设计的模拟信号处理应用程序使用碳纳米管场效应电晶体低功耗折叠共源共栅运算放大器

文摘

碳纳米管(CNT)的胚胎技术之一在近期的发明对半导体器件的小型化和获得很多的关注是由于高吞吐量和非常广泛的一系列应用程序在各种模拟/混合信号的应用今天的高速时代。碳纳米管场效应晶体管(CNFETs)侦察的刺激的未来一代又一代的集成电路(IC)设备。CNFETs被广泛审议是可能的替代硅场效应管。不同的模拟信号处理应用程序,如反相放大器、同相放大器,夏天,减法器,微分电路,积分器,半波和全波整流器,快船,接线板,反相,非反相比较器,峰值检波器和过零检测器使用低功耗实现折叠共源共栅运算放大器(放大器)使用CNFET实现。拟议中的CNFET-based模拟信号处理应用程序煽动32纳米技术节点。仿真结果表明,该应用程序是正确使用小说实现折叠共源共栅运算放大器(FCOA)使用CNFET实现。

1。介绍

在过去的几十年里,电子工业有了显著增长集成电路的应用。有大幅增加集成密度,速度和性能,从而导致高速便携式设备和诸如此类的要求仍在日常生活中提高。功耗和加热的约束也增加与每一个新技术,随着新兴的硅技术规模深不可测ultra-nanometer政权。在过去几十年里,重要的是努力减少功率预算确保高性能。但是,现在积极扩展MOS晶体管接近通道和栅氧化层很薄的晶体管和扩散区域的附近的电荷载体可以很容易地穿过通道垂直方向导致不必要的电流通过它,因此进一步的水平扩展是不可能的。国际半导体技术发展路线图(预期的1),严格的探索是可取的为了忍受这个过程,不可否认的是,鼓励新型设备和方法,将其他的技术发展方向2,3]。碳纳米管场效应晶体管(CNFET)是竞争对手晶体管将允许扩展过程来维持和小说的进步设备(4]。CNFET及其属性的细节部分中解释2。

运算放大器(运算放大器)是不可或缺的块在几乎所有模拟/混合信号应用程序(5]。设计和开发的最大吞吐量模拟集成电路获取进步的限制是由于持续的倾向比例在深亚微米政权。有显著降低放大器的性能在纳米政权和严格要求侦察新的电路设计策略为即将到来的新设备像CNFET快速的商品延长摩尔定律在深纳米政权(6]。最好的解释设计cmos折叠共源共栅运算放大器广泛讨论我们在[7),这里将不讨论。简短的关于CNFET及其性能比较与CMOS解释部分2。设计CNFET-based FCOA和间距和直径对性能参数的影响解释部分3。部分4解释了不同的模拟信号处理应用程序使用CNFET-FCOA 32纳米技术实现节点。结论对实现使用CNFET节中提到的各种性能指标5。

2。碳纳米管场效应晶体管

CNFETs的晶体管数量的碳纳米管(碳纳米管)作为一个物理信道在源极和漏极之间与虚拟通道的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) [8]。碳纳米管的石墨烯薄片。石墨烯是碳的同素异形体组成的紧密薄层的纯碳原子。这个薄单层表然后沿着不同的方向卷成管状,形成金属或半导体单壁碳纳米管(SWCNTs)。这个方向旋转称为手性和代表两个向量的和的形式(n,米),如方程所示(1),代表两个不同的方向。这两种类型的SWCNTs,金属纳米管被广泛用作互连和半导体纳米管已经引起普遍作为高性能的替代解决方案在纳米晶体管政权(9,10]。SWCNT是导体n−米= 3k(k€Z);否则它是半导体(11),n,米是正整数,指定的手性管(7- - - - - -13]。手性的大小取决于问的直径和是由使用方程(2): 在哪里carbon-to-carbon原子的距离,2.49∼。

