CC BY
50
УДК 621.396.6
Д.В. Морозов, Д.О. Буданов Санкт-Петербург, Россия
шифратор термометрического кода в прямой двоичный код
D.V. Morozov, D.O. Budanov
St.-Petersburg, Russia
encoder of thermometric code to straight binary code
Предложено схемотехническое решение восьмиразрядного шифратора термометрического кода в прямой двоичный код. Проведенное компьютерное моделирование схем и сравнение с известными аналогами показало выигрыш по потребляемой мощности.
ШИФРАТОР. ТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЙ КОД. ПРЯМОЙ ДВОИЧНЫЙ КОД. МОДЕЛИРОВАНИЕ.
Design of 8-bit encoder of teimometrical code to direct binary code is presented. Power consumption is decreased that is shown by computer simulation results and comparison with other designs.
ENCODER. TERMOMETRICAL CODE. DIRECT BINARY CODE. COMPUTER SIMULATION.
Постановка задачи
Неотъемлемой частью любой системы, выполняющей цифровую обработку сигналов, служат аналоговые устройства входного интерфейса. Одним из обязательных блоков интерфейсной части является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Скорость передачи информации в современных системах телекоммуникаций представляет критичный параметр. При этом наибольшим быстродействием отличаются АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП) [1—3]. Сопряженная часть любого параллельного АЦП - преобразователь кода с выходов массива компараторов в прямой двоичный код [1-7]. Строго говоря, такое устройство называется кодопреобразователем [1]. Однако нередко в отечественных [2, 3] и зарубежных [4-7] публикациях используют термин «шифратор» термометрического кода. В данном коде по аналогии со шкалой
термометра минимальное число представляется во всех разрядах логическими нулями, а максимальное - логическими единицами. В диапазоне входных сигналов параллельного АЦП младшие разряды термометрического кода принимают значения логической единицы, а старшие - логического нуля. Несмотря на успехи, достигнутые в разработке таких шифраторов, актуальны схемотехнические решения с низкой потребляемой мощностью. Одно из возможных решений восьмиразрядного шифратора представлено в данной статье с использованием результатов моделирования в САПР Cadence Virtuoso для 180 нм КМОП-технологии.
Разработка восьмиразрядного шифратора
Шифраторы с разрядностью выходного кода от четырех до восьми разрядов строятся на основе шифраторов более низкого порядка, например
Таблица 1
Таблица истинности двухразрядного шифратора
Х1 Х2 Х3 71 72
0 0 0 0 0
0 0 1 0 1
0 1 1 1 0
1 1 1 1 1
Рис. 1. Схема двухразрядного шифратора
второго, таблица истинности которого представлена в табл. 1. Схема данного шифратора показана на рис. 1 и разработана, исходя из соображений использования минимального числа элементов, что позволяет уменьшить занимаемую на кристалле площадь. Подложки МОП-транзисторов с я-каналом Т1, Т4 и Т5 подключаются к отрицательной шине источника питания а подложки МОП-транзисторов с /»-каналом Т2, Т3 и Т6 -к положительной шине Ум
Шифратор (рис. 1) состоит из двух КМОП-
ключей на основе транзисторов Т1, Т2 и Т5, Т6, которые управляются напряжением на входе Х2, определяющим старший разряд Y1 выходного двоичного кода. Входное напряжение Х2 поступает с выхода компаратора, порог переключения которого соответствует середине диапазона входных напряжений двухразрядного АЦП. Ключи при этом коммутируют напряжения Х1 и Х3 с выходов оставшихся двух компараторов для формирования младшего разряда Y2 выходного двоичного кода АЦП. На основании предложенной схемы возможна реализация трехразрядного шифратора (рис. 2), где блок с обозначением CD -двухразрядный шифратор согласно рис. 1.
Действуя аналогично, получим схему четырехразрядного шифратора (рис. 3) на основе трехразрядных шифраторов (рис. 2). Для этого необходимо использование двухвходовых мультиплексоров с обозначением MUX, схема которых представлена на рис. 4. Подложки МОП-транзисторов с я-каналом Т2, Т4, Т5, Т6, Т8 и Т10 подключаются к отрицательной шине источника питания Vs, а подложки МОП-транзисторов с /-каналом Т1, Т3, Т7 и Т9 - к положительной шине VM Работа мультиплексора осуществляется по сигналу на адресном входе A. При сигнале на входе A, равном логической единице, на выход поступает сигнал со входа D1, а при сигнале A, равном логическому нулю, - со входа D2. Инверторы на основе транзисторов Т7-Т10 являются буферными элементами.
