طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا

طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا

چکیده

در این مقاله، یک ضرب کننده جدید آنالوگ چهار ربعی مود جریان ارائه می شود. مدارهای مجذور کننده جریان جدیداً طراحی شده همراه با یک آینه جریان که همگی با ظرفیت ولتاژ اندک (۲V) عمل می نمایند به عنوان سنگ بنای معادلات ریاضیاتی در این عرصه ارائه می شوند. مدار ضرب کننده با استفاده از فناوری CMOS استاندارد ۳۵/۰ میکرومتری طراحی شده است و به منظور مشخص سازی عملکرد این مدار، ضرب کننده پیشنهادی با استفاده از شبیه ساز HSPICE شبیه سازی شده است. نتایج این شبیه سازی نشان دهنده خطای خطیت ۱۷/۰ درصد، یک THD 16/0 درصد ۱ مگاهرتز، پهنای باند  -۳dB 485 مگاهرتزی و میزان مصرف توان حداکثری ۲۳۲/۰ mW  همراه با میزان مصرف توان استاتیک برابر با ۱۱۱/۰ mW می باشند.

کلمات کلیدی: ضرب کننده آنالوگ COMS، چهار ربعی، مدار مجذور کننده، مود جریان

طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا

۱- مقدمه

ضرب کننده آنالوگ به عنوان یک زیر ساختار مهم برای بسیاری از کاربردها، نظیر فیلترهای تطبیقی، دوبلرهای فرکانس، مدولاتورها، شبکه های عصبی، کنترلرهای منطق فازی و غیره، به شمار می آید. به واسطه معروفیت فناوری CMOS، ترانزیستورهای OMS به عنوان اولین انتخاب برای ساخت این ابزاره به شمار می آید. بنابراین، بسیاری از ضرب کننده های آنالوگ COMS که از توان ترانزیستورهای OMS استفاده می نمایند در این مبحث ارائه شده اند. در بین روش های مختلف موجود برای پیاده سازی یک ضرب کننده آنالوگ مود جریان زمان پیوسته، آن دسته از ضرب کننده هایی که قابلیت کار با ترانزیستورها در نواحی اشباع یا خطی را دارند، در مقایسه با ضرب کننده های با قابلیت کار در ناحیه زیر آستانه ای [۷ ـ ۱۰]، بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. با وجود آنکه در روش اولی میزان مصرف برق بیشتر است، ویژگی های دیگر نظیر محدوده دینامیکی جریان های ورودی و خروجی، فرکانس کار و خطیت قابلیت های بسیار بهتری را در مقایسه با مورد ثانوی در اختیار می گذارند. به علاوه، کلاس سلول های مود ـ جریان به عنوان یک رویکرد دیگر در ارتباط با پیاده سازی ضرب کننده تلقی می شود [۱۱ ، ۱۲] که در آن پارامترهای ترارسانایی ترانزیستورهای PMOS و NMOS می بایست به صورت یکسان در نظر گرفته شوند. در غیر این صورت، جریان خروجی به صورت درست ضرب نگردیده و در نتیجه ممکن است به واسطه مشکل اعوجاج هارمونیک کلی شاهد بروز نارسایی های جدی باشیم. از طرف دیگر، داشتن پارامترهای ترارسانایی یکسان بسیار مشکل می باشد، چرا که مقدار آن کاملاً منوط به فرآیند ساخت می باشد و ممکن است از یک قطعه به یک قطعه دیگر متغیر باشد [۳]. با استفاده از ترانزیستورهای اشباع شده، ما قابلیت استفاده از مشخصه های قانون ـ مربع ذاتی ترانزیستورهای MOS در ناحیه اشباع را خواهیم داشت، که برای ساخت مربع مود ـ جریان و مدارهای ریشه دوم مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین، ضرب کننده ها می توانند از مزیت این نوع از مدارات ریشه دوم [۵، ۶، ۱۳ ـ ۱۵] یا مدارات مجذور کننده [۴، ۱۶ ـ ۱۸] در ساخته های خود استفاده نمایند.

