Феррорезонанс своими руками | Из сети | Каталог статей

Инструкция для желающих потрогать феррорезонанс «руками».

Для успешных испытаний нужен трансформатор с быстро разбираемым железом марки ОСД или ему подобные мощностью 100…300Вт. Подходят от старых ламповых телевизоров. Удобны в работе трансы стержневого типа (две обмотки на разных стержнях). Разобранный транс мощностью 150Вт такого типа удобен в быстрой смене катушек на новые или перемотке старых. Но и трансы броневого типа дадут такой же результат. Для приведенного описания взят транс 150Вт сердечник стержневого типа, на котором по обе стороны две катушки. Левая половина сетевой обмотки 130В (сопротивлением 7.7 Ома, диаметр провода 0.5 мм сечение 0.2 мм.кв индуктивность 0.2Гн) такая же обмотка с правой стороны использовалась для подключения нагрузки лампы накаливания 220В на 100Вт. Замеряем величину индуктивности резонансной катушки. Прибор любого производителя. Если не известно напряжение обмоток а их много вбирают ту у которой наибольшая индуктивность( будет меньше емкость а значит дешевле).

По замеренной индуктивности и рабочей частоте найдем реактивное сопротивление обмотки, а по сопротивлению емкость резонансного конденсатора. Индуктивность 0.2Гн частота 50Гц:

Рис. 1

Можно ставить расчетную емкость, но чтобы попасть в насыщение сердечника емкость увеличивают на 15…20%.(поясню ниже). Теперь мы готовы к сборке схемы:

Рис. 2

Смотрите рис. 2 съем мощности с дросселя. Включаем ЛАТР и, плавно увеличивая напряжение, смотрим на лампу. При входе схемы в резонанс яркость лампы увеличивается скачком. Это контур вошел в резонанс и начал черпать из гравитационного поля земли или по Мельниченко из магнитопровода. Но нам строителям вечняка сейчас по барабану, где он ее черпает. Главное побольше. Теперь можно крутить ЛАТР в сторону уменьшения и лампа будет гореть с постоянным свечением до определенного момента, а потом скачком погаснет. Схема вышла из резонанса. Не спешите искать халяву, поработайте на разных режимах измерьте токи, и напряжения в разных точках попробуете разные емкости.

В общем, почувствуйте схему. Но долго работать со схемой не получится, так как дроссель перегревается и дымит. И чем больше насыщение сердечника, тем быстрее нагрев. Трансформатор(дроссель) не рассчитан на работу в резонансном режиме. На форуме Сергей пишет, у него нет нагрева. Давайте прервемся и попробуем разобраться. Построим вольтамперную характеристику (ВАХ) контура. Для этого совместим на одном графике ВАХ дросселя и ВАХ емкости. Подключаем дроссель к ЛАТРу и, меняя напряжение на дросселе и, замеряя ток для каждой точки, строим ВАХ характеристику достаточно 4…6 точек. На практике выглядит так. К ЛАТРу подключают только дроссель и, увеличивая напряжение с шагом 20….30В строят ВАХ. До начала насыщения дроссель работает тихо и токи малы на этом участке характеристика линейна и тут хватит двух точек. При подходе к точке насыщения появляется легкий гул и заметно возрастает ток тут тоже поставить одну точку, далее уверенно гудит, ток растет быстрее напряжения, тут тоже хватит двух трех точек, после все точки соединяем плавной кривой, L на рис. 3.

Рис. 3

По этому графику легко найти величину емкости для резонанса(точка “тр” на рис. 3) или с помощью ЛАТРа построить на этом же графике ВАХ конденсатора, хватит двух точек так как она линейна (50мкФ на рис. 3). По разности напряжений ВАХ дросселя и конденсатора строится результирующая ВАХ резонансного контура (красная кривая на рис. 3) по этой характеристике видно, как на карте, точки входа схемы в резонанс (т.2 рис. 3) и выхода из него (т.3 рис. 3), токи при которых схема работает в резонансе (от т.4 до т.3), короче не проводя глобальных расчетов можно найти любой параметр. На рис. 3 ВАХ для моего транса. Точка “нн” начало насыщения сердечника. Точка “тр” пересечение характеристик катушки и емкости линия резонанса. 

При напряжении Uр 85В вход в резонанс скачком из т.2 в т.4 ток при этом подпрыгивает с 0.8 до 3.4А. А дроссель рассчитан на 1А куда идет лишка – в нагрев. То есть для нормальной работы дросселя нужно увеличить сечение провода. Теперь уменьшим емкость резонансного конденсатора до 30мкФ рис. 4.

Рис. 4

ВАХ смещается к началу насыщения сердечника, а скачек тока уменьшается до 2А. При дальнейшем уменьшении емкости система может не войти в резонанс или резонанс будет неустойчив. При увеличении емкости картина будет противоположной (см. график емкость 90мкФ рис. 5).

Рис. 5

Выбирай но осторожно. думаю понятно имея характеристики разных катушек и емкостей можно высчитать поведение контура даже не включая его в розетку.

