در دو دهه گذشته، فناوری CMOS به سرعت حوزه مدارهای مجتمع را در برگرفته و راهکارهایی ارزان و کارا عرضه نموده است. اگرچه افزاره دو قطبی سیلیکان هنوز کاربردهای مناسب خود را دارد ولی امروزه فقط فرایندهای CMOS به صورت یک انتخاب موفق برای مجتمع سازی سیستم های پیچیده سیگنال مرکب (دیجیتال – آنالوگ) درآمده است.
افزایش سرعت و کاهش توان مصرفی در مدارهای مجتمع CMOS همواره به عنوان یک هدف اصلی مورد توجه بوده است. در سالهای اخیر نیاز به طراحی افزاره های توان پایین به صورت قابل ملاحظه ای افزایش یافته است.
برای کاهش مصرف توان در مدارهای CMOS از روش های مختلفی استفاده می شود که به عنوان مثال می توان به تغییر ساختار مدار، کاهش ولتاژ هزینه و تغییر ابعاد ترانزیستورها اشاره کرد. در این سمینار تغییر ابعاد ترانزیستور مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
ساختار فصول به این شرح است: در فصل اول اهمیت توان مصرفی، اجزای آن و راه های کاهش توان مصرفی بیان شده است. در فصل دوم، افزاره ماسفت دو گیتی سیلیکان بر روی عایق مورد بررسی قرار گرفته است. نشان داده شده است، این افزاره برای کاربردهای توان پایین مناسب می باشد. در فصل سوم، با بهره گرفتن از شبیه سازی کامپیوتری اطلاعات کمی مناسبی جهت بهینه سازی ابعاد افزاره برای کاربردهای توان پایین ارائه شده است.
فصل اول: کلیات
1-1) اهمیت توان مصرفی در مدارهای مجتمع
افزایش سرعت و کاهش توان مصرفی در مدارهای مجتمع CMOS همواره به عنوان یک هدف اصلی مورد توجه بوده است. در سالهای اخیر نیاز به طراحی افزاره های توان پایین به صورت قابل ملاحظه ای افزایش یافته است.
عوامل متعددی بر این افزایش چشمگیر تقاضا موثرند. یک دسته از این عوامل ناشی از رشد سریع کاربردهای پرتابل نظیر کامپیوترهای قابل حمل، تلفن های سلولی و دیگر وسایل مخابراتی قابل حمل می باشد. پرتابل بودن این سیستم ها ابعاد و وزن باتری ها را محدود می کند و محدودیت شدیدی بر مصرف توان افزاره ها می گذارد.
دسته دیگر، ناشی از رشد کاربردهای غیر پرتابل نظیر تجهیزات الکترونیکی پزشکی می باشد که بر پایه مدارهای مجتمع CMOS می باشند و مصرف توان به یک پارامتر بسیار مهم در این سیستم ها تبدیل گشته است.
شکل (1-1) تغییرات چگالی توان (توان بر واحد سطح) برحسب کاهش ابعاد ترانزیستورها را نشان می دهد. با پیشرفت تکنولوژی و کاهش ابعاد تراشه ها میزان چگالی توان تراشه ها به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. بدین ترتیب، به منظور جلوگیری از صرف هزینه گزاف استفاده از خنک کننده بر روی تراشه ها، لزوم بکارگیری روش هایی برای کاهش توان مصرفی در مدارهای مجتمع CMOS مشخص می شود. همچنین با گرم شدن تراشه ها عمر دستگاه به شدت کاهش می یابد که می تواند باعث ایجاد مشکلات بعدی شود.