در این مقاله، مدارات مجذورکننده مورد استفاده قرار گرفته اند. از آنجایی که مدارات مجذورگر جاری به عنوان هسته مرکزی مدار ضرب کننده به شمار می آید، چنین موردی را می توان به عنوان جزء اصلی در زمینه تعیین سطح کاربردپذیری ضرب کننده در نظر گرفت. بنابراین، ما در اینجا یک مدار ضرب کننده آنالوگ مود ـ جریان چهار ربعی با سرعت و دقت بالا را بر مبنای یک مدار مجذورکننده جریان طراحی شده جدید مدنظر قرار می دهیم. این مدار قابلیت کار تحت ولتاژ ورودی VDD = 2 V را خواهد داشت. مدار مجذور کننده بر مبنای مشخصه های قانون ـ مربع یک ترانزیستور MOS که تحت ناحیه اشباع عمل می نماید طراحی شده است. این ضرب کننده پیشنهادی متشکل از چهار سلول مجذور و یک آینه جریان می باشد بنابراین این سیستم دارای یک ساختار متقارن است و سبب ایجاد اعوجاج هارمونیک اندکی می شود. شبیه سازی ها با استفاده از شبیه ساز HSPICE انجام شده و نتایج آن مؤکد این موضوع می باشند که ویژگی هایی نظیر خطیت بالا، سرعت بالا، پهنای باند مناسب و میزان اتلاف اندک توان به عنوان مزیت های اصلی حاصله در زمینه ضرب کننده پیشنهادی مشخص شده اند.

طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا

۲- توصیف مدار

۲ـ۱٫ مدار مجذورکننده مود ـ جریان

مدارهای مجذورگر به طور گسترده ای در سیستم های ارتباطاتی و برآوردهایی نظیر دوبلرهای فرکانس، تشخیص گرهای دامنه پیک و ضرب کننده های آنالوگ مورد استفاده قرار می گیرند. مدارهای مجذور را می توان به سه گروه در تناسب با نوع سیگنال های ورودی تقسیم نمود: مود ولتاژ [۱۹، ۲۰]، مود ـ جریان [۳، ۴، ۱۶، ۲۱ ـ ۲۳] و سیگنال های ترکیبی [۲۴]. یکی از کارآمدترین روش ها در کاهش اتلاف توان تقلیل سطح ولتاژ ورودی می باشد، اما طراحی در این موقعیت مشکل تر خواهد بود. کاهش سطح ولتاژ به معنای محدود سازی نوسان (محدوده) خروجی می باشد که خود منجر به یک ورودی محدود خواهد شد. بنابراین، مجذورکننده مرتبط را می بایست به گونه ای بکار گرفت تا قابلیت عمل مناسب تحت سطح ولتاژ مشخص شده را داشته باشد. به واسطه کار تحت مود ـ جریان، ما در ابتدا اقدام به بررسی برخی از مدارات مجذورکننده می نماییم که در تحقیقات قبلی ارائه شده اند. علیرغم کار در ولتاژ سطح پایین (±۰٫۷ V و ۰٫۹ V) [21، ۲۳] کار در ناحیه زیر آستانه و داشتن یک ورودی محدود و محدوده های خروجی مشخص [۳، ۴، ۱۶] قابل توجه در نظر گرفته شده و محدوده های مکفی از ورودی ها و خروجی ها را در اختیار ما قرار می دهند، اما در عین حال ولتاژهای حاصله به ترتیب ۵V، ۳/۳V و ±۱٫۵ V می باشند. مرجع [۲۲] با آنکه مشکلی در ارتباط با محدوده های ورودی و خروجی اندک در زمینه سطح ولتاژ ندارد، اما در عین حال این مؤلفه صرفاً متشکل از ده ترانزیستور می باشد که منجر به ایجاد یک سطح مقطع یا مساحت بزرگتر شده و می تواند سبب محدودسازی پهنای باند در صورت بکارگیری در ساختار ضرب کننده گردد. شکل ۱ نشان دهنده مدار مجذور کننده جریان پیشنهادی است که در آن از توان VDD = 2 V استفاده شده است. این مدار متشکل از دو ترانزیستور می باشد که هر دوی آنها در ناحیه اشباع قرار دارند.