Рис. 6

Соберем схему резонанса напряжений с отбором нагрузки со вторичной обмотки (рис. 6). В качестве нагрузки удобно использовать лампы накаливания по 20-40Вт увеличивая мощность параллельным включением. Дешево, а главное наглядно. Введем схему в резонанс при 85В т.4 (рис. 3). И начнем увеличивать нагрузку. И вот он катаклизм и парадокс. Нагрузка растет а мощность потребления контуром падает. Контур движется из т.4 в т.3 и далее выход из резонанса.

Бестопливный генератор Хмелевского: работает ли

Содержание

• Немного истории
• Конструкция
• Генерация энергии

Существует ли бестопливный генератор энергии? Возможно ли создание чистой энергии без затрат топлива? Человечество все чаще задается этими вопросами с тех пор, как стало очевидно — запасы традиционного топлива на нашей планете не бесконечны. И несмотря на то, что сейчас люди научились получать энергию из неиссякаемых и альтернативных источников — солнечного света, ветра, приливов и отливов, воды — мечты о бестопливном генераторе не исчезли. Еще Тесла и Эйнштейн выводили схемы и доказывали теоретическую возможность существования таких агрегатов. Впоследствии многие ученые и изобретатели пробовали воплотить их в жизнь, но ни один бестопливный генератор (БТГ) не стал достаточно популярным, чтобы выйти в массовое производство. Одно из таких забытых устройств — БТГ Хмелевского.

Немного истории

В конце XX века Виктор Максимович Хмелевский случайно создает нечто, похожее на бестопливный генератор. Согласно официальной версии, ученый хотел создать блок питания для преобразования постоянного тока в переменный, но что-то пошло не так. Хмелевский сразу понял важность изобретения и предложил разработку геологам, но она не прижилась.

Согласно другой версии, геологам, напротив, понравилось изобретение Хмелевского — да так, что прибор начали массово использовать в экспедициях, удаленных от центрального энергоснабжения.

Поэтому этот БТГ иногда называют генератором Хмелевского для геологов.

Затем ученый попробовал получить патент, но снова потерпел неудачу — на этот раз из-за бюрократических проблем. В выдаче патента было отказано из-за ошибок в описании работы прибора. Несмотря на незавидную судьбу ученого, его разработка до сих пор пользуется популярностью — так, в интернете сотни разных сайтов продают схему действующего генератора Хмелевского. Но, к сожалению, большинство подобных предложений — обман, призванный вытянуть из доверчивых покупателей побольше денег.

Сам Хмелевский с 1980 года подавал около 20 заявок на патент. Все так или иначе были связаны с получением бестопливной энергии, и все до единой были отклонены по разным причинам. Сам В. Хмелевский утверждает, что главная проблема — в нежелании правительства выплачивать деньги за эти изобретения, поскольку, по мнению их автора, они должны были стоить немало.

В интернете постоянно обсуждают старые и новые изобретения, которые могли бы быть прорывом в энергетике: генератор Кромри, БТГ Калабухова, генератор Рош и другие разработки. Часть из них на поверку оказывалась рекламным трюком, другая часть — красивой теорией, недостижимой в жизни. А как обстоят дела с бестопливным генератором Хмелевского?

Конструкция

Считается, что оригинальный БТГ Хмелевского был создан на основе импульсного трансформатора от старого цветного телевизора. Обмотки трансформатора были расщеплены и соединены с резисторами, конденсаторами и тиристором. Принципиальная схема озаглавлена так: «Беззатратный феррорезонансный высокочастотный блок питания». Предполагается, что устройство будет использовано для подачи электричества на радиоаппаратуру. Частота приведенного на схеме устройства — 2500 Гц, а мощность — 279 Ватт.

Некоторые энтузиасты сталкивались с трудностями при разборе сердечника ТПИ-4. Чтобы расклеить ферритовый сердечник, автор изобретения предлагает на неделю бросить его в ацетон. Затем, достав из жидкости, сердечник нужно несильно ударить по ребру — от такого удара он легко разъединяется. Однако тестировать такой метод расклеивания придется на свой страх и риск — на форумах многие люди отмечали, что за неделю в ацетоне у сердечника отойдет не только клеевой слой, но и изоляционный лак на катушках. Все катушки индуктивности рекомендуется выполнять проводом ПЭЛ-0,35. Он должен быть составлен из трех жил и оплетен с помощью бумажной ткани или стекловолокна.

Генерация энергии

Когда ученый подал патент на свое изобретение, он указал, что дополнительная энергия возникла благодаря резистору, установленному параллельно контурному конденсатору. Именно здесь и крылась возможная ошибка в описании, из-за которой Хмелевский не получил патент на свое изобретение — как заявили ученому, резистор не может участвовать в генерации энергии. Другое объяснение этого эффекта предлагают уже наши современники. Согласно одному предположению, генерация свободной энергии — это заслуга трансформатора. Его конструкция позволяет ему создавать встречную ЭДС, которая по своему значению будет превышать входящую. Это основывается на резонансном эффекте при подаче напряжения определенной частоты и амплитуды. Точные показатели напряжения неизвестны — их-то и ищут многочисленные энтузиасты, пытающиеся воссоздать БТГ Хмелевского в домашних условиях.