独特的建设CNFET设备显示在图1。这个设备所有地区都严重掺杂除了问通道区域,这完全是纯的。类似于MOSFET, CNFET还有一个阈值电压,需要打开设备。CNFET设备的一个独特的特性是其阈值电压的适应性改变碳纳米管的直径。这是由于一个事实,即问带隙,即函数的阈值电压,反向取决于直径如下方程所示(11,14,15]: ,“”)是电子电荷和单位(3.033∼eV)是紧密结合碳p p键能模型。这个相关的属性使CNFET非常有用的电压模式模拟和数字电路7,11]。

2.1。性能比较的CMOS和CNFET电特性

CNFETs比散装互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管接触电阻,阈下斜坡,和电流驱动能力。的接触电阻和阈下斜坡CNFET类似于CMOS晶体管。CNFET电流测量在当前每管,可以通过增加管子的数量增加,典型的CMOS电流驱动时表示在当前单位设备宽度(例如,µ一个/µ米)(12]。对当前的CNFET可以大约由方程(4),而且几乎没有依赖的通道长度near-ballistic交通: 在哪里掺杂问源区的长度,是掺杂的源电阻单位长度问,然后呢每问是跨导,是由以下方程: 在哪里和是问的载流子迁移率和门通道单位长度电容,分别。

我- - - - - -V特征的一个典型的32 nm MOSFET-like N-CNFET P-CNFET如图2(一个)。根据图2 (b),32 nm CNFET适当我_d- - - - - -V_ds特征没有短沟道效应,而32纳米MOSFET遭受更高的通道阻力三极管地区退化r₀,速度饱和。此外,如图2 (b),除了离子/ IOFF CNFET相当高,它有一个二次方程我_d- - - - - -V_gs曲线的饱和区域而MOSFET器件有一个线性的我_d- - - - - -V_gs曲线,主要是由于速度饱和。因此,可以得出结论,MOSFET-like CNFET可以是一个有前途的设备设计等纳米级模拟电路精确的比较器和高增益放大器(11]。

此外,大部分CMOS相比,一个问的有效栅电容每门CNFETs大约是4%,每个问约为50%的电流驱动能力与散装n型MOSFET (12]。这是由于弹道运输航空公司问具体的方向。结果为13倍更好的简历/我性能的CNFET散装n型MOSFET。性能增强的p-CNFET比在n-CNFET PMOS和NMOS相比,分别。这是由于类似的行为和当前的驾驶能力p-CNFET n-CNFET相比。与CNFET相关的主要问题是大量的泄漏电流在关闭状态,但它可以通过控制纠正乐队乐队隧道和碳纳米管的完全带隙小于一个MOSFET (13- - - - - -17]。

此外,纳米管中电子的运动是严厉限制沿管轴方向,由于quasi-1D问的结构。因此,只有向前和向后散射的运营商在纳米管,和其他所有的文化人,是禁止的。实验观察到的平均自由程(MFP) 1∼µ米(18,19),这意味着near-ballistic航空运输。典型的流动性非常高,10³∼10⁴厘米²/ V·s期间观察到电导实验证明了在晶体管和多样性的研究(20.,21]。假设的研究预测流动∼10⁴厘米²/ V·s半导体碳纳米管(22]。微纳米的载流能力被证实是超过10⁹一个/厘米²,大约3订单大于铜的极端的载流能力,也能维持同样的性能远高于室温(19]。简而言之,上级航空运输和传导特性使得CNFETs有前途的候选人纳电子学的应用程序(13]。

这些巨大的碳纳米管的特性和CNFETs电路设计使用CNFET电路设计师的首选。然而,更多的关注,因此广泛的研究在数字电路实现,和模拟电路设计仍然是一个挑战。在今天,很少,只有一个或两个,使用CNFET拓扑运算放大器实现的。本文首次尝试,我们最好的知识,设计CNFET-based折叠共源共栅运算放大器(CNFET-FCOA),成功地计算几乎所有参数与一个运放。进一步实现不同信号处理应用程序使用小说折叠共源共栅运算放大器(FCOA)设计使用CNFET 32 nm CNFET技术。下一节解释了关于CNFET-FCOA的设计。

