بخشی از مقاله
طـراحـی مـدار Full-Adder ، 10 تـرانـزیستـوری بر پایه گیـت XOR جهت بهینه سازی توان مصرفی و شبیه سازی آن با استفـاده ازنــرم افــزار Microwind
چکیده :
جمع کننده به عنوان یکی از مهمترین اجزای پردازنده ها و مهمترین عنصر اصلی در CPU ، واحدهای لاجیک محاسباتی1 و پردازش سیگنال دیجیتال2 به شمار می روند . براین اساس بهبود طراحی مدارات جمع کننده ای ، با توان کم و کارآیی بالا ، بسیارمهم است .چراکه این امر می تواند باعث کاهش توان مصرفی ادوات الکترونیکی شود . انواع مختلفی از تمام جمع کننده ها بر اساس روش های طراحی استاتیک و دینامیک در مقالات گوناگون ارائه شده است . مدار تمام جمع کننده معمولی درتکنولوژی CMOS استاتیک ، با استفاده از 28 ترانزیستور پیاده سازی شده و همچنین با پیشرفت طراحی ، جمع کننده جدیدی به نام SERF 3 با استفاده از10 ترانزیستور پیاده سازی می شود که دارای کمترین تعداد ترانزیستور بوده و به عنوان کم مصرف ترین مدار تمام جمع کننده معرفی شده است . بسیاری از جمع کننده های کم مصرف از جمله SERF با استفاده از ترانزیستورهای عبوری پیاده سازی می شوند و علیرغم توان مصرفی کم ، دارای مشکل افت Vt می باشند . به همین دلیل از آنها به گستردگی استفاده نمی گردد و با این وجود استفاده از این مدارها در ساخت مدارات پیچیده تر مانند جمع کننده ها نیز حائز اهمیت می باشد . در این مقاله روش جدیدی برای طراحی مدار تمام جمع کننده، برپایه یک گیت XOR ارائه گردیده که توان مصرفی کم و سرعت بالای مدار، تاثیر بسزایی در بهبود عملکرد این بلوک های پایه خواهد داشت. پس از ارایه روش طراحی و جزئیات پیاده سازی، به مقایسه طرح ارائه شده با برخی از طرح های جدید موجود در این زمینه، پرداخته شده است و در نهایت Layout و نتایج طراحی مدار پیشنهادی توسط نرم افزارMicrowind شبیه سازی گردیده است.
-1 مقدمه
با گذر زمان و پیشرفت علم و تکنولوژی ، هر روزه نیاز بشر به کسب اطلاعات و سرعت پردازش و ذخیـره سازی آن ها بصورت فزاینده ای بالا می رود . گوردن مور ، معاون ارشد شرکت اینتل درسال 1965 نظریه ای ارائه داد مبنی براینکه در هر18 ماه تعداد ترانزیستورهایی که در هر تراشه به کار میرود ، 2 برابر شده و اندازه آن نیز نصف میشود . جمعکننده یک واحد پردازش اصلی است که در پردازشگر مرکزی همهی رایانهها به صورت فراوان مورد استفاده قرار میگیرد. البته جمعکننده در سایر وسایل الکترونیکی نظیر ماشین حساب و همچنین در ادوات الکترونیکی قابل حمل ، که توان مصرفی یکی از مهمترین پارامترها می باشد کاربرد بسیاری دارد.در این مقاله به معرفی تمام جمع کننده ده ترانزیستوری با مصرف توان کم و کارایی بالا بر پایه گیت XOR خواهیم پرداخت .
-2 مدارهای منطقی
بعد از آنکه در سال 1959 اولین مدار مجتمع دیجیتال پا به عرصه وجود گذاشت ، شرکتهای مختلف انواع گونانی از این سری مدارات را طراحی کرده و به بازارهای الکترونیک سرازیر کردند که در این میان بعضی از آنها مورد استقبال فراوان مهندسان الکترونیک قرار گرفت و این بود که سایر سازندگان قطعات الکترونیکی نیز دست به تولید مدارات مشابه زدند و برای انکه بتوانند تولیدات خود را به فروش برسانند از کدهایی نظیر کدهای مورد استفاده مبتکران اولیه ، استفاده کردند.کم کم مساله کپی کردن از بین رفت و از این گونه مدارات مجتمع به عنوان یک خانواده بزرگ از مدارات دیجیتال نام برده شد.به عنوان مثال می توان از شرکت Texas Instruments که مبتکر طرح مدارات مجتمع TTL می باشد نام برد که اولین محصول خود را که شامل چهار گیت NAND بود SN7400 نامید و پس از آن SN7401 ، SN7402 و ... آی سی های خود را تحت عنوان مشابه نام گذاری کردند(. ) Ewert,2009
1 - 2روش طراحی مدارات ترکیبی
مهمترین مدارات ترکیبی در جدول (1) به آن اشاره گردیده است ، برای روش طراحی مدارات ترکیبی در ابتدا از روی خصوصیات و تعریف مسئله تعداد ورودیها و خروجیها را مشخص کنید. مرحله دوم،جدول درستی را تشکیل دهید و ارتباط ورودیها و خروجیها را مشخص کنید.مرحله سوم ، با استفاده از جدول کارنو مدار را ساده کنیددر مرحله چهارم ، دیاگرام منطقی مدار را رسم کنیدو در نهایت
در قدم آخر درستی طراحی خود را تحقیق کنید.