Еще одна тонкость — феррорезонанс. Его особенность в том, что он зависит не только от частоты, но и от амплитуды сигнала. Возможно, именно благодаря этому свойству работа БТГ стала возможной.

Многие сайты готовы предложить за относительно скромную сумму бестопливный генератор Хмелевского и схему с разъяснением. Но нет никаких причин верить, что БТГ действительно работает. Пока ни одному энтузиасту не удалось повторить творение Хмелевского. К тому же, никаких доказательств того, что геологи конца XX века действительно имели доступ к бестопливной энергии, не существует. Сейчас и ученые, и радиолюбители склонны считать, что основная функция БТГ Хмелевского — это повышение КПД, снижение потребляемого тока. Но само себя это устройство питать, к сожалению, не может.

Схема смещения тела при сверхнизком напряжении и ее применение к базовым арифметическим схемам

На этой странице . С этой целью зеркальный полный сумматор GLBB реализован с использованием коммерческой 45-нм объемной КМОП-технологии с тремя ячейками и сравнивается с эквивалентными обычными схемами КМОП с нулевым смещением и MOSFET с динамическим пороговым напряжением (DTMOS) при различных условиях работы. Моделирование после компоновки показывает, что при равенстве потребляемой мощности утечки метод GLBB демонстрирует значительное одновременное снижение энергии на операцию и задержку по сравнению с традиционными подходами CMOS и DTMOS. Площадь кремния, необходимая для полного сумматора GLBB, уменьшена вдвое по сравнению с эквивалентной реализацией DTMOS, но больше по сравнению с традиционной конструкцией CMOS. Проведенный анализ также доказывает, что решение GLBB демонстрирует высокий уровень устойчивости к температурным колебаниям и изменениям процесса.

1. Введение

Работа при сверхнизком напряжении (ULV) является популярным подходом к проектированию для достижения высокой энергоэффективности. При уменьшении напряжения питания () динамическое энергопотребление значительно снижается; однако по мере приближения к пороговому напряжению транзистора () задержка начинает экспоненциально возрастать [1–6], и характеристики схемы становятся чрезвычайно чувствительными к изменениям процесса и колебаниям температуры [7, 8]. Чтобы гарантировать широкое внедрение конструкций УМО, необходимо решить эти проблемы [7].

Для повышения производительности конструкций ULV, а также повышения устойчивости к технологическим и температурным изменениям можно эффективно использовать метод прямого смещения корпуса (FBB) [7–13]. FBB может применяться (в том числе динамически) на разных уровнях детализации, от уровня макроблока до уровня транзистора. Ключевое обоснование применения такой техники на уровне макроблоков состоит в том, чтобы амортизировать площадь кремния и сложность маршрутизации сигнала управления телом более мелкозернистой реализации. Недостатком является то, что при уменьшении на уровне блока для компенсации отклонений и/или для обеспечения временного повышения скорости мощность утечки увеличивается для всех элементов в блоке, в то время как увеличение скорости потребуется только на элементах, критических по времени. Лучшего компромисса между задержкой энергии можно добиться, уменьшив степень детализации управления смещением тела за счет увеличения занимаемой площади кремния [13].

Смещением тела можно динамически управлять на уровне транзистора, используя подход динамического порогового напряжения MOSFET (DTMOS) [8]. Логика DTMOS использует транзисторы, затворы которых привязаны к их корпусам. Поскольку напряжение подложки зависит от напряжения затвора, пороговое напряжение устройства динамически изменяется. Когда устройство включено, его пороговое напряжение принудительно падает, что обеспечивает гораздо более высокий ток включения по сравнению со стандартным MOSFET [8]. Наоборот, в выключенном состоянии характеристики транзистора DTMOS становятся похожими на характеристики обычного MOSFET. Основным ограничением использования объемных устройств DTMOS является то, что необходимо поддерживать большое расстояние между транзисторами, управляемыми разными сигналами затвора, чтобы обеспечить правильную изоляцию корпуса между устройствами с различным смещением корпуса [14, 15]. Это приводит не только к увеличению занимаемой площади кремния, но и к увеличению длины межсоединений, что, в свою очередь, снижает скорость и энергетические характеристики. В качестве дополнительного недостатка большая емкость корпуса и сопротивление [16] устройств обеспечивают дополнительную RC-задержку при зарядке подложки и входных узлов логических элементов DTMOS [17]. Более того, напряжение смещения подложки логических вентилей DTMOS также будет меняться, когда входные переходы не подразумевают переключение выхода. Это будет заряжать и разряжать большие емкости тела, тем самым тратя впустую драгоценную динамическую энергию [11]. Все вышеперечисленные эффекты могут свести на нет ожидаемые преимущества схем DTMOS.