Таким образом, наращивая разрядность аналогично рис. 3, восьмиразрядный шифратор реа-
Рис. 2. Схема трехразрядного шифратора
Рис. 3. Схема четырехразрядного шифратора
лизуется с использованием двух семиразрядных шифраторов и семи двухвходовых мультиплексоров.
Моделирование восьмиразрядного шифратора
Моделирование временных и мощностных характеристик шифратора проводилось при помощи САПР Cadence Virtuoso на основе 180 нм КМОП-технологии компании UMC для однопо-лярного питания 1,8 В.
Время задержки-переключения восьмиразрядного шифратора оценивалось по отклику на выходе младшего разряда 78 прямого двоичного кода при изменении входного термометрического кода во всех 255 разрядах из логического нуля в логическую единицу (по фронту) и наоборот (по спаду), что обусловлено схемотехническим решением шифратора. Согласно представленным в предыдущем разделе схемам, наибольшее время задержки-переключения будет иметь младший разряд выходного прямого двоичного кода.
Рис. 4. Схема мультиплексора
Таблица 2
Результаты моделирования шифратора
Условия Т, °С Время задержки-переключения, пс Длительность фронта, пс Длительность спада, пс Потребляемая мощность, мкВт
«По фронту» «По спаду»
tt -40 584 500 43 24 430
27 640 570 50 29 442
85 689 630 55 32 461
-40 881 673 59 31 411
27 957 774 70 38 429
85 1020 859 78 44 446
-40 431 398 33 19 446
27 475 450 39 23 460
85 513 496 43 26 485
8пГр -40 666 512 44 24 469
27 726 586 51 29 483
85 778 649 56 34 504
£п8р -40 534 496 45 24 408
27 588 563 52 28 425
85 634 621 58 32 443
Среднее значение 674 585 52 29 449
Максимальное значение 1020 859 78 44 504
Моделирование проводилось при всех возможных граничных условиях (й, ss, ££, snfp, для трех значений температур -40 °С, 27 °С, 85 °С. Результаты представлены в табл. 2.
Анализ результатов
На потребляемую мощность шифратора влияют разрядность, технология изготовления и тактовая частота. Выигрыш по потребляемой мощности представленного схемотехнического решения шифратора по сравнению с известными аналогами [6-10] возможно оценить на основе результатов моделирования. При этом необходимо осуществить пересчет потребляемой мощности сравниваемого шифратора (^сравн) к эквивалентному шифратору, выполненному по тому же принципу, разрядностью 8 бит, изготовленному в 180 нм КМОП-технологии и имеющему тактовую частоту 1 ГГц. При этом токи потребления при пересчете считаются неизменными. Тогда изменение потребляемой мощности можно оценивать:
• при другой разрядности с помощью коэф-
фициента ЛГсра™, где #экв и N ^ - разрядности эквивалентного и сравниваемого шифраторов соответственно;
• при смене технологии - множителем
Е
—где Еэкв - напряжение питания шифрато-
"^сравн
ра, выполненного в 180 нм КМОП-технологии (Е = 1,8 В), Е - напряжение питания сравни-
4 экв ' 7' сравн г г
ваемого шифратора;
• при изменении тактовой частоты - множи-
р
телем —где Е и Е - тактовые частоты
экв сравн
г
сравн
эквивалентного разработанному и сравниваемого шифраторов соответственно.