2-2 اهداف اصلی در طراحی مدار:
از جمله مباحث بسیار مهم در طراحی مدار می توان به موارد اشاره شده در جدول((2 اشاره نمود که در هنگام طراحی بایستی مد نظر
قرار گرفته شود
در ادامه به معرفی برخی از مدارات منطقی پرکاربرد به همراه جدول کارنو و شماتیک آی سی آنها در شکل (1) اشاره شده است ( Balasubramanian, 2007 )و درنهایت آی سی مورد استفاده در مدارات جمع کننده مورد بررسی قرار خواهد گرفت ( Pedrycz ), 2006
3-2 طراحی مدار نیم جمع کننده4
یک نیم جمع کننده مداری است که دو رقم دودویی را با هم جمع می کند. علت اینکه به این مدار نیم جمع کننده گفته می شود این است که این مدار قادر به جمع سه رقم ، دو رقم اصلی با یک رقم نقلی از جمع قبلی ، نیست(. ( Ghaznavi-Ghoushchi,2002 این مدار دو خروجی دارد ، یکی مجموع5 و دیگری رقم نقلی6 مدارآن به صورت شکل (2) است.
شکل -2 مدار Half-Adder
4-2 طراحی تمام جمع کننده
در مدار تمام جمع کننده ، سه رقم نقلی را با هم جمع می کند . این مدار 2 خروجی دارد که یکی مجموع و دیگری رقم نقلی می باشد . مدارآن به صورت شکل (3) است .)Wairya ,2011)
شکل -3 مدار Full-Adder
5-2 مصرف توان در یک مدار CMOS :
عوامل مصرف توان در یک مدار CMOS با استفاده از رابطه (1) بدست می آید :
که در آن :
: Pswitching توان سویچینگ است.این توان در هنگام شارژ و دشارژ خازنها خروجی مصرف می شود.
: Pshort-circuit توان اتصال کوتاه می باشد و به علت برقراری جریان بین Vdd و زمین ، در زمان سوئیچینگ ترانزیستور مصرف می شود
: Pliakage توان استاتیک است و به علت جریانها نشتی و جریانهای استاتیک بوجود می آید.
-3 کاهش توان مصرفی در مدارات تمام جمع کننده
روشهای ارائه شده در جدول (2) جهت کاهش توان مصرفی در مدارت تمام جمع کننده پیشنهاد می گردد.
-4 مروری بر مدارات تمام جمع کننده :
تمام جمع کننده ها از نظر خروجی به دو گروه تقسیم می شوند(: ( Babu,2003
▪ گروه اول : شامل مدارات جمع کننده ای هستند که سوئنگ کامل دارند ، مانند C-CMOS ، TGA ، TFA و مدار 14 ترانزیستوری
▪ گروه دوم : مدارات تمام جمع کننده ای هستند که سوئنگ کامل ندارد مانند مدار SERF و . MBA12T
جدول کارنو مدارات تمام جمع کننده در جدول (3) ارائه گردیده است(.)Wairya ,2011
1-4 مدارتمام جمع کننده : C-CMOS
این جمع کننده مبتنی بر ساختار معمولی CMOS است ، که دارای 28 ترانزیستور می باشد شکل (4) که در شبکه بالا بر PUN ترانزیستورهای بالا بر PMOS و در شبکه پایین بر PDN ترانزیستور پایین بر NMOS قرار دارند ، و همچنین خازن ورودی گیت CMOS بزرگ است چرا که هر ورودی ، حداقل به یک PMOSو NMOS متصل می شود .مزیت اصلی این مدار آن است که در مقابل تغییرات ولتاژ و سایز ترانزیستورها قوی عمل می کند ، علاوه بر این چیدمان مدار تمام جمع کننده ی C-CMOS بسیار ساده است.
شکل-4 مدار تمام جمع کننده 28 ترانزیستوری C-CMOS
2-4 مدار تمام جمع کننده : TGA
این مدار براساس تئوری گیتهای عبور طراحی شده است. این تمام جمع کننده شامل 20 ترانزیستور می باشد .این مدارها بطور ذاتی توان مصرفی کمی دارند.ساختار این مدار بر پایه گیتهای XOR و XNOR دو ورودی بنا شده است در شکل (5) ساختار مدارتمام جمع کننده TGA ارائه گردیده است . اصلی ترین عیب این مدار این است که قابلیت درایو کمی دارند ، زمانیکه TFA و TGA بصورت سری قرار می گیرند کارایی آنها کاهش می یابد.
شکل-5 مدار تمام جمع کننده 20 ترانزیستوری TGA
3-4 مدارتمام جمع کننده : TFA
این مدار شامل 16 ترانزیستور می باشد . که توان مصرفی کمتری نسبت به TGA دارد. در شکل (6) مدار تمام جمع کننده TFAارائه گردیده است .
شکل-6 مدار تمام جمع کننده 16 ترانزیستوری TFA