Недавно был предложен метод смещения тела на уровне затвора [11, 18] для преодоления ограничений скорости и энергии логических затворов DTMOS. Используя это решение, задержка RC при зарядке корпуса устройств не влияет на скорость логических элементов. Кроме того, когда входные сигналы переключаются без изменения состояния логического элемента, емкости тела больше не заряжаются/разряжаются бесполезно.

В этой работе представлен расширенный постмакетный анализ потенциальных возможностей наноразмерных конструкций со смещением на уровне затвора (GLBB) в режиме низкого напряжения. В качестве основного результата мы демонстрируем, что конструкции GLBB полностью функциональны, надежны, быстры и энергоэффективны как в подпороговой, так и в околопороговой областях. Преимущества предлагаемой схемы первоначально оцениваются путем сравнения предлагаемого подхода с решениями CMOS и DTMOS с нулевым смещением тела (ZBB) в случае простых логических элементов, таких как NAND2 и NOR2. После этого зеркальный полный сумматор (FA) [18], реализованный по методике GLBB, сравнивается с эквивалентными аналогами ZBB CMOS и DTMOS. Все конструкции ТВС, оцененные с помощью предварительного анализа в [18], были заложены с использованием трехлуночной КМОП-технологии ST 45 нм. Стоит отметить, что постмакетный анализ строго необходим, когда в нанометровых технологиях используются методы адаптивного смещения тела. Это связано с тем, что физические расстояния, необходимые для обеспечения правильной изоляции тела между устройствами с различным смещением тела, оказывают очень большое влияние на задержку и энергетические характеристики цепей. Все сравниваемые схемы оценивались в режиме сверхнизкого напряжения при различных условиях работы. В зависимости от уровня напряжения питания GLBB FA позволяет уменьшить задержку в пределах 6–34 % и 24–40 % по сравнению со схемами ZBB CMOS и DTMOS соответственно. Это достигается также экономией энергии на операцию. Например, при периоде такта 80 FO4 и коэффициенте активности 10 % схема GLBB снижает энергопотребление на операцию в пределах 15–27 % и 47–77 % по сравнению с ТВС ZBB CMOS и DTMOS. Такие преимущества в энергии и скорости достигаются за счет увеличения занимаемой площади кремния по сравнению с традиционной конструкцией ZBB CMOS, но уменьшения занимаемой площади примерно в два раза по сравнению с реализацией DTMOS. Кроме того, GLBB FA поддерживает высокий уровень устойчивости к изменениям температуры и процесса.

Остальная часть статьи организована следующим образом. В разделе 2 обсуждаются рабочие характеристики подхода GLBB. В Разделе 3 обсуждаются сравниваемые конструкции полных сумматоров с зеркальным отображением и дается сравнительная характеристика посткомпоновки. Наконец, Раздел 4 завершает статью.

2. Эксплуатационные характеристики логических вентилей со смещением тела на уровне затвора

Как показано на рис. 1(a), типовой логический вентиль GLBB состоит из двух секций схемы: логической подсхемы, отвечающей за логическую функциональность, и смещения тела генератор (BBG), управляющий корпусным напряжением () всех устройств, принадлежащих логической подсхеме. BBG представляет собой простой двухтактный усилитель, который действует как повторитель напряжения для выходного напряжения, одновременно отделяя большие емкости корпуса от выходного узла.

На рисунках 1(b)-1(c) переходное поведение для входного напряжения (), выходного напряжения () и напряжения тела () показано для падающего и повышающегося выходных переходов соответственно. Когда он равен (0 В), BBG передает высокое (низкое) напряжение в сеть, тем самым подготавливая pull-down (pull-up) сеть для более быстрого переключения логических вентилей. Поскольку полевые МОП-транзисторы схемы переключения (подтягивающие или подтягивающие) уже смещены в прямом направлении до прихода входов затвора, выходному переходу в значительной степени способствует ток переключения, значительно более высокий по сравнению со случаем схемы ZBB CMOS. . Повышение скорости также существует в отношении конфигурации DTMOS. Фактически, переход входных сигналов не замедляется из-за задержки RC, вызванной телом, как это происходит в вентилях суб-DTMOS, тогда как высокая емкостная нагрузка, наблюдаемая BBG, не является узким местом скорости, поскольку напряжение всегда устанавливается задолго до перехода входов. Действительно, изучая переходное поведение, представленное на рисунках 1(b)-1(c), легко понять, что индуцированная телом задержка RC на выходе BBG представляет собой преимущество, поскольку она обеспечивает более медленный переход для тела. напряжение и, следовательно, более быстрый переход на выходе затвора.

Несмотря на ранее обсуждавшиеся преимущества в производительности, логические элементы GLBB демонстрируют несколько повышенный ток утечки по сравнению с их аналогами ZBB CMOS и DTMOS. Это в основном связано с тем, что переход выходного напряжения BBG не является переходом от рельса к рельсу (устройство PMOS используется для передачи низкого напряжения в сеть, тогда как NMOS-транзистор используется для передачи высокого напряжения). Это приводит к уменьшению порогового напряжения устройств с утечкой, принадлежащих к сети OFF (либо pull-down, либо pull-up) логической подсхемы в состоянии простоя. Дополнительный вклад в статическую потребляемую мощность логических вентилей GLBB будет вносить статический ток, протекающий в цепи BBG. Однако такой ток по своей природе ограничен обратным смещением корпуса транзисторов BBG (и всегда <0 в схеме BBG) и становится незначительным, если для реализации BBG используются устройства уменьшенного размера.

