانولوله کربنی است.از سوی دیگر، کوچکشدن ولتاژ تغذیه، طراحی مدارهای حالت ولتاژ خطی را مشکل میکند. از طرفی، مدارهای حالت ولتاژ پهنای باند سیگنال را محدود میسازند و دارای امپدانس خروجی کم میباشند. لذا طراحی مدارهای حالت جریان با حساسیت کم نسبت به تغییرات تغذیه و نیز امکان بهتر پردازش سیگنال و انجام اعمال ریاضی مانند جمع، مدنظر طراحان قرار گرفته است.
در این پژوهش یک طراحی جدید از تمامجمعکننده مد جریان با استفاده از ترانزیستورهای اثر میدانی نانولوله کربنی ارائه میشود. همچنین با استفاده از شبیهسازی مدار پیشنهادی و تعدادی از مدارهای متعارف پیشین در هر دو فنّاوریCMOS و CNTFET، عملکرد بهتر تمامجمعکننده مد جریان معرفی شده در فنّاوری CNTFET رؤیت میشود. شبیهسازیها توسط نرمافزار HSPICE و بر اساس مدل استاندارد ارائهشده 32نانومتر توسط دانشگاه استنفورد در فنّاوری CNTFET، در ولتاژ تغذیه 0/9 ولت، دمای 27 درجه سانتیگراد، فرکانس کاری 100 MHz و 10 میلیآمپر جریان برای هر واحد ورودی انجام شده است.
مدار پیشنهادی ازلحاظ سرعت، دقت، توان مصرفی، تأخیر و درنهایت PDP در مقایسه با تمامجمعکنندههای مد جریان متعارف پیشین همچنین ازلحاظ تعداد ترانزیستور مصرفی نسبت به برخی از آنها عملکرد بهتری از خود نشان میدهد. تأخیر مدار پیشنهادی به میزان 34/3 پیکوثانیه و توان مصرفی متوسط مدار نیز برابر با 11/2 میکروات است و درنتیجه حاصلضرب تأخیر در توان مصرفی PDP آنکه عملکرد کلی مدار را نشان میدهد، برابر با 0/38 فمتوژول است.که نسبت به نمونه مشابه CMOS، 44% بهبود در توان و %88 بهبود در تأخیر و 93/5% بهبود در PDP را نشان میدهد.
-1 مقدمه
کوچک شدن ب سیار زیاد ابعاد ترانزی ستورهای سیلیکونی و افزایش چ گالی بار الکتریکی، با عث ظهور پد یده هایی همچون افزایش د مای ترانزیستور ها، تخل یه بار الکتریکی، تو نل زنی الکترونی و ایجاد جریانهای مخرب میشود
استفاده از سلولهای کوانتومی و ترانزی ستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی از فنّاوریهای جایگزین هستند. بررسیهای انجام شده حاکی از آن است که هریک از این دو فنّاوری ، در معیارهای مختلف، دارای رفتارها و برتریهای منحصر بهفردی هستند.
با هدف کاهش چشمگیر توان مصرفی، کاهش تأخیر، کاهش فضای اشغالی و افزایش فرکانس کاری، سلولهای کوانتومی دارای برتری هستند. درمقابل، ترانزیستورهایCNTFET ویژگیهای الکتریکی منا سبتری ن سبت به ترانزی ستورهای MOSFET معمول از خود نشان دادهاند
در حال حاضر، حساسیت پایین ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی در برابر تغییرات دمایی، قابلیت اطمینان بیشتر نسبت به سلولهای کوانتومی و امکان تولید ترانزیستورهای نانولوله کربنی با استفاده از روشهای موجود، تولید ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله را نسبت به سلولهای کوانتومی منطقیتر نشان میدهد.
ترانزیستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی بسیار شبیه ماسفتها هستند با این تفاوت که در آنها کانال سیلیکونی با نانولولههای کربنی جایگزین شده ا ست. ترانزی ستورهای مبتنی بر نانولولهها بیشتر با نانولولههای کربنی تکجداره ساخته میشوند، چون انرژی شکاف باند آنها در حد نیمههادی است.
بهبود در فرآیند ساخت مدارهای VLSI منجر به توجه مجدد طراحان به مدارهای مد جریان، برای پیادهسازی مدارهای پایه و مهمی نظیر جمعکنندهها شده است .[3] همچنین استفاده از مد جریان خاصیتهایی نظیر کاهش پیچیدگی سیمکشی مدار بهوسیله قراردادن چندین سطح منطقی در یک سیم با استفاده از پیادهسازی منطق چند ارزشی دارد
بهعلاوه، استفاده از جهت جریان برای نشان دادن علامت و استفاده از جمع جبری مقادیر تو سط ات صال سیمها، از دیگر خواص قابل ا ستفاده در مد جریان است. مدارهای پردازش شده در مد جریان بهخاطر مصرف توان کمتر، خطینگی بالاتر، تعداد عنا صر ت شکیلدهندهی کمتر، محدوده دینامیک بزرگتر و پهنای باند بیشتر نسبت به مدارهای مد ولتاژ قابلتوجه میباشند.
با تو جه به اهم یت مدار های جمعکن نده بهعنوان طب قه اساسی سازنده بسیاری از ادوات دیجیتال مانند ضربکننده درختی، همچنین ویژگیهای برجسته ترانزیستورهای نانولولههای کربنی، تاکنون مدارهای جمعکننده بسیاری بهوسی له این ترانزیستورها طراحی و پیادهسازی شدهاند تا بتوانند بهبود در یک یا برخی از پارامترهای ارزیابی مدار، نظیر سرعت، ابعاد، مصرف توان و انرژی یا حاصلضرب مصرف توان در تأخیر این مدارها ایجاد کنند.