3所示。折叠共源共栅运放的设计使用碳纳米管场效应晶体管

CNFET作品的基本概念应用门之间的电压来调节电流消耗和源和展览单极行为。back-gated结构,由于不同的结和重叠的功放,高频操作是有限的,但上平巷CNFET允许高速操作的大厦。同时,由于纳米管及其结构,内置通道泄漏电流CNFET不再是问题,它显示了增强电流处理能力(24- - - - - -26]。CNFET努力卓越航空运输和传导特性主要是由于高机动性和高电流密度(25- - - - - -27]。CNFET晶体管的宽度(W),问的直径( ),的碳纳米管通道(N),两个相邻的碳纳米管之间的间距,球场(年代)[13,19,22- - - - - -26)相关的由以下方程:

在CNFET-based实现中,管子数量、间距和直径设计达到最佳效果的参数不同纵横比的CMOS (2,3,28- - - - - -30.]。图3(一个)显示提出CNFET-FCOA的示意图,图3 (b)显示CNFET-FCOA提出的符号表示。

在这个分析,与传统的运放,据推测,目前问1直接流经的流失问6,因此负载电容和当前问2是间接通过问5,当前的镜子组成的问7问10。同时,假定最大数量的电流流过问1,因此这两条路径有稍微不同的传递函数。高频极点和零点的非惯用和可以忽略,因为他们位于高频率相比,单位增益频率(7]。

folded-cascode放大器的小信号近似传递函数是由CMOS技术 在哪里放大器的跨导增益和吗输出阻抗。

运放的开环增益是进一步的计算 在哪里是在放大器的输出阻抗和负载电容。

高频率、负载电容占主导地位,因此

输入跨导可以增加使用长水道晶体管和确保输入晶体管的偏置电流明显大于共源共栅晶体管的偏置电流。这也将导致提高带宽。为了最大化设计运放的直流增益,认为当前流经所有晶体管连接到输出节点在小的水平。这不仅最大化输入跨导还输出阻抗。最大数量的输入偏置电流通过微分对大跨导的结果输入设备的热噪声性能的改善,因此OpAmp [7,31日]。

在这个工作中,MOSFET-like CNFETs用于设计FCOA电路和MOSFET之间的相似之处和MOSFET-like CNFET设备而言我- - - - - -V特点和固有的其他属性,CNFET-based电路的设计过程类似于CMOS (13,30.- - - - - -37]。此外,如CNFET设备μn =μp和使用的所有特征CNFETs如门的长度(l= 32 nm),问直径(DCNT = 1.49 nm)和(8海里),除了CNFETs的宽度,将是相同的,唯一可能影响的增益参数FCOA CNFETs的宽度。此外,由于直接关系的宽度CNFET和纳米管的数量38),所需的宽度可以采用设置适当数量的碳纳米管对每个晶体管(37]。

仿真的目的,CNFET香料兼容的斯坦福大学32 nm CNFET模型(30.]。在这项研究中,top-gated无掺杂半导体苔藓像CNFETs 4纳米厚HfO2 high-k介质(k0 = 16)、手性(19日),和固定直径为1.49 nm。管子的数量计算使用方程(1)= 8纳米,保持直径不变,在表中1。折叠共源共栅运放设计配置进一步用HSPICE模拟达到满意的直流性能并进一步用于计算各种性能指标,如直流增益(Av0)阶段保证金(PM),单位增益带宽(UGB),共模抑制比(CMRR,电源抑制比(PSRR),转换速率(SR),输出摆动(OS)和功耗(6]。