Чтобы оценить компромисс, потенциально предлагаемый предлагаемым подходом, кривые тока утечки () в зависимости от задержки показаны на рисунках 2(a)-2(b) в случае логических элементов NAND2 и NOR2 и для ZBB. Реализации CMOS, DTMOS и GLBB соответственно. Для объективного сравнения все логические элементы были рассчитаны для соотношения между цепями pull-up и pull-down, где было выбрано обеспечение симметричной задержки переключения при типичном NMOS, типичном PMOS (TT) угле процесса,   мВ, °C , время нарастания и спада 500 пс и емкостная нагрузка 1,2 фФ. Кривые были получены при изменении размерного коэффициента от 0,12  мк м до 1,2  мк м, с шагом 0,12  мк м. Представленные результаты нормализованы к данным, полученным для реализаций ZBB CMOS минимального размера.

Как и ожидалось, при паритете метод GLBB показывает ток утечки выше, чем у других конкурентов. Это означает, что среди различных оцененных вариантов стиль GLBB является менее подходящим, если минимизация статической мощности является основной целью проектирования. Напротив, если требование скорости представляет собой основную цель проектирования, стиль GLBB становится наиболее разумным выбором, позволяющим достичь более высокой производительности при равенстве потребляемой мощности утечки, поскольку повышающее действие BBG позволяет достичь целевого значения задержки с использованием транзисторы меньшего размера. Кроме того, метод GLBB позволяет работать в диапазонах производительности, недоступных как для конфигураций ZBB CMOS, так и для конфигураций DTMOS.

3. Контрольная схема и сравнительный анализ постмакета

Для дальнейшего подтверждения методики проектирования GLBB было спроектировано низковольтное зеркало FA, показанное на рис. 3, а послемакетирование было охарактеризовано по сравнению с соответствующими конструкциями ZBB CMOS и DTMOS. Четыре BBG используются для ускорения коммутации логических подсхем. Это означает восемь дополнительных устройств по сравнению со схемами CMOS и DTMOS.

Устройства, относящиеся к логическим частям сравниваемых схем, были рассчитаны с минимальной длиной канала (т. е.  нм), тогда как отношение ширины канала pull-up/pull-down было выбрано для получения сравнимой прочности для  V и °C, предполагая равную ширину для последовательно соединенных транзисторов.

В таблице 1 явно указано соотношение ширины между сетями pull-up и pull-down для сравниваемых проектов и различных конфигураций стекирования. Размерный коэффициент был выбран с помощью итеративного моделирования, предполагающего аналогичный ток утечки при номинальных условиях (т. е. угол процесса TT,  V и °C) для всех сравниваемых конструкций.

Чтобы правильно учесть влияние паразитных особенностей компоновки на производительность, физический дизайн сравниваемых схем был выполнен (см. рис. 4) с учетом правил проектирования, налагаемых технологией объемных КМОП с тремя колодцами ST 45 нм. Для конструкций DTMOS и GLBB глубокий слой N-лунок использовался для экранирования N-канальных устройств от общей подложки P-типа, таким образом получая области P-лунок, изолированные от нижележащей подложки. Каждая из этих областей по вертикали окружена областью N-well, чтобы обеспечить также латеральную изоляцию [14, 15]. Из-за расстояний, необходимых для обеспечения правильной изоляции корпуса между устройствами с разным смещением корпуса, реализации, использующие нетрадиционное смещение корпуса (например, DTMOS и GLBB), демонстрируют значительно увеличенную занятость кремниевой области по сравнению со схемой ZBB CMOS. В макете, оптимизированном по области, реализация DTMOS требует одной изолированной области P-well для каждого отдельного сигнала затвора транзистора, таким образом, требуется 5 различных изолированных участков P-well. Наоборот, в предлагаемом подходе количество изолированных островков P-типа сокращается до 4 (т.е. по одному на каждый BBG). Это, наряду с уменьшенным размером его транзисторов, приводит к тому, что предлагаемая реализация уменьшает занимаемую площадь кремния более чем на 50% по сравнению с конструкцией DTMOS. В таблице 2 представлены результаты сравнения после макета при номинальных условиях моделирования.