ازاینرو در سالهای اخیر تحقیقات بسیاری درزمینهی کاربرد ترانزیستورهای CNTFET در مدارهای جمع کننده و مدارهای مد جریان انجام گرفته است
در این مقاله، چهار مدار جمعکننده مد جریان بهوسیله ترانزیستورهای CNTFET پیکربندی مجدد شدهاند و عملکرد آنها مقایسه شده است.
-2 بررسی مدارهای پیشین
در این بخش چند نمونه از مدارهای تمام جمعکننده مد جریان بررسی شدهاند. در مقاله [11] سه مدار معرفی شدهاند که از دو یا سه آ شکار ساز آ ستانه برای محا سبه خروجی ا ستفاده میکنند. این سه مدار با نامهای A، B وC در شکلهای - 1 - ، - 2 - و - 3 - مشخص شدهاند.
در مدار تمام جمع کن نده A برای ای جاد م قاو مت، از یک ترانزیستور ماسفت N کانال که در ناحیه تریود بایاس شده، استفاده شده است تا جریانهای ورودی مدار به ولتاژ تبدیل شوند و این ولتاژ به ورودی سه آشکارساز آستانه منتقل شود. این سه آشکارساز توسط زوج ترانزیستورهای M2-M3، M4-M5 و M6-M7 پیادهسازی شدهاند که بهترتیب مقدارهای 0 ، 1 و 2 را ایجاد میکنند، بسته به اینکه یک ورودی یا بیشتر، دو ورودی یا بیشتر و درنهایت سه ورودی دارای مقدار یک منطقی باشند.
جریان خروجی رقم نقلی فقط به مقدار 1 بستگی دارد، یعنی هنگامیکه دو ورودی یا بیشتر، دارای مقدار یک منطقی باشند، توسط ترانزیستور M9 مسیر جریان رقم نقلی خروجی باز می شود. اما برای جریان خروجی Sum دو حالت وجود دارد: یکی اینکه رقم نقلی خروجی وجود نداشته باشد که بهمعنی تعداد ورودیهای کمتر و یا مساوی یک است که تفاوت بین صفر و یک بودن تعداد ورودیها تو سط آ شکار ساز 0 م شخص می شود.
حالت دیگر به این صورت ا ست که رقم نقلی خروجی وجود دارد که بهمعنی تعداد ورودیهای بیشتر و یا مساوی دو است که تفاوت بین دو یا صفر بودن تعداد ورودیها توسط آشکارساز همچنین در مقاله [12] طرح جدیدی از یک تمامجمعکننده آستانه 2 مشخص میشود. درواقع، ترانزیستورهای M9، M11، مد جریان پیشنهاد شده است. در این تمامجمعکننده از تابع M12 و M13 در نقش کلید عمل کرده و بههمراه ترانزی ستورهای اکثریت بهمنظور ایجاد خروجیهای موردنظر طبق شکل - 4 - M8، M10، M14 و M15 خروجی جریان را تولید میکنند.
شکل :1 مدار تمامجمعکننده مد جریان A
عملکرد مدار B مشابه مدار تمام جمع کننده مد جریان A میباشد با این تفاوت که از ترانزیستورهای کمتری برای ایجاد جریان خروجی استفاده شده است.
شکل :2 مدار تمامجمعکننده مد جریان B
در مدار تمام جمع کننده مد جریان C از دو آشکارساز آستانه استفاده شده است و وقتی تغییر میکنند که دو ورودی یا بیشتر دارای مقدار یک منطقی باشند. جریان خروجی رقم نقلی نیز مشابه مدارهای قبلی، فقط به خروجی مدار 2 بستگی دارد. همچنین برای جریان خروجی Sum دو حالت وجود دارد: یکی اینکه رقم نقلی خروجی وجود داشته باشد که بهمعنی تعداد ورودیهای بیشتر یا مساوی دو است که تفاوت بین دو یا سه بودن تعداد ورودیها توسط آشکارساز مشخص میشود. حالت دیگر به این صورت است که رقم نقلی خروجی وجود ندارد که بهمعنی تعداد ورودیهای کمتر یا مساوی یک است، که در این حالت ورودی مستقماًی از طریق ترانزیستورهای سوئیچ به خروجی منتقل میشود.
شکل :3 مدار تمامجمعکننده مد جریان C
شکل :4 مدار تمامجمعکننده مد جریان تابع اکثریت
مدار شکل - 5 - ، شامل دو ق سمت ایجاد جریانهای خروجی Carry-Not و Sum-Not میبا شد که به ترتیب تو سط رابطه - 1 - و - 2 - محاسبه میشوند:
Carry-Not=Majority - 3 inputs - × - 1 -
Sum-Not=Majority - 3input+ - Carry-Not - - × - 2 -
Carry- Carry-Not معکوس رقم نقلی، Sum-Not معکوس جمع سه ورودی و Majority تابع اکثریت است. درنهایت، Carry-Not و Sum-Not بهصورت منبع جریان سینک در خروجی ایجاد میشوند.
شکل :5 طرح مدار تمامجمعکننده مد جریان تابع اکثریت.
-3 پیکربندی مدارهای قبلی با فناوری CNTFET و بررسی عیوب آنها
در شکلهای - 6 - تا - 9 - به ترتیب مدارهای تمامجمعکننده مد جریان A، B، C و تابع اکثریت که بهو سیلهی ترانزی ستورهای مبتنی بر نانولوله کربنی پیکربندی شدهاند، آورده شده است. مدار شکل - 6 - از 15 ترانزیستور تشکیل شده است، عیب اساسی آن جریان عبوری از ترانزی ستور M14 و M15 ا ست که در نقش یک مدار بایاس بهکار رفته اند