3.1。音高和CNFET直径的最佳选择

模拟执行三个不同的螺距值8纳米,12海里,20 nm CNFET-based FCOA。表2显示了不同的音高值比较结果对规范。比较检查CNFET-FCOA架构的重要参数显著改善性能的肯定是取得CNFET-based FCOAs和获得最高三个节距等于8海里。类似的性能是不可能在如此深亚微米水平使用CMOS由于极端的短沟道效应,石印的局限性,过程变化,泄漏电流,source-to-drain隧道(25,37- - - - - -41]。进一步CNFET技术也可以轻松募集的大部分CMOS技术在单一芯片,利用相同的基础设施(23,30.,42]。

调查结果表明,设计的频率响应OTA改善碳纳米管的直径增加如图4(一)来4 (c)。这是由于这样的事实,跨导上升与碳纳米管的直径增加。直流增益随直径减少,因为输出电阻与直径比的增加其跨导。这一趋势是观察到,因为CNFET电路性能直接取决于问直径和电子的行为。直径是影响的主要参数在当前比例CNFET除了在S / D接触势垒高度(或RS / D)、手性、氧化和厚度,但对于更大的直径,电流趋向于饱和由于大型筛查和散射效应(14,24,25,33]。同时,放大器的功耗上升由于较小的带隙和更高的电流驱动。

4所示。CNFET-FCOA-Based模拟信号处理应用程序

运算放大器曾旨在执行不同的操作信号如加法、减法、微分、集成和比较。在拟议的工作中,CNTFET-FCOA的功能是所有这些信号处理应用程序测试检查的实际有效性提出CNFET-FCOA在深亚微米节点。所有的信号处理电路设计和实现32纳米,纳米机制有一定的约束与CMOS技术由于严厉的非理想的效果。

4.1。CNFET-FCOA-Based同相放大器

在反相放大器电路,包括分压器节点,称为同相放大器由于其电压增益是积极的(30.]。这意味着输出电压跟随输入电压。的输入和输出电压是一样的阶段,只有输出波形的幅度取决于运算放大器的增益。CNFET-FCOA-based同相放大器如图5(一个)。输入电压V_在应用于运放的同相端。部分输出,即。,feedback, is given to the inverting input through the feedback resistorR_F,它构成分压器网络R_三机一体。设计的同相放大器,电压增益是14。输出电压的表达式是由使用方程(10)及其波形如图6(一):

4.2。CNFET-FCOA-Based反相放大器

顾名思义,输入和输出波形的阶段或有180°的阶段转变,即。当输入电压的增加,输出电压降低,vice-a-versa。的线路图CNFET-FCOA-based反相放大器如图5 (b)。输入信号,V_在通过电阻,应用R_三机一体反相放大器的终端。反馈电阻R_F连接部分输出到同相输入。第二输入运算放大器连接到固定的潜力,说。设计的反相放大器的电压增益是14和反相放大器的输出电压的表达式是由方程(如图所示11)和由此产生的波形如图6 (b):

4.3。CNFET-FCOA-Based夏天

顾名思义,夏天意味着电路增加了两个信号(30.]。图5 (c)显示了基本的反相夏季用于和两个或两个以上的信号电压和输出产生放大两输入信号之和。设计非反相的夏天,输出电压的表达式是由方程(12)和波形显示在图6 (c):

4.4。CNFET-FCOA-Based减法器

微分与单位增益放大器可用于提供一个输出电压等于两个输入电压的差异(30.]。这样的电路称为减法器和图所示5 (d)。净输出结果,如图6 (d)是两个输入电压之间的区别V_三机一体和V_in2应用反相,同相放大器的终端,分别为(40]。设计了减法器,电压增益为1,因为所有的电阻相同的值,和减法器的输出电压是评估使用以下方程:

4.5。CNFET-FCOA-Based区别

微分器的输出电压正比于输入电压的变化率。图5 (e)给CNFET-FCOA-based微分器的线路图。该电路由输入电阻R_在与电容器串联C_在和一双R_F和C_F在并行反馈路径。设计微分器的输出电压方程表达的是(14)。图6 (e)显示相应的输出的区别:

4.6。CNFET-FCOA-Based积分器

积分器,输出电压正比于输入电压的集成(30.]。积分器的电路可以作为微分器的一样,除了电阻和电容的位置是互换如图5 (f)。设计积分器的输出电压表示为方程(所示15)。相应的输入输出波形如图6 (f):

4.7。CNFET-FCOA-Based半波整流

半波整流电路(HWR)是一种良性循环的只允许输入正弦波形的帮助下正向偏压二极管输出达到。这样的半波整流电路如图5 (g)。运放的输出结果是积极的只有在正半周期的输入波形,最终使二极管D1正向偏压和正半周期波形出现在输出终端(30.]。相比之下,在负半周,运放的输出变得消极,关掉二极管D1。这将不允许负输入出现在输出的一部分。总的结果是完美的半波整流,缩影图6 (g)。

4.8。CNFET-FCOA全波整流

与半波整流、全波整流允许积极以及消极的半周期输出输入波形到达的顺序一个接一个。这样的全波整流电路如图5 (h),这实际上是两个半波整流电路的组合。这是通过使用两个不同的运算放大器A1, A2和二极管D1, D2。运放A1的输出结果是积极的只有在正半周期的输入波形。V′变得消极,最终打开二极管D1 (41]。电压反相终端的A2出现在输出等于输入,由于虚拟地面运放两个输入端子的A2。现在考虑输入波形的负面循环。在这种情况下,V′将积极,使二极管D1和D2。由于虚拟地面运放的反相输入A1, V2 = V1 =V(43]。这将导致输出电压等于负的输入电压在A1,因此积极。因此,在两个半周期相同的输出,full-wave-rectified获得输出电压,如图6 (h)。

4.9。CNFET-FCOA-Based限幅器

顾名思义,限幅器是一个电路,可以删除输入波形的某些部分附近的积极或消极的山峰,即。,它可以避免超出预定的电压电平的输出没有不良影响的剩余部分输入波形。如果使用运算放大器实现这样一个电路,使用二极管在运放的输出,将输入信号的一部分。CNFET-FCOA-based积极的限幅器如图5(我)。这种类型的电路的输入信号负峰全部没收。参考电压的值V_裁判决定了剪切部分。积极的输入时最初建立的V_裁判是零。只要输入V_在是正数,输出将跟随输入V_在,因为在放大器输出成为积极的,打开二极管。运放的输出将会负在负半周的输入。在这种情况下,最终的输出V_o将输入的负半周,直到输入电压大于参考电压。因此,部分的输入电压的负半周将剪成了小于参考电压。为了调整剪切水平,V_裁判需要按要求调整。

4.10。CNFET-FCOA-Based接线板

通过使用钳位电路电路,输出是向上或向下转移到首选直流层面,即。,预定直流添加到输入电压水平。可变直流水平CNFET-FCOA-based钳位电路电路呈现在图5 (j)。这是一个积极的接线板,因为输入波形夹+V_裁判(41]。在这种情况下,交流和直流输入电压需要应用和钳位电路的输出是交流和直流输入电压的结果应用于反相终端,和一个电位计连接到同相输入终端有所不同V_裁判。最初,思考+V_裁判在同相输入。输出电压(V_o)也将是积极的,它取决于二极管D1完成反馈循环。然后运放作为电压跟随器,因为直流电压和电容C1块V_o就等于V_裁判。现在,考虑电压V_在反相输入。负半周期间,电容C1将收取的负峰值电压(V_P),因为二极管D1开始进行。峰值电压(V_P在电容器)期间获得负半周被保留,因为二极管D1的正半周期期间关闭V_在(40]。输出峰值电压V_o就等于2V_P,因为这个电压V_P与积极的峰值电压串联V_P。因此,净输出V_o=V_裁判+V_P;2的负峰V_P在Vref。输入和输出波形如图所示6 (j)。