Сравнительные результаты задержки после компоновки, рассчитанные для диапазона от 0,2 В до 0,5 В с шагом напряжения 0,05 В, показаны на рисунке 5. Данные результаты нормализованы по отношению к задержке конструкции ZBB CMOS. Для  V предлагаемый подход позволяет уменьшить задержку до 34% и 24% по сравнению со стандартными реализациями CMOS и DTMOS соответственно. Глядя на вставку к рисунку 5, легко заметить, что при снижении напряжения ниже 0,45 В влияние FBB на повышение производительности снижается, но с разной скоростью для методов GLBB и DTMOS. В конечном итоге выигрыш в скорости, обеспечиваемый предлагаемым подходом по сравнению с обычной КМОП-схемой, снижается до 6% при минимальном рассматриваемом напряжении питания (т. е.   В). Наоборот, преимущества в скорости по сравнению с реализацией DTMOS становятся более выраженными, достигая 60% для  V (повышение скорости на DTMOS за счет FBB преодолевается негативным влиянием задержки RC, вызванной телом).

На рис. 6 показано сравнение для трех сравниваемых топологий цепей. Здесь нормировано значение конструкции КМОП для   В. Из-за принятого критерия размеров все схемы имеют одинаковые значения для   В (см. Таблицу 2). Однако это свойство не сохраняется для разных уровней напряжения питания. При падении ниже 0,3 В предлагаемый подход, основанный на уменьшении размеров транзисторов, приводит к наименьшему значению . Напротив, стандартная КМОП-ТВС имеет наименьшее значение для   В. Отметим, что при напряжении выше 0,45   В паразитные p-n-переходы DTMOS-приборов начинают проводить значительный ток, что резко увеличивает потребляемую мощность утечки ТВС на основе DTMOS.

На рисунках 7 и 8 сравнивается поведение энергии на операцию () по сравнению с тремя сравниваемыми реализациями схемы, оцененными при различных условиях работы. Результаты нормализованы по данным об энергии, полученным для обычной КМОП-схемы, оцененной при рабочих условиях  В, коэффициенте активности () 0,2 и времени тактового цикла () 80 FO4 (FO4 представляет собой задержку КМОП-инвертора, управляющего четырьмя идентичными инверторами). что характерно для схем СБИС малой мощности [19]. Точнее, на рисунке 7 представлены графики с учетом FO4 для , 0,2 и 0,3.

Учитывая наименьший коэффициент активности (), решение GLBB позволяет уменьшить его в пределах 15–27 % и 47–77 % по отношению к конструкциям ZBB CMOS и DTMOS соответственно. В основном это связано с уменьшенными размерами транзисторов (см. табл. 1) схемы GLBB, что позволяет уменьшить суммарные физические емкости на внутренних узлах схемы даже с учетом всех паразитных особенностей компоновки. Кроме того, предложенный метод смещения тела позволяет более быстрые переходы затворов, что, в свою очередь, уменьшает компонент короткого замыкания в динамической энергии. Вышеупомянутые преимущества подчеркиваются даже для больших коэффициентов активности (т. е. когда увеличивается вклад динамической энергии в общую сумму). Из-за ранее обсуждавшихся недостатков входной емкости, более крупных устройств и более длинных межсоединений реализация DTMOS оказывается очень энергоемкой. Кроме того, общее напряжение смещения устройств DTMOS может также изменяться, когда входные переходы не подразумевают переключение внутренних узлов схемы. Это еще больше увеличивает потребление динамической энергии из-за ненужной зарядки/разрядки больших емкостей корпуса.

На рис. 8 показаны зависимости времени и для FO4, 80 FO4 и 100 FO4. Следует отметить, что по мере увеличения вклада энергии рассеяния (т. е. при увеличении) предложенное решение продолжает сохранять значительные преимущества с точки зрения полной энергии, в том числе при напряжениях выше 0,3  В.

На рис. предлагаемый FA при использовании в 16-битном сумматоре с пульсирующим переносом (RCA). Следовательно, мощность тестируемой ТВС оценивается по максимальной частоте всего сумматора (для корректного учета вклада утечки), а задержка относится к тестируемому устройству в цепи ТВС. В приведенном выше сценарии GLBB FA снижает минимальную точку PDP на 22% и 68% по сравнению со схемами CMOS и DTMOS соответственно. Это достигается за счет повышения скорости на 17%/66% по сравнению с реализациями CMOS/DTMOS. Преимущество в скорости и PDP зафиксировано во всем диапазоне питания.

На рисунке 10 показано поведение сравниваемых цепей при изменении температуры от −25 ° C до 100 ° C для   В. Как показано на рисунке 10 (a), все цепи демонстрируют одинаковые токи утечки при низких рабочих температурах (<25 °С). Однако при повышении температуры ток утечки схемы DTMOS увеличивается быстрее, чем у ее аналогов, становясь примерно в 1,6 раза выше для °C. На рис. 10(б) показано, что ТВС ГЛББ сохраняет свои скоростные преимущества во всем рассматриваемом диапазоне рабочих температур.