Тогда эквивалентная потребляемая мощность определяется как
Г г
П __-Л^ !,,^ р экв__экв
экв сравн г, , - •
сравн сравн
При прочих равных условиях оценки выигрыша по потребляемой мощности разработанного схемотехнического решения шифратора по сравнению с известными аналогами представлены в
Таблица 3
Выигрыш по потребляемой мощности
Шифратор Р , сравн мВт N , сравн бит F , сравн' ГГц Технология, CMOS Выигрыш, раз
[6] на основе полного сумматора 0,138 5 0,1 0,18 цш 24,6
[6] на основе элементов памяти 0,233 0,1 41,5
[6] на основе мультиплексоров 0,254 0,1 45,3
[6] на основе логических элементов 0,007 0,1 1,3
[7] 3,1 4 3,5 0,18 цш 31,6
4 5 28,5
[8] 0,438 8 2 0,07 цш 1,3
0,328 6 2,7 2,8
[9] 0,185 4 5 0,09 цш 2,4
[10] 0,67 6 2,5 0,18 цш 2,4
0,86 3,3 2,3
табл. 3. Минимальный выигрыш по потребляемой мощности получается для шифратора восьмиразрядного АЦП из [8]:
Рэкв 0,438 1,8 1 , _
—= —--'--= 1,3 раза,
Пазраб 0,439 0,7 2
где Рразраб - средняя потребляемая мощность разработанного шифратора.
Максимальный выигрыш по потребляемой мощности получается для шифратора [6] на основе мультиплексоров и составляет:
Рэкв = 2з 0Д54 _1_ = 45) 3 раза.
0,449 0,1
В статье предложено схемотехническое решение шифратора термометрического кода в прямой двоичный код. Осуществлено моделирование восьмиразрядной схемы в САПР Cadence Virtuoso для 180 нм КМОП-технологии при однополярном напряжении питания 1,8 В. Максимальное время задержки-переключения составляет около 1 нс, что позволяет использовать данную схему при обработке сигналов с тактовой частотой 1 ГГц наравне с имеющимися аналогами. Средняя потребляемая мощность не превосходит 500 мкВт. При прочих равных условиях достигается выигрыш по потребляемой мощности по сравнению с известными схемами до 40 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бунтов, В.Д Цифровые и микропроцессорные радиотехнические устройства [Текст]/ В.Д. Бунтов, С.Б. Макаров. -СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2005. -398 с.
2. Эннс, В.И. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем [Текст]/ В.И. Эннс, Ю.М. Кобзев. -М.: Горячая линия - Телеком, 2005. -454 с.
3. Богатырев, Е.А. Энциклопедия электронных компонентов. Большие интегральные схемы [Текст]/ Е.А. Богатырев, В.Ю. Ларин, А.Е. Лякин.; Под. ред.
А.Н. Еркина. -М.: ООО «Макро Тим», 2006. —Т. 1. -224 с.
4. Sall, E. Comparison of Two Thermometer-to-Binary Decoders for High-Perfomance Flash ADCs [Text]/ E. Sall, M. Vesterbacka // NORCHIP Conference, 2005. -23rd. -Nov. 2005. -P. 253-256.
5. Yoo, J. Future-Ready Ultrafast 8 bit CMOS ADC for System-on-Chip Applications [Text] / J. Yoo, D. Lee, K. Choi [et al.] // ASIC/SOC Conf., 2001. Proc. 14th Annual IEEE International. -Sep. 2001. -P. 455-459.
6. Madhumati, G.L. Comparison of 5-bit Thermometer-to-Binary Decoders in 1,8 V, 0,18 CMOS Technology for Flash ADCs [Text] / G.L. Madhumati, K. Ramakoteswara Rao, M. Madhavilatha // 2009 International Conf. on Signal Processing Systems. -May 2009. -P. 516-520.
7. Sheikhaei, S. An Encoder For a 5 GS/s 4-Bit Flash ADC in 0.18 |im CMOS [Text] / S. Sheikhaei, S. Mirabbasi, A. Ivanov // Electrical and Computer Engineering, 2005. Canadian Conf. -May 2005. -P. 698-701.
8. Yoo, J. Quantum Voltage comparator for 0,07 ^m CMOS flash A/D converters [Text] / J. Yoo, K. Choi,
J. Ghaznavi // VLSI, 2003. Proc. IEEE Computer Society Annual Symp. -Feb. 2003. -P. 208-281.
9. Hiremath, V. An Ultra High Speed Encoder for 5GSPS Flash ADC [Text] / V. Hiremath, S. Ren // Instrumentation and Measurement Technology Conf. (I2MTC), 2010 IEEE. -May 2010. -P. 136-141.
10. Nguyen, M.S. Design and Implementation of Double Base Integer Encoder in the Flash ADC [Text] / M.S. Nguyen, J. Kim // Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology, 2009. ECTI-CON 2009. 6th International Conf. -May 2009. -P. 496-499.
