• شماره ركورد
    26965
  • پديد آورنده

    محمد مرادي نژاد مريان

  • عنوان
    كاهش جريانهاي نشتي به كمك روش‌هاي مداري در فناوري‌هاي زير 100 نانومتر CMOS در راستاي بهبود حاصلضرب تعداد عمليات-سرعت در مدارهاي آنالوگ حالت جريان و توان-تاخير در مدارهاي ديجيتال
  • مقطع تحصيلي
    دكتري تخصصي
  • رشته تحصيلي
    مهندسي برق-الكترونيك
  • تاريخ دفاع
    1401/02/20
  • استاد راهنما
    دكتر سيد جواد ازهري
  • دانشكده
    مهندسي برق
  • چكيده
    امروزه مي¬دانيم كه افزاره¬هاي الكترونيكي قابل¬حمل و سيستم¬هايي كه نياز به تغذيه باتري دارند از نظر طول عمر و اندازه داراي محدوديت¬هاي سنگين هستند، بنابراين اندازه، وزن و از همه مهمتر مصرف توان از جمله معيارهاي اساسي عملكرد اين سامانه¬ها هستند. در اين ميان كاهش ابعاد ترانزيستورها شرايط تازه¬اي را به وجود مي¬آورد كه بعضي از آنها خواستني و برخي ديگر زيانبار هستند. بخش خواستني اين پديده افزايش گستره فركانسي (سرعت) و افزايش چگالي تراشه (قدرت پردازش) مي¬باشد. اما يكي از بخش¬هاي ناخوشايند اين رخداد افزايش قابل توجه جريان¬هاي نشتي ترانزيستور مي¬باشد كه داراي آثارمختلف بر روي مدارهاي ديجيتال و آنالوگ مي¬باشد. در اين رساله دو روش¬ مداري براي كاهش جريان¬هاي نشتي مدار¬هاي VLSI ديجيتال در فناوري 22-نانومتر استاندارد CMOS ارائه شده است. ابتدا عوامل موثر در كاهش جريان¬هاي نشتي (به ويژه جريان نشتي زيرآستانه و تونل¬زني اكسيد گيت) بررسي و بر اساس آن روش¬هاي پيشنهادي ارائه شده¬اند. روش اول با نام ترانزيستور مهاركننده نشتي كنترل¬شده با سيگنال¬هاي ورودي (ICLRT)، بر اساس اين پايه نهاده¬شده كه جريان نشتي يك مدار از تغذيه تا زمين با وجود دو ترانزيستور خاموش در مسير بسيار كمتر از حالتي است كه فقط يك ترانزيستور خاموش در مسير وجود داشته باشد. روش پيشنهادي ICLRT به گيت¬هاي منطقي ايستا CMOS مثل NOT, NAND, NOR و XOR اعمال و مدارهاي حاصل شبيه¬سازي شده¬اند كه در مقايسه با روش مرسوم به ترتيب بهبود %32.62، %47، %49.23 و 38.77% را در حاصلضرب توان-تاخير (PDP) نشان مي¬دهد. همچنين روش ICLRT روي 5 مدار تمام جمع¬كننده¬هاي 1-بيتي نيز اعمال شد كه نتايج شبيه¬سازي بهبود بسيار خوب در مصرف توان و PDP را نشان مي-دهد. به عنوان كاربرد ديگر، اين روش روي 4 مدار كمپرسور CMOS نيز پياده¬سازي شد كه نتايج شبيه سازي بهبود قابل توجه در مصرف توان و PDP را نشان مي¬دهد. روش دوم با نام بلوك خنثي¬كننده نشتي خود-كنترل (SCLSB) بر پايه شبيه به روش اول پيشنهاد شده است. روش پيشنهادي SCLSB به گيت¬هاي منطقي ايستا CMOS مثل NOT, NAND, NOR و XOR اعمال و مدارهاي حاصل شبيه¬سازي شده است كه در مقايسه با روش مرسوم به ترتيب بهبود %21.5، %35، %9 و 33.8% را در PDP نشان مي¬دهد. در بخش ديگري از رساله، يك سلول با دو بدنه و نشتي كم (LLDB-M) در پاسخ به نياز طراحي مدارهاي مجتمع آنالوگ حالت-جريان در فناوري¬هاي زيرميكرون عميق، پيشنهاد شده است. سلول پيشنهادي LLDB-M با بكارگيري روش¬هاي مداري به منظور كاهش ولتاژ گيت-سورس و افزايش ولتاژ آستانه، داراي جريان نشتي بسيار اندكي است. به اين ترتيب مي-توان سلول¬هاي جديد پيشنهادي را جايگزين ترانزيستورهاي ساده با نشتي زياد در حلقه¬هاي تراخطي كرد. به منظور اثبات كارايي روش پيشنهادي، تعدادي مدارهاي آنالوگ حالت-جريان همچون آينه جريان، ضرب¬كننده/مقسم، مبدل RMS به DC و فيلتر پايين¬گذر بر اساس LLDB-M طراحي و شبيه¬سازي شدند. نتايج شبيه¬سازي در فناوري 22-نانومتر و شبيه¬سازي پساجانمايي در فناوري 65-نانومتر استاندارد CMOS نشان مي¬دهند كه مدارهاي آنالوگ پياده-سازي شده بر اساس روش پيشنهادي LLDB-M داراي خطاي كمتر از 4% نسبت به حالت ايده-آل هستند كه يك بهبود قابل ملاحظه نسبت به حالت عادي را نشان مي¬دهد. در گام بعدي يك بلوك آنالوگ قابل¬پيكربندي (CAB) جديد براساس LLDB-M طراحي شد كه حلقه¬هاي تراخطي دوگان، هسته اصلي آن هستند. ساختار CAB پيشنهادي از يك سلول بر اساس حلقه¬هاي تراخطي دوگان با نشتي كم، سوئيچ¬هاي محلي و آرايه¬هاي NMOS و PMOS از آينه¬هاي جريان تشكيل شده است. در ادامه به منظور اعتبارسنجي CAB پيشنهادي، تعدادي تابع محاسباتي از جمله مجذورساز دوربعي، ضرب¬كننده/مقسم چهارربعي، يكسوساز تمام موج، جمع برداري و مبدل RMS به DC پياده¬سازي شدند. شبيه¬سازي¬هاي پساجانمايي به كمك نرم¬افزار Cadence در فناوري 65-نانومتر استاندارد CMOS نشان مي¬دهند كه مدارهاي محاسباتي آنالوگ بر اساس CAB پيشنهادي با موفقيت پياده¬سازي شده¬اند، به گونه¬اي كه مقدار مصرف بيشترين توان 700نانووات، خطاي خطينگي 2.8% و پهناي باند 90.3مگاهرتز براي ضرب¬كننده چهارربعي بدست آمده است.
