شماره ركورد
31542
پديد آورنده
صبا عيسي خاني
عنوان
طراحي و شبيه سازي مقايسهكننده ولتاژ براي كاربردهاي ولتاژ پايين
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي برق
سال تحصيل
1400
تاريخ دفاع
1403/07/14
استاد راهنما
دكتر محمدعظيم كرمي
استاد مشاور
دكتر محمدعظيم كرمي
دانشكده
مهندسي برق
چكيده
در اين رساله مدار مقايسهكننده تك طبقه مرسوم مورد تحليل و بررسي قرار گرفته و براي بهبود عملكرد آن مدارهاي مقايسهكننده پوياي دو طبقه طراحي و پيشنهاد شده است. مدارهاي مقايسهكننده پوياي مرسوم و پيشنهادي در نرم افزار cadence با فناوري CMOS 180nm و براي طرح پيشاز جانمايي و پساز جانمايي شبيهسازي ميشوند. اگر چه مقايسهكننده پوياي تك طبقه مرسوم، به دليل داشتن تعداد كم ترانزيستورها و تك طبقه بودن، ساختاري با طراحي آسان دارد، اما جريان قابل توجهي را در مرحله ارزيابي، به ويژه در ولتاژهاي حالت مشترك پايين، مصرف ميكند. علاوه بر اين، ولتاژ حالت مشترك ورودي آن محدود است كه براي بسياري از كاربردها، مانند مبدلهاي آنالوگ به ديجيتال ثابت تقريب متوالي (SARADC) مهم است.
اولين مقايسهكننده پيشنهادي مبتني بر معكوسكننده معكوس طراحي و ارائه گرديده كه تأخير و توان مصرفي را به ميزان 70% و 85% نسبت به مقايسهكننده تك طبقه مرسوم بهبود بخشيده است. ولتاژ آفست كلي مدار، كمي بيشتر از 10mV است و تغييرات آن در كل محدوده ولتاژ حالت مشترك ورودي، كمتر از 1/5 mV بوده و مساحت مصرفي طرح جانمايي مدار نيز 1080µm2 محاسبه شده است. در ادامه براي بهبود مساحت مصرفي و ولتاژ آفست، دومين مقايسهكننده پيشنهادي مبتني بر تريستور معرفي ميشود. تأخير زماني و توان مصرفي مقايسهكننده پوياي مبتني بر تريستور به ترتيب 76% و 80% نسبت به مقايسهكننده تك طبقه مرسوم بهبود يافته است. آفست كلي مقايسهكننده در محدوده حالت مشترك ريل-تا-ريل، زير 9/32 mV و تغييرات آن زير 2mV است. مساحت مصرفي طرح جانمايي آن نيز برابر 517 µm2 محاسبه ميشود. اين مدار اگر چه ولتاژ آفست و مساحت مصرفي را بهبود بخشيده، اما توان مصرفي و تغييرات آفست آن در محدوده ولتاژ حالت مشترك ورودي، مقداري افزايش يافته است. در نهايت، براي بهبود توان مصرفي و تغييرات آفست، سومين مدار مقايسهكننده پيشنهادي طراحي شد كه چالشهاي نام برده، در طراحي آن به حداقل رسيده است. روش تغذيه پويا براي جلوگيري از شارژ كامل گرههاي پيش تقويتكننده مورد استفاده قرار گرفته كه موجب كاهش توان مصرفي و تأخير زماني ميشود. در مقايسه با مدار مقايسهكننده تك طبقهاي مرسوم، تغذيه پويا، تأخير زماني و توان مصرفي را به ميزان 80% و 86% بهبود ميبخشد. ولتاژ آفست كلي مدار پيشنهادي نيز در محدوده وسيعي از ولتاژ حالت مشترك ورودي زير 10mV و تغييرات آن نيز كمتر از 1mV است. مساحت مصرفي مقايسهكننده مبتني بر تغذيه پويا µm2 741 محاسبه شده است.
تاريخ ورود اطلاعات
1403/08/26
عنوان به انگليسي
Design and simulation of a voltage comparator for low-supply-voltage applications
تاريخ بهره برداري
10/5/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
صبا عيسي خاني
چكيده به لاتين
In this thesis, the conventional single-stage comparator circuit has been analyzed, and dynamic two-stage comparator circuits have been designed and proposed to improve its performance. The conventional and proposed dynamic comparator circuits are implemented in Cadence software using 180nm CMOS technology for both pre-layout and post-layout designs. Although the conventional single-stage dynamic comparator has a simple design structure, it consumes a significant amount of current during the evaluation phase, particularly at low common-mode voltages. Furthermore, its input common-mode voltage range is limited, which is crucial for many applications, such as Successive Approximation Register Analog-to-Digital Converters (SAR ADCs).
The first proposed comparator, designed with an inverter-based pre-amplifier, improves delay and power consumption by more than 80% compared to the conventional single-stage comparator. The overall offset voltage of the circuit is slightly more than 10mV, and its variation across the entire input common-mode voltage range is less than 1.5mV. The layout area consumption is calculated to be 1080µm².
Next, to improve area consumption and offset voltage, the second proposed comparator, based on a thyristor, is introduced. The delay and power consumption of the thyristor-based dynamic comparator have been improved by 85% and 76%, respectively, compared to the conventional single-stage comparator. The overall offset of the comparator in the rail-to-rail common-mode range is below 9.32mV, with variations less than 2mV. Its layout area consumption is 517µm². While this circuit improves offset voltage and area consumption, its power consumption and offset variation in the input common-mode voltage range have increased slightly.
Finally, to improve power consumption and offset variation, the third comparator circuit has been designed, minimizing the aforementioned challenges. A dynamic biasing method has been used to prevent full charging of the pre-amplifier nodes, resulting in reduced power consumption and delay. Compared to the conventional single-stage comparator, dynamic biasing improves delay and power consumption by 86% and 80%, respectively. The overall offset voltage of the proposed circuit is below 10mV in a wide range of input common-mode voltages, with variations of less than 1mV.
كليدواژه هاي فارسي
مقايسهكننده ولتاژ , ولتاژ پايين , اينترنت اشيا , مبدلهاي تقريب متوالي (SAR).
كليدواژه هاي لاتين
Voltage comparator , Low-Voltage, , Internet of thing (IOT) , Successive Approximation Register Analog to Digital Converters
Author
Sabs Iesakhani
SuperVisor
Dr. Mohammad Azim Karami