برای کاهش توان مصرفی در مدارهای CMOS از روش های مختلفی استفاده می شود، به عنوان مثال می توان به تغییر ساختار مدار، کاهش ولتاژ تغذیه و تغییر ابعاد ترانزیستورها اشاره کرد. آشنایی با روش های کاهش توان مصرفی در مدارهای مجتمع CMOS مستلزم دانستن اجزای توان مصرفی در این مدارها می باشد.<p><br />انواع آنتن های میکرواستریپ با توجه به وزن سبک و قیمت کم، کاربردهای زیادی در صنعت مخابرات و نظامی پیدا کرده اند. علیرغم مزایای زیادی که این آنتن ها دارند، وجود بعضی از معایب در این آنتن ها باعث شده است که از این آنتن ها در بعضی از مصارف نتوان استفاده کرد. از ضعف های عمده این آنتن ها می توان به کم بودن پهنای باند فرکانسی و گین این آنتن ها اشاره کرد. البته از زمان مطرح شدن این آنتن ها راهکارهای مختلفی برای از بین بردن این معایب ابدا شده است، که می توان در کتاب های مرجع و یا در مقالات به آنها رجوع کرد.<br />یکی از مشکلات ریشه ای این آنتن ها وجود امواج سطحی در آنهاست. با توجه به ساختار صفحه ای این آنتن ها وجود دی الکتریک زمین شده در اطراف اکثر آنتن های میکرواستریپی که محیط مناسب برای انتشار امواج سطحی می باشند امواج سطحی در این المان ها به وجود می آیند و باعث کاهش گین و پهنای باند آنتن های میکرواستریپی می شوند.<br />چند سال اخیر ساختارهای جدید وارد عرصه تحقیقات مخابرات شده است که توانایی کاهش امواج سطحی را دارند این ساختارها که اصطلاحا به ساختارهای Band Gap Structure مشهور هستند در رده ساختارهای متناوب تقسیم بندی می شوند.<br />ساختارهای BGS در یک پهنای باند فرکانس معین به نام Band Gap از انتشار امواج سطحی جلوگیری کرده و باعث افزایش پهنای باند فرکانسی و گین آنتن می شوند و می توان این ساختارها را به دو دسته Via دار و تک صفحه ای تقسیم کرد. برای ساختار Via دار یک مدل ساده ای به نام مدل تشدیدی ارائه شد، که در قسمت های بعدی خواهیم دید که این مدل توانایی تحلیل کلی ساختارها را ندارد و تنها می تواند فرکانس تشدید یکی از Band Gap ها را نشان دهد.<br />از مشکلات ساختار Via دار، وجود Via های زیاد می باشد، که در عمل ساخت این ساختار را بسیار مشکل می کند. بنابراین محققین دنبال روشی برای تک صفحه ای کردن این ساختارها بودند، که حاصل تلاش آنها منجر به وجود آمدن ساختار تک صفحه ای شد. این ساختار تقریبا عملکردی همانند ساختار Via دار را دارد.<br />در مورد تحلیل ساختارهای BGS به غیر از مدل تشدیدی ارائه شده مدل دیگری به نام مدل خط انتقال ارائه شده است. این مدل بر پایه اصول خط انتقال می باشد و برخلاف مدل تشدیدی توانایی نماین کردن Band Gap موجود در فرکانس های بالای مایکرویوی را با تقریب خیلی خوبی دارد. ولی توانایی معین کردن Band Gap موجود در فرکانس های پایین را ندارد. با بررسی ساختارهای مورد بحث توانستیم، با بهبود مدل خط انتقال مدل جدیدی برای این ساختارها ارائه کنیم. این مدل توانای آشکارسازی Band Gap ساختار را در فرکانس های پایین دارد. این مدل توسط نرم افزار Matlab مورد تحلیل قرار گرفت. نتاج به دست آمده تطبیق خوبی با نتایج حاصل از تحلیل این ساختار توسط نرم افزار HFSS را دارد.<br />در فصل دوم، امواج سطحی و سطوحی که می توانند این امواج را در خود به وجود آورند به صورت کلی بررسی شده است. و همچنین مفهوم امپدانس سطحی معرفی شده و رابطه آن را با امواج سطحی مورد مطالعه قرار می گیرد. در فصل چهارم، با مدل خط انتقال برای تحلیل ساختار Via دار و تک صفحه ای آشنا می شویم. ابتدا مدل اولیه خط انتقال را معرفی می کنیم. اما چون این مدل، توانایی معین کردن Band Gap را در فرکانس های پایین ندارد. مدل جدیدی به نام مدل بهبود یافته برای رفع این مشکل معرفی می کنیم. نتایج به دست آمده از تحلیل این مدل توسط نرم افزار
Matlab تطبیق خوبی با نتایج حاصل از تحلیل این ساختار توسط نرم افزار HFSS را دارد.<br />در فصل پنجم، با بکار بردن این ساختارها در دو آنتن میکرواستریپ مونوپل با Patch مثلثی و مستطیلی و تغذیه میکرواستریپ لاین تغییرات حاصل در پارامترهای آنتن را مورد بررسی قرار خواهیم داد.</p>
<p> </p>
