تحليل أداء مرايا التيار باستخدام تقنية الأنابيب النانوية الكربونية

اسم الباحث:المهندس الياس عوض

اسم المشرف:أ.د عبد الله غندور

العنوان:تحليل أداء مرايا التيار باستخدام تقنية الأنابيب النانوية الكربونية

العنوان باللغة الإنكليزية:Analyze the performance of current mirrors using carbon nanotube Technology

العام:2024

القسم:هندسة الإلكترونيات والاتصالات

الملخص:

تعد مرايا التيار CM اللبنات الأساسية في الدارات المتكاملة وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الانحياز، والحمل الفعال وفي المبدلات، ومن ثم فإن تصميمها الفعال يحسن الأداء العام للنظام. بارامترات مرايا التيار الأكثر أهمية هي دقة نسبة الخرج إلى الدخل، وممانعة الخرج، وعرض المجال الترددي، والخطأ النسبي المئوي لتيار الخرج، والحساسية للتغيرات في مقاومة الحمل. إن الغاية من تحسين الأداء لمرايا التيار هو بغية الوصول لتقليص الحجم والاتجاه في تصميم دارات VLSI بهدف تقليل الجهد، ومن ثم إنقاص تبديد القدرة. وهناك طلب كبير على تصميمات الدارات منخفضة القدرة ومنخفضة الجهد، لذلك من الضروري تطوير بعض التصاميم الجديدة لمرايا التيار.

يقدم البحث طريقة لدراسة أداء مرايا التيار الأساسية SCM المكونة من ترانزستورات CNTFET وتحليلها، وذلك باستخدام لغة البرمجة Verilog A في تصميم ترانزستور CNTFET وفقا لنموذج جامعة Stanford، والانطلاق من هذا النموذج في تصميم مرآة التيار الأساسية باستخدام البرنامج Advanced Design System 2022، بحيث تم دراسة أربع تقنيات لمرآة التيار الأساسية CNTFET32nm, CNTFEET22nm, CNTFET16nm, CNTFET10nm، وتم دراسة تأثير كل من chirality(n,m) للأنبوب النانوي، وعدد الأنابيب النانوية، والتيار المرجعي، وجهود التغذية على بارامترات مرايا التيار من حيث معامل تضخيم التيار، والخطأ النسبي المئوي للتيار، وعلاقة تيار الخرج بالدخل، ومقاومة الخرج المستمرة، كما قدم هذا البحث دراسة ومحاكاة لمميزات الفولت-أمبير لترانزستورات CNTFET باستخدام أداة المحاكاة FETToy، ومحاكاة لكثافة الحالات Density Of States للأنبوب النانوي باستخدام أداة المحاكاة CNTbands 2.2.

كما يقدم البحث تصميم ستة مرايا تيار وتحليل أدائها، وهي طوبولوجيا مرايا التيار CMT (مرآة التيار الأساسية SCM، مرآة التيار الكاسكودية CCM، مرآة التيار الكاسكودية الثلاثية TCCM)، ومرآة التيار ويلسون ثلاثية الترانزستورات، ومرآة التيار ويلسون المطوّرة رباعية الترانزستورات، ومرآة التيار رباعية الترانزستورات.

تم تصميم هذه المرايا الستة باستخدام خمس تقنيات مختلفة، التقنية الأولى باستخدام ترانزستورات الأثر الحقلي المصمّمة باستخدام تقنية أنابيب الكربون النانوية CNTFET، وذلك وفقاً لنموذج جامعة Stanford المطوّر. التقنيات الأربعة باستخدام ترانزستورات FET ذات بوابة معدنية عالية الأداء ومنخفضة الطاقة وفق نموذج Predictive Technology Model (PTM)، المقترح ضمن قسم الدارات التكاملية والنمذجة النانوية NIMO في جامعة Arizona، والذي يدعم أربع تقنياتNMOS45nm, NMOS32nm ,NMOS22nm NMOS16nm، وتم إجراء النمذجة والمحاكاة باستخدام برنامج Cadence VMware Workstation 2022 ، وتم دراسة بارامترات مرايا التيار المصمّمة من حيث التحليل المستمر لمعامل تضخيم التيار، خطأ التيار المئوي، علاقة تيار الخرج بالدخل، إضافة إلى التحليل المتناوب لمقاومة الخرج، وعرض المجال الترددي لكل من التقنيات السابقة.

توصلنا من النتائج أنه في تقنية PTM، يكون الخطأ النسبي المئوي error كبيراً في مرآة التيار SCM، وينخفض عند استخدام CCM، وينخفض أكثر عند استخدام TCCM حتى يصل إلى القيمة 1.958E-3 % في تقنية 45nm، مقاومة الخرج Rout تكون منخفضة في SCM وتزداد في CCM وتزداد أكثر باستخدام TCCM وحصلنا على أكبر مقاومة خرج 23.81MΩ في تقنية 45nm، أما عرض المجال BW يكون أكبر ما يمكن في SCM إذ يبلغ القيمة 13.598GHz في تقنية 16nm وينخفض عند استخدام CCM وينخفض أكثر عند استخدام TCCM.

أظهرت المقارنة تفوق تقنية CNTFET على تقنية PTM من ناحية جميع البارامترات، من ناحية error تتفوق CCM بتقنية CNTFET32nm على بقية مرايا التيار إذ يبلغ الخطأ القيمة 62.12E-6 % وهي قيمة صغيرة جداً، وكذلك من ناحية R_out فتبلغ أعظم قيمة 2.53E19 Ω وذلك في CCM في تقنية CNTFET16nm، ومن ناحية عرض المجال BW فإن SCM تبلغ أقصى مجال ترددي وهو 735.71GHz من أجل التقنية 16nm، نلاحظ الأداء العالي لمرايا التيار الناتجة والتي تقترب من الحالة المثالية.

تم تحسين مرايا التيار عن طريق تصميم مرآة التيار ويلسون في تقنية CNTFET وفي تقنية PTM. النتائج الأمثل التي حصلنا عليها تم رفع مقاومة الخرج إلى القيمة 2.0349E21Ω في ويلسون باستخدام CNTFET32nm ونلاحظ أن error=1.1056E-3 %، ولتحسين مرآة التيار ويلسون تم تصميم مرآة التيار ويلسون المطوّرة في تقنية CNTFET وفي تقنية PTM النتائج الأمثل التي حصلنا عليها، تحسين الخطأ النسبي المئوي في مرآة ويلسون المطوّرة وتصغيره إلى القيمة 62.128E-6%، وتم زيادة BW إلى القيمة 305.291 GHz.

تم تصميم مضخم عمليات وتطويره، باستخدام أفضل مرايا التيار المصمّمة واختيار أفضل البارامترات لترانزستورات CNTFET، والذي يستخدم في الدارات التشابهية في تطبيقات VLSI ذات الجهد والحجم والطاقة المنخفضة، وبقيمة عالية لنسبة رفض النمط المشترك CMRR بلغت القيمة 160 dB.

الكلمات المفتاحية:

ADS، االأنبوب النانوي، مرايا التيار، ترانزستورات CNTFET، نموذج Stanford، مرآة التيار الكاسكودية CCM، نموذج PTM، مرايا التيار Wilson، Cadance.

تحميل البحث