4.11。CNFET-FCOA-Based比较器

顾名思义,比较器电路,比较放大器输入信号在一个终端与一个已知的参考电压运放的其他输入。图5 (k)显示CNFET-FCOA-based比较器。考虑一个固定的参考电压V_裁判+ 1 v的反相输入和其他时变信号V_在应用于非反相输入。这种类型的比较器被称为非反相比较器。当输入电压V_在大于参考V_裁判,输出电压V_o达到+V_坐当V_在就不到参考,V_o变化对−V_坐。因此,V_o变化从一个水平到另一个水平时输入对增加或减少V_裁判如数据所示6 (k)和6(左)。因此,这种电路也称为“电压水平的指标。”这样的反相,非反相比较器需要接口模拟和数字在混合信号应用程序块。

4.12。CNFET-FCOA-Based峰值检波器

顾名思义,一个峰值检波器是一个检测电路应用输入信号的峰值41,43)如图5(米)。这个电路检测输入信号的正峰。CNFET-FCOA-based峰值检波器由一系列连接二极管和电容器。电容C1被起诉的峰值V_页的输入电压,当二极管D1成为正向偏压时输入的每一个正半周。相反,保留电荷电容/电压输入的每一个负半周期间,由于二极管D1是不导电的,唯一为C1放电路径是通过输出终端V_o(41,43]。因此,电容器保留与波形峰值甚至下降到零。

4.13。CNFET-FCOA-Based过零检测器

顾名思义,过零检测器或ZCD电路用于检测输入正弦波形的零交叉条件从正到负过渡期间和vice-a-versa。比较器的电路类似,除了参考电压是固定的,它的价值永远是零。图5 (n)显示了反相比较器的输入为正弦波形。相应的输入输出波形如图6 (n)。

输出的ZCD,签证官,会积极的饱和电压+V_坐输入波形的值大于零,将负面−饱和电压V_坐当输入信号幅值小于零。每次从+运放的输出变化V_坐对−V_坐电容器C +V_坐如果运算放大器的输出从−凌日V_坐到+V_坐−,电容器放电通过R1V_坐。只要方波电压过零,C1和R1的安排产生一个输出组成的高峰时间间隔。二极管用于删除零交叉的山峰只要输入电压过零电压增加的方向。

上述所有应用程序的生成的波形如图所示6。

5。结论

在这项工作中,我们设计并模拟折叠共源共栅运算放大器(FCOA)使用承诺CNFET技术32 nm,非常深亚微米技术节点,1 V电源电压。相对勘探发现CNFET-based FCOAs击败了cmos FCOAs广泛的纳米政权。传统的CMOS技术是无法产生显著的增益在纳米政权由于严格的非理想的效果。进一步,稳定性分析揭示了CNTFET-based FCOA极其稳定。

小说CNFET-FCOA进一步用于开发同相放大器等模拟信号处理电路反相放大器,夏天,减法器,微分电路,积分器,半波整流、全波整流、限幅器、钳位电路、比较器、峰值检波器和过零检测器。这些电路是成功实施并发现比传统cmos电路的主管在纳米尺度的政权。它也从仿真结果证明CNFET是一种很有前途的nanodevice尤其是对低功耗模拟电路应用在深亚微米技术节点。

数据可用性

使用的任何数据和信息来支持本研究的结果将根据要求提供相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢博士a . m . Fulambarkar n . b . Chopade博士和Sheetal班达里博士Pimpri Chinchwad工程学院,浦那(印度,他们的支持和鼓励。他们还要感谢博士g·c·帕蒂尔Visvesvaraya研究所技术,那格浦尔,印度;m·b·马里博士Sinhgad工程学院,浦那(印度;教授Ketan Raut Vishwakarma信息技术研究所,浦那(印度;Shailaja帕蒂尔博士,JSPM Rajarshi Shahu工程学院,浦那(印度,许多有用的讨论和连续的指导整个工作。

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