منصة الرسائل والاطاريح: تحسين أداء أجهزة معالجة الإشارة التماثلية لأشباه الموصلات من أكسيد المعدن التكميلي بالاعتماد على خوارزميات تحسين الامثل

الخلاصة

في الآونة الأخيرة، تم إيلاء اهتمام كبير لفحص وإنشاء مكبرات التشغيل التكميلية ثنائية المرحلة من أوكسيد أشباه الموصلات المعدنية (CMOS Op-Amp)، ومكبرات التشغيل المتحولة من أوكسيد أشباه الموصلات المعدنية (OTA)، ودوائر التيار المتكاملة من الجيل الثاني من .CMOS (CCII) ويرجع هذا في المقام الأول إلى أن هذه الدوائر تظهر أداءً متفوقًا، خاصة في السرع العالية وعرض النطاق الترددي المحسن، مقارنة بمكبر التشغيل التقليدي في وضع الجهد. يتكون مكبر التشغيل CMOS المقترح من مجموعةMetal Oxide Silicon Field Effect Transistors (MOSFET) ، وبالتالي لبناء مكبر تشغيلي عالي الأداء، يجب اختيار تقنية لتنسيق الخصائص العملية لهذه الترانزستورات. علاوة على ذلك، يتم استخدام خوارزميات التحسين مثل خوارزمية الخفاش (BA)، وخوارزمية دورة الماء (WCA)، وخوارزمية الأعشاب الضارة للتحسين (IWO) لهذا الغرض. تقدم هذه الأطروحة تصميم مكبر تشغيلي CMOS باستخدام تقنية 0.18 ميكرومتر من شركة Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) وجهد إمداد ±1.8 فولت. يتم استخدام برنامج MATLAB (الإصدار2021b) لخوارزميات التحسين في تحسين التصاميم المقترحة باستخدام برنامج المحاكاة PSPICE (الإصدار 17.4). فالتصميم الأول هو تصميم مكبر تشغيلي CMOS ثنائي المرحلة بترددات عالية، من خلال الحساب النظري، فإن نتائج محاكاة عناصرالأداء مثل عرض النطاق الترددي لكسب الوحدة (UGB) وكسب الجهد واستهلاك الطاقة تساوي 42.1 ميجا هرتز و88.56 ديسيبل و493.92 ميكرو واط على التوالي. لتحسين هذه العناصر، يعطي BA تحسنًا في كسب الجهد بنسبة 20٪، ويصل عرض النطاق الترددي لكسب الوحدة (UGB) إلى 86 ميجا هرتز، وينخفض تبديد الطاقة بنسبة 39.1٪. بالإضافة إلى هذه التحسينات، زادت مساحة الترانزستورات بمقدار خمسة أضعاف ما كانت عليه قبل استخدام الخوارزمية وانخفض هامش الطور قليلاً عن الحالة السابقة. والتصميم الثاني هو folded cascode CMOS OTA، ونتائج محاكاة عناصر الأداء مثل عرض النطاق الترددي للكسب واستهلاك الطاقة وكسب الجهد، تساوي 47.8 ميجا هرتز و255.6 ميكرو واط و79.27 ديسيبل على التوالي. لتحسين هذه العناصر، تقدم خوارزمية WCA تحسين في UGB بأكثر من خمسة أضعاف قيمته قبل استخدام الخوارزمية، بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين كسب الجهد بنسبة 24.4٪، وانخفض استهلاك الطاقة بنسبة 15.5٪. بالإضافة إلى هذه التحسينات، انخفض هامش الطور بمقدار صغير، وزادت المساحة بمقدار ثلاثة أضعاف مساحتها دون استخدام الخوارزمية. اما التصميم الثالث فهو تصميم CMOS CCII في الترددات العالية، وكانت نتائج محاكاة عناصر الأداء مثل عرض النطاق الترددي لوضع الجهد، ومقاومة الإدخال عند منفذ X، وعرض النطاق الترددي لوضع التيار تساوي 2.28 جيجاهرتز، و3 كيلو أوم، و3.36 جيجاهرتز على التوالي. لتحسين هذه العناصر، يتم استخدام خوارزمية IWO، والتي تعطي تحسنًا في عرض النطاق الترددي لوضع الجهد بأكثر من ثلاثة أضعاف القيمة السابقة، مما يقلل من مقاومة الإدخال عند منفذ X بنسبة 73.35٪، ويتحسن عرض النطاق الترددي لوضع التيار بنسبة 93.45٪. تم استخدام التطبيقات المناسبة، مثل Universal Active filter وBiquad filter وQuadrature filter لاختبار تشغيل التصاميم المقترحة.