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Low-Power Digital-Schaltungen

Der Betrieb digitaler Schaltungen bei niedrigen Spannungen ist ein weit verbreiteter Ansatz zur Reduzierung der Verlustleistung. Das Konzept Minimum Energy per Operation Point, d.h., Anpassung der Versorgungsspannung zwecks Ausführung einer Operation mit der minimal benötigten Energie, hat zu einem hohen Interesse an Schaltungen mit sehr niedrigen Versorgungsspannungen geführt. Der zugehörige Arbeitspunkt liegt typischerweise bei Versorgungsspannungen von ca. 200-300mV und damit unterhalb der Schwellenspannung moderner Transistoren.

Im Gegensatz zu diesen Minimum Energy per Operation Point Schaltungen liegt der Schwerpunkt unserer Forschung auf digitalen Schaltkreisen für niedrigste Versorgungsspannungen (engl. ultra low-voltage). Zentrale Anwendung dieser Forschung sind Schaltungen, für deren Betrieb generell nur sehr niedrige Versorgungsspannungen zur Verfügung stehen, wie beispielsweise im Bereich des Energy Harvesting. Eine weitere Anwendung ist durch Schaltungen gegeben, welche permanent eingeschaltet sind und daher niedrigste Verlustleistung aufweisen sollen. Hierzu zählen beispielsweise Aufweckschaltungen, die bei Bedarf weitere Schaltungsblöcke einer Schaltung aktivieren, diese ansonsten jedoch in einen Schlafmodus versetzen.
 

ST-InverterFoto-D-Chip
CMOS Schmitt-Trigger Inverter

 Foto des Testchips

Die zentrale Herausforderung bei dem Design digitaler Schaltungen für sehr niedrige Versorgungsspannungen liegt in der Bereitstellung zuverlässiger Signalpegel Low / High. Diese Bereitstellung wird insbesondere dadurch erschwert, dass Aktivströme bei sehr niedrigen Versorgungsspannungen Größenordnungen aufweisen, welche sonst lediglich bei Leckströmen zu beobachten sind. Zur Verbesserung des Schaltverhaltens der Digitalgatter wird daher eine Rückkopplung verwendet, bei der die kritischen Leckströme aus dem Signalpfad in den Rückkopplungspfad geleitet werden. Das Konzept wurde erfolgreich in einer integrierten Schaltung evaluiert und ermöglicht einen aktiven Betrieb von digitalen Schaltungen bei einer Versorgungsspannung von minimal 62mV. Ferner kann der von einem Schmitt-Trigger-Inverter abgeleitete Ansatz auf beliebige Digitalgatter übertragen werden.

Aktuelle Forschungsaktivitäten widmen sich unterschiedlichen Fragestellungen. Hierzu zählt die Evaluierung der Dominanz von Transistormismatch über andere Prozessparameter. Letztere wurde auf Basis eines mathematischen Modells für Effekte bei minimalen Versorgungsspannungen nachgewiesen und für eine 130nm Technologie verifiziert. Des Weiteren gilt es, Modelle zur Evaluierung von Spannungspegeln in Blöcken komplexer kombinatorischer oder sequentieller Logik zu entwickeln. Für Schaltungen mit normaler oder geringer Versorgungsspannung ist diese Fragestellung als "von geringer Bedeutung" zu bewerten, im Falle extrem geringer Versorgungsspannung hingegen als "kritisch". Schließlich werden derzeit weitere Anwendungen unter Verwendung des Ansatzes "Schmitt-Trigger" implementiert. Neben einer Demonstration der Anwendbarkeit des Konzeptes liefern diese Anwendungen wertvolle Erkenntnisse, um sowohl Designkriterien als auch Leistungsmerkmale zu quantifizieren. Darüber hinaus wird ein Vergleich mit Implementierungen in Standard CMOS-Technologie ermöglicht, insbesondere für solche mit Versorgungsspannungen nahe der kritischen Versorgungsspannung.

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