۲ـ۲٫ مدار ضرب کننده

جهت پیاده سازی ضرب کننده پیشنهادی، چهار سلول مجذور کننده با توجه به ساختار مرتبط با آن مورد نیاز می باشند. بر مبنای معادله (۶)، در صورتی که I_X + I_Y،-(I_X + I_Y) ، I_X −I_Y و –(I_X − I_Y) به عنوان جریان های ورودی در نظر گرفته شوند، جریان های خروجی این مدارات به شرح ذیل خواهند بود:

۲ـ۳٫ آنالیز عملکرد ضرب کننده

در این بخش، اثرات مکانیسم های مختلف که ممکن است به واسطه گوناگونی های فرآیند بر عملکرد ضرب کننده پیشنهادی به وجود آیند مورد بررسی قرار می گیرند.

۲ـ۳ـ۱٫ عدم انطباق جریان ورودی

در نظر گرفته شود که هر دوی جریان های ورودی (I_x و I_Y) متفاوت از مقدار مطلوب ایده آل تلقی شده و به شرح ذیل تعریف گردند:

۲ـ۳ـ۲٫ عدم تطبیق ولتاژ آستانه

بر مبنای معادله (۵)، V_E به عنوان یک تابع V_th در نظر گرفته می شود. بنابراین، گوناگونی ولتاژ آستانه ای سبب مقدار V_E می گردد. V_E به عنوان پارامتر مشترک برای سلول های مجذور کننده به حساب می آید که در مدار ضرب کننده بکار گرفته شده اند. در نتیجه، از طریق ساختار متقارن ضرب کننده پیشنهادی V_E در معادله (۱۱) حذف گردیده و در جریان خروجی ارائه نمی شود. به علاوه، گوناگونی ولتاژ آستانه سبب تغییر مقدار اولیه گره (B) (یعنی V₀) همانگونه که در معادله (۴) نشان داده شده است خواهد شد. بنابراین، جهت حفظ دقت جریان خروجی در یک سطح قابل پذیرش، مقدار V₀ می بایست در حد مقدار اولیه آن از طریق تعدیل مقدار جریان های بایاس (Ibias) حفظ شود به گونه ای که از طریق افزایش ولتاژ آستانه ای، جریان بایاس قابلیت کاهش را داشته باشد و عکس این موضوع نیز در حقیقت صحت خواهد داشت.

۲ـ۳ـ۳٫ عدم انطباق پارامتر ترارسانایی

در این مورد ایده آل، M2، M3، M6 و M7 دارای ابعاد یکسان به شمار آمده و به صورت منطبق می باشند. اما هم اکنون، با فرض آنکه ترارسانایی برای M2 و M7 برابر با M2 می باشد و همچنین برای M3 و M6 نیز برابر با M1 در نظر گرفته می شود می توان مشخص ساخت که:

طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا

۳- نتایج شبیه سازی

در این بخش، جهت ارزیابی کارکرد مناسب ضرب کننده پیشنهادی انواع مختلف شبیه سازی ها اعمال می شوند. نتایج شبیه سازی با استفاده از HSPICE و با در نظرگیری پارامترهای CMOS 35/0 میکرومتری با میزان ولتاژ ورودی ۲ ولت ارائه شده است. در سلول مجذورکننده R و Ibias برابر با ۱۲ kW و ۶/۴ mA تلقی شده و در عین حال RL نیز برابر با ۱ kW مشخص شده است. ضرایب نسبت ترانزیستورها در جدول ۱ نشان داده شده اند. شکل ۳ نیز نشان دهنده مشخصه انتقال DC شبیه سازی شده این ضرب کننده به هنگام جاروب متوالی I_X از ۱۰- mA به ۱۰ mA و I_Y با توجه به مراحل از ۱۰- mA تا ۱۰ mA با اندازه مرحله ۲ mA می باشد. شکل ۴ نشان دهنده خطای خطیت در داخل محدوده ورودی±۱۰ mA (I_X) به هنگامI_y = ±۱۰ mA می باشد و مشخص کننده آن است که خطای خطیت کمتر از ۱۷/۰ درصد جریان تمام مقیاس (۲۰ mA) می باشد.