Влияние изменчивости процесса было исследовано путем моделирования методом Монте-Карло (MC) 1000 образцов для  V и °C. В этом анализе учитывались как межудельные, так и внутриуставные флуктуации. Результаты утечки и задержки MC приведены на рисунках 11 и 12 соответственно. По сравнению со своими аналогами схема ZBB CMOS демонстрирует самый низкий средний ток утечки (-19 % и -9 % по сравнению с конструкциями DTMOS и GLBB, соответственно) с несколько более высокой изменчивостью тока утечки (% для конструкции CMOS по сравнению с % и 10,4% для растворов DTMOS и GLBB). С другой стороны, предлагаемый подход более устойчив к задержке. Фактически результаты задержки MC, представленные на рисунке 12, демонстрируют, что зеркальная ТВС, разработанная в соответствии с предложенным стилем конструкции, достигает средней задержки всего 0,5 мкс, что примерно на 20% и 28% ниже, чем у стандартной КМОП (0,63 мкс). и DTMOS (0,7 us) соответственно, при сохранении стандартного отклонения задержки около 0,21  мкс с.

4. Заключение

В этой работе были исследованы преимущества недавно введенной схемы смещения тела на уровне затвора ULV. Предварительный анализ, выполненный на простых логических элементах, показывает, что повышение скорости, обеспечиваемое предлагаемым подходом, позволяет схемам ULV GLBB достигать характеристик, недоступных как для обычных CMOS, так и для DTMOS конфигураций.

Чтобы учесть все паразитные эффекты поляризации тела на уровне затвора в случае более сложных схем, зеркальный полный сумматор GLBB был выложен и сравнен с его обычными аналогами CMOS и DTMOS. Результаты моделирования после компоновки показали, что стиль проектирования GLBB при равном потреблении мощности утечки способен обеспечить значительно более высокую производительность при сниженном общем потреблении энергии на операцию по сравнению с обычными реализациями CMOS и DTMOS. Площадь кремния, необходимая для полного сумматора GLBB, уменьшена вдвое по сравнению с эквивалентной реализацией DTMOS, но больше по сравнению с традиционной конструкцией CMOS. Наконец, моделирование Монте-Карло доказывает, что решение GLBB демонстрирует высокий уровень устойчивости к температурным колебаниям и изменениям процесса.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Ссылки

1. А. Ван и А. Чандракасан, «Подпороговый процессор БПФ на 180 мВ с использованием методологии проектирования с минимальным энергопотреблением», IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. 40, нет. 1, стр. 310–319, 2005 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. Б. Чжай, Л. Нажандали, Дж. Олсон и др., «Подпороговый сенсорный процессор 2,60 пДж/инст для оптимальной энергоэффективности», в Proceedings of the Symposium on VLSI Circuits (VLSIC ’06) , стр. 154–155, июнь 2006 г. ., «Конструкция со сверхнизким энергопотреблением — путь к исчезновению электроники и окружающего интеллекта», IEEE Circuits and Devices Magazine , vol. 22, нет. 4, стр. 23–29, 2006 г.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

3. С. Хэнсон, М. Сок, Ю.-С. Лин и др., «Низковольтный процессор для сенсорных приложений с режимом ожидания пиковатт», IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. 44, нет. 4, стр. 1145–1155, 2009 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

4. К. С. Чонг, Б. Х. Гви и Дж. С. Чанг, «Малоэнергетический процессор FFT/IFFT для слуховых аппаратов», в Proceedings of the IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS ’07) , стр. 1169–1172, Новый Орлеан, Ла, США, май 2007 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

5. А. Кайзерман, С. Фишер и А. Фиш, «Подпороговая двухрежимная логика», IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems , vol. 21, нет. 5, стр. 979–983, 2013.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. С. Хэнсон, Б. Чжай, М. Сеок и др., «Изучение изменчивости и производительности процессора с напряжением менее 200 мВ», IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. 43, нет. 4, стр. 881–891, 2008.

   Просмотр:

   Сайт издателя | Google Scholar

7. H. Soeleman, K. Roy и B.C. Paul, «Надежная подпороговая логика для работы со сверхнизким энергопотреблением», IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems , vol. 9, нет. 1, стр. 90–99, 2001.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

8. М. Радфар, К. Шах и Дж. Сингх, «Высокочувствительная и сверхмаломощная схема прямого смещения тела для преодоления серьезных изменений процесса, напряжения и температуры и экстремального масштабирования напряжения», Международный журнал теории цепей и приложений , том. 43, нет. 2, стр. 233–252, 2015 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

9. M. Meijer, J. Pineda de Gyvez и A. Kapoor, «Цифровой дизайн со сверхмалым энергопотреблением и смещением корпуса для малой площади и эффективной работы», Journal of Low Power Electronics , vol. . 6, нет. 4, стр. 521–532, 2010.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

10. П. Корсонелло, М. Лануцца и С. Перри, «Техника смещения тела на уровне затвора для высокоскоростных подпороговых логических вентилей CMOS», International Journal of Circuit Theory and Applications , vol. 42, нет. 1, стр. 65–70, 2014 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