  • تاريخ ورود اطلاعات
    1401/06/22
  • عنوان به انگليسي
    Leakage Currents Reduction with Circuit-Level Techniques for Optimization of Operation-Speed Product of Current-Mode Analog Integrated Circuits and Power-Delay Product of Digital VLSI Circuits in Deep-Submicron CMOS Technologies
  • تاريخ بهره برداري
    9/11/2023 12:00:00 AM
  • دانشجوي وارد كننده اطلاعات

    محمد مرادي نژاد مريان

  • چكيده به لاتين
    The sharp increase in the leakage part of the total power of the VLSI circuits is a significant concern in the deep sub-micron CMOS process. A novel input controlled leakage restrainer transistor (ICLRT) technique is proposed in this thesis to reduce leakage power as well as the short circuit power. The main idea is to place a PMOS and an NMOS ICLRT on top of the pull-up network (PUN) and at the bottom of the pull-down network (PDN), respectively on all paths from either the supply voltage or the ground to the output. The ICLRTs are deliberately used as a stack structure while being controlled by the input signals to lead the output to stronger low and high logic levels. In fact, the proposed technique reduces the leakage and short circuit currents and, consequently, powers by increasing the threshold voltage and decreasing the gate-source voltage of the main transistors. Using the proposed technique, logical NOT, NAND, NOR, XOR, and XNOR static gates are designed and eva‎luated by SPICE simulations in 22-nm BSIM4 (level-54 parameters) CMOS technology. Simulation results with 0.9-V power supply voltage show that power-delay product (PDP) is reduced by 27.66%, 16.7%, and 21.58% for NOT, NOR, and XOR with respect to its best counterpart and by 32.62%, 47%, 49.23%, and 38.77% for NOT, NAND, NOR, and XOR with respect to the conventional static-CMOS structures. The full adders are vital parts in various VLSI circuits/systems, especially in circuits used for fulfilling arithmetic operations. Those are often placed in the critical paths for multiplication and division, so influence the throughout the efficiency of the system. To test the proposed technique, ICLRTs added to five best 1-bit hybrid full-adders in the deep sub-micron process to fit the needs of the day. eva‎luation outcomes with 1-V power supply verified that the power dissipation and power-delay product (PDP) of the hybrid full-adders based on ICLRT technique relative to corresponding original designs are reduced 65.67-95.7% and 35.85-87.37%, respectively. Also, ICLRTs are applied to four 4-2 CMOS compressors. Simulation results with 0.9-V power supply revealed that the power consumption of the 4-2 CMOS compressors based on ICLRT technique is reduced 59.62-74.28% and also power-delay product (PDP) is diminished 32-46.78% relative to corresponding original designs. A self-control leakage-suppression block (SCLSB) for leakage power reduction of static CMOS gates is proposed in this thesis too. The proposed SCLSB consists of two PMOS and two NMOS transistors that are located between pull-down network (PDN) and pull-up network (PUN). In any combination of input signals, one PMOS and one NMOS transistor of SCLSB turn on and the rest turn off, hence the resistance between the power supply voltage rail to the ground rail increased and leakage currents greatly reduced. The basic static CMOS gates such as inverter, NAND, NOR, and XOR circuits are designed based on SCLSB. eva‎luation outcomes with VDD=0.9 V depict that power-delay product (PDP) is diminished by 9%, 12.8%, 6%, and 15.25% for inverter, NAND, NOR, and XOR compared to the best counterpart (LECTOR) and by 9%, 35%, 21.5% and 33.8% compared to the conventional CMOS gates. Since the leakage currents are dramatically increasing while the MOS transistors scale down to deep-submicron processes, the I-V characteristic of the channel is varied unintentionally. As a result, the analog integrated circuit (IC) designs based on it (at above 100-nm technologies) will malfunction. In this thesis, a novel low-leakage double-body MOSFET (LLDB-M), as a circuit-level scheme in answering to need for the current-mode analog IC design in deep-submicron processes, is proposed. In this technique, the sub-threshold and gate-oxide tunneling leakage currents (as two major parts) are reduced via lowering the gate-source voltage and increasing the threshold voltage of the MOS transistor. An LLDB-M consists of two typical transistors that the first one is the main transistor and the latter implements the shift-voltage to reduce the gate-source voltage and floor of the channel leakage currents. The drain, gate, and body of the main transistor as well as the body and source of the second one, organize the terminals of an LLDB-M. The proposed LLDB-M transistors are replaced with large-leakage transistors in a translinear loop in the weak inversion region and then the commonly-used circuits such-as the current mirror, one-quadrant multiplier-divider (at both up-down and stack topologies), the true RMS-DC converter, and the log-domain low-pass-filter are designed. The effectiveness and performance of the proposed LLDB-M technique and circuits are eva‎luated using HSPICE software in 22-nm BSIM4 CMOS process and Cadence Virtuoso tool in 65-nm TSMC CMOS technology. Post-layout simulation results show that the proposed circuit-level method by considerably reducing leakage currents could ensure the effective function of the current-mode analog IC designs in deep-submicron technologies. Although the field-programmable analog arrays (FPAAs) are faster, smaller, and lower consumed power with respect to digital counterparts, but their processing power and applications are bounded because existence few of configurable analog blocks (CABs) in each FPAA. Moving towards the analog integrated circuit (IC) design in deep-submicron technologies and increasing CABs numbers in each FPAA is a promising solution for relieving this shortage. Nevertheless, scaling down to nanometer CMOS technologies has severe short-channel effects for analog IC designers such as alteration of I-V characteristics of MOS transistors. A novel current-mode multifunction CAB is designed using LLDB-Ms that including a new low-leakage dual-translinear cell (LLDTC), PMOS/NMOS arrays and local switches. Three NMOS LLDB-Ms and three PMOS LLDB-Ms as well as eight current branches are building elements of a proposed LLDTC that are operating in weak inversion region. The proposed CAB based on the how insert the input current signals by branches is capable to implement the such various current-mode computational functions as two-quadrant squarer, four-quadrant multiplier/divider, vector-summation and true RMS to DC converter. Post-layout simulation results illustrate that the proposed circuit-level method by considerably reducing leakage currents could accurately realize the computational functions in deep-submicron technologies. Hence, a large number of these CABs together lead to an FPAA with high processing power and applications.
  • كليدواژه هاي فارسي
    جريانهاي نشتي , فناوري هاي زيرميكرومتر عميق CMOS , حاصلضرب توان-تاخير (PDP) , حالت-جريان , مدارهاي تراخطي , بلوك آنالوگ قابل پيكربندي (CAB)
  • كليدواژه هاي لاتين
    Leakage Current , Power-Delay Product , Current-Mode , Translinear Circuits
  • Author
    Mohammad Moradinezhad Maryan
  • SuperVisor
    Seyed Javad Azhari