جهت بررسی کارایی توان مدار پیشنهادی، جریان های درین از VDD در شکل ۵ نشان داده شده اند. بر مبنای شکل ۵، اتلاف حداکثری توان برابر با ۲۳۲ mW تلقی شده آن هم به هنگامی که I_X و I_Y برابر با ۱۰ mA (جریان درین = ۱۱۶ mA) می باشند. با این وجود، میزان مصرف توان ساکن برابر با ۱۱۱ mW می باشد آن هم به هنگامی که I_X و I_Y برابر با صفر تلقی می شوند (جریان درین = ۵/۵۵ mA). مشخصه فرکانس این ضرب کننده به هنگامی که I_Y به ۱۰ mA DC تنظیم شود و I_X نیز برابر با سیگنال متغیر ـ AC با میزان ۱۰ mA در نظر گرفته شود در شکل ۱۰ مشخص گردیده که خود معرف یک پهنای باند MHz 485 مگاهرتزی می باشد. شکل ۷ نشان دهنده کاربرد این ضرب کننده به عنوان یک مدولاتور دامنه آنالوگ می باشد که در آن I_X سیگنال مدولاسیون سینوسی با بزرگی برابر با ±۱۰ mA و فرکانس (Fx = 100 kHz) در نظر گرفته شده و در عین حال I_Y نیز به عنوان حامل سینوسی با بزرگی برابر با ±۱۰ mA و فرکانس (Fy = 2 MHz) مشخص شده است. شکل ۸ نشان دهنده کاربرد این ضرب کننده به عنوان دوبلر فرکانس می باشد که در آن هر دو مورد I_X و I_Y به عنوان سیگنال های سینوسی با بزرگی برابر با ±۱۰ mA و فرکانس (F = 1 MHz) تلقی می شوند.

به منظور بررسی خطای خطیت در یک شرایط گذرا و جهت انجام مقایسه مشخص شده با توجه به مراجع [۴، ۱۷]، یک شبیه سازی دیگر که در آن جریان ورودی مشابه با جریان های استفاده شده در مرجع [۴، ۱۷] می باشد اعمال گردیده است. نتیجه این شبیه سازی در شکل ۹ نشان داده شده است که مشخص کننده یک خطای خطیت ۲۴/۰ درصد می باشد که خود کوچکتر از تحقیقات انجام شده می باشد. شکل ۱۰ نشان دهنده پاسخ پالس این ضرب کننده است که در آن I_Y به ۱۰ mA تنظیم شده و I_X نیز یک پالس با بزرگی برابر با ±۱۰ mA و فرکانس (Fx = 5 MHz) می باشد. در تناسب با گوناگونی I_X ، زمان های تنظیم برابر با ۶۵/۲ نانوثانیه و ۴۵/۲ نانوثانیه برای لبه های دارای فراز و فرود به ترتیب مشخص شده است. شکل ۱۱ نشان دهنده طیف جریان خروجی می باشد آن هم به هنگامی که I_Y به ۱۰ mA تثبیت شده و I_X نیز به عنوان یک ویژگی سینوسی ۱ مگاهرتز با دامنه پیک به پیک ±۱۰ mA در نظر گرفته شده باشد که خود معرف آن است که اجزای هارمونیک دیگر در حدود ۶۰ dB زیر جزء اصلی قرار می گیرند. آنالیز مونت کارلو نیز جهت مدل سازی عدم تطابق های تصادفی بین اجزای مختلف به واسطه گوناگونی های فرآیند در نظر گرفته شده است.

طراحی COMS یک ضرب کننده آنالوگ چهار ربعی کم توان با دقت بالا

۴- نتیجه گیری

یک ضرب کننده چهار ربعی مود ـ جریان بر مبنای یک مدار مجذورکننده طراحی شده جدید پیشنهاد شده است. نتایج شبیه سازی معرف این موضوع می باشد که پیکربندی متقارن مدار پیشنهادی به ما اجازه حاصل آوردن یک حالت خطیت بالا را خواهد داد. مزیت های دیگر مدار پیشنهادی بر حسب نتایج شبیه سازی مختلف تصدیق شده اند. چیدمان این مدار که در شکل ۱۴ نشان داده شده است به وسیله نرم افزار Cadence Virtuoso حاصل آمده و مشخص کننده این موضوع می باشد که مساحت اشغال شده در حدود ۵۹۴ mm² است.