11. M. Meijer и J. Pineda de Gyvez, «Стратегия проектирования с учетом смещения тела для КМОП-схем с эффективным использованием площади и производительности», IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) Systems , том. 20, нет. 1, стр. 42–51, 2012 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. M. R. Kakoee and L. Benini, «Мелкое управление питанием и смещением тела для почти пороговых субмикронных схем CMOS», IEEE Journal on Emerging and Selected Topics in Circuits and Systems , vol. . 1, нет. 2, стр. 131–140, 2011.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. М.-Э. Хван и К. Рой, «A 135  мВ 0,13  μ Вт, толерантная к процессу 6T подпороговая DTMOS SRAM в технологии 90  нм », в Proceedings of the Custom Integrated Circuits Conference (CICC ’08) , стр. 419–422, Сан-Хосе, Калифорния, США, сентябрь 2008 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

14. H. Mostafa, M. Anis, and M. Elmasry, «Новая схема прямого адаптивного смещения тела (D-ABB) с малой площадью над головой для компенсации отклонений от кристалла к кристаллу и внутри кристалла», Транзакции IEEE в системах очень большой интеграции (СБИС) , том. 19, нет. 10, стр. 1848–1860, 2011.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

15. К. Ванн, Ф. Ассадераги, Р. Деннард, К. Ху, Г. Шахиди и Ю. Тан, «Оптимизация профиля канала и разработка устройства для маломощного высокопроизводительного полевого МОП-транзистора с динамическим порогом, ” in Proceedings of the International Electron Devices Meeting (IEDM ’96) , стр. 113–116, Сан-Франциско, Калифорния, США, 1996.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Академия Google

16. G. O. Workman и JG Possum, «Сравнительный анализ динамического поведения полевых МОП-транзисторов BTG/SOI и схем с распределенным сопротивлением корпуса», IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 45, нет. 10, стр. 2138–2145, 1998.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

17. М. Лануцца, Р. Тако и Д. Альбано, «Динамическое смещение тела на уровне затвора для подпорогового цифрового проектирования», в Трудах 5-го Латиноамериканского симпозиума IEEE по схемам и системам (LASCAS ’14). ) , стр. 1–4, Сантьяго, Чили, февраль 2014 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

18. М. Алиото, «Прояснение и объяснение конструкции схемы СБИС со сверхнизким энергопотреблением: учебное пособие», IEEE Transactions on Circuits and Systems I , vol. 59, нет. 1, стр. 3–29, 2012 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

Copyright

Copyright © 2015 Ramiro Taco et al. Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Реплика GLED Андрея Мельниченко от Fighter

Привет,

Я присоединяюсь к клубу репликации GLED, используя схему, разработанную Крисом, все кредиты на схему принадлежат ему.

Также у меня есть одна из очень хороших печатных плат GLED, сделанных им, поэтому я хочу поблагодарить его за предоставленную мне возможность, это интригующий и очень объединяющий проект, и я думаю, что в этом проекте можно многому научиться (особенно в отношении Мельниченко). и устройства Акулы).

Это будет моим второстепенным проектом, первоочередной задачей остается проект фазы улучшения ZPM.

Я собрал два устройства (ссылка на увеличенное изображение здесь):

Одно сделано с использованием тестовой платы и проводной схемы, в нем используется сердечник обратноходового трансформатора Philips AT2076/80, электронная схема идентичен тому, который разработал Крис, но макет платы немного изменен, чтобы приспособиться к размещению ядра на плате.

Для дальнейшего использования я назову его GLED-Beta.

Я собрал его, ожидая поставку, содержащую печатную плату GLED от Криса, и я собираюсь использовать его в качестве тестовой платформы, где я могу легко менять компоненты и тестировать поведение, а также посмотреть, как работает сердечник обратноходового трансформатора. ведет себя (как используется в одном из устройств Акулы).

Итак, это GLED-Beta (ссылка на увеличенное изображение здесь):

Катушки изготовлены из медного провода диаметром 0,6 мм (ссылка на увеличенное изображение здесь):

Для дальнейшего использования я добавляю характеристики катушек здесь, как я измерил их с моим LCR.

Для меньшей катушки (ссылка на увеличенное изображение здесь):

Для большей катушки (ссылка на увеличенное изображение здесь):

и сердечник (ссылка на увеличенное изображение здесь):

Для этого катушка еще не построена, я опубликую характеристики здесь позже, когда они будут построены.

Для этого я собираюсь использовать медную фольгу для размещения под и над катушками (как мы все знаем, использовал Акула), поэтому я пока не могу начать сборку катушек, пока не найду источник для медной катушки, это все еще ожидается.

Что-то общее для обоих устройств: есть разъемы для интегральных схем, транзисторов и светодиодов, поэтому их можно легко заменить/поменять местами без выпайки и пайки.

Также, как и в GLED-Beta, я заметил некоторые различия в поведении при питании от батареи 9 В или питании от источника постоянного тока (я не знаю, почему существуют разные поведения, мне нужно исследовать) Я решил купить два 9 В аккумуляторы и зарядное устройство для них (ссылка на увеличенное изображение здесь):

Что-то я не указал, светодиоды выглядят нормально, но на самом деле это светодиоды на 12 В, я не уверен, что это нормально.

Какие светодиоды вы использовали?

Я буду публиковать обновления по мере того, как будет находить время для экспериментов и по мере продвижения проекта.