电路图纸-一种新型高精度电流型排序电路.pdf

第 2 0卷第 8期 1 9 9 9年 8月 半导体学报 Cm NESE J OURNAL OF S EM I CONDUCTORS Vo 1 2 O NO 8 Au g 1 9 9 9 一 种新型高精度电流型排序电路 大 嘲 摘要本文提 出了一种结构简单而精度较高 的电流型排序电路 这种 电路结构教 为简单 其复 杂度仅为 0 其控制 电路与偏置 电路也都比较简单 它具有一定的自适应性 该捧序电路主 要 由 wTA 网络 艘发 电路以爱开关 电流跟踩 保持 电路组成 它的分辩精度取决于 WTA 电 路 再现精度则主要由 P MO S电流镜和跟踪 保持 电路决定 其分辨精度在 1 之内 而其再现 知的输入变量按照升序或降序进行排列 数据结构 中甩到的排序算法 比较多 如常用的有 冒 泡排序法 快速排序法以及归并排序和选择排序等 但这些算法甩 V L S I 实现相对比较困 难 在模式信息处理中 对于排序网络还要求不仅要找出哪个是最大的 哪个是次最大的 而 且还要给出最大值是多少 次最大值是多少等 为此本文提 出了一种复杂度为 0 N 而精度 较高的电漉型排序电路 它不仅能够把 个输入电流按从大到小的顺序分时输出 而且还 给出哪个是最大的 哪个是次最大 的等 这种功能对于模式分类有着重要的意义 该排序电 路的制作工艺完全与标准数字 C MOS工艺兼容 易于实现更大规模 2 排序电路结构及 H S P I C E樱拟 本文所提出的排序电路如图 l 所示 图中只给出具有四个输入端 口的排序电路 事实上 其规模很易于扩展 图中D锁存器是一个带复位的具有正反时钟信号输入和正反输出信号 的主从 D触发器 非对称反相器的作甩是为了更好地和前级 电平匹配 该排序电路主要由 一 个高精度的电流型 WT A 电路 以及控制电路和输出跟踪 保持 电路组成 它具有以下优 点 国家 自然科学基金资助璜目 6 9 6 3 6 0 3 0 栗国星舅 1 9 7 0 年出生 博士研究生 研究方 向为人工神经阿络与模糊逻辑且其 V L S I 实现 模担及教 摸混合橐 成电路 F ma i l l L g x d p s i m e t s i n g h u e d u c n 石秉学舅 1 9 3 6年出生 教授 博士生导师 从事人工神经网络且摸期系统集成电路实现 模担与 I C MO S教 横 混合集成电路与幕统研究 1 9 9 8 0 4 2 7收 到 l 9 9 8 1 0 2 8定 辅 维普资讯 8 期 栗 国星等 一 种新型 高精 度 电流 型排 序 电路 图 1 四端 电流型 排序 电路 电路 复杂度低 其复 杂度仅 为 0 复杂度 为输入端 口数与所 用管子数 的关 系 该 关 系如为线性则复杂度便为 0 不需要外加偏置 电流或偏置 电流 电路结构简单 它是一个具有 自适应能 力的系统 其维持功耗很低 因为在输入电流为零时 WT A电路与跟踪 保持 电路都不工作 而 控制 电路 的功耗也 比较低 动态范围较宽 所处理电流可以从几微安到几百微安范围内变化 精度较高 相对精度在 1 以内 需要的时钟较 少 规模 易于扩展 该排序电路的分辨精度取决于 WT A 电路的精度 而其再现精度则 由P MOS电流镜以 及电流跟踪 保持 电路所决定 该 电路的工作原理如下 当复位信号 R e使所有 D锁存器的 输出为零后 在 L o a d信号为高电平时 个未知电流输入到该排序电路 如果其中 最大 则由 WTA网络选 出 L并使其对应输 出端 变为高电平 该高电平打开其对应的开关管 s 并同时触发控制电路使其在以后的 L o a d信号到来时一直关断 L的输入 由于 WTA每 次 L o a d信号到来时只输出一个高 电平 因此也只有一个开关管 s 导通 所以在每个 L o a d 内 N管 M 上的 电流总是输入到 WTA 中的最大 电流的再现 此时 C K1为高 对 j 进行跟 踪 在 CK1变低后 该开关 电流跟 踪 保持 电路仍能保持这一跟 踪电流 这样 在下一个 L o a d 信号到来时 便可选择出次最大者 依此类推至选出所有的输入 电路为止 对于四输入排序 电路 其 时序要求 如 图 2所示 其 实该排 序 电路 对图 2中的时 序要 求 并不严 格 一方 面 是 L o a d信号 可在 Re信 号变 低后 任何 时间 内到 达 另一方 面是跟 踪时 钟 只要在 L o a d信号 为 高后到来即可 一般希望跟踪时钟 C K n能在 L o a d信号为高 1 后到达 因为 WT A 的收敛 时间小于 1 s 维普资讯 半导体学报 0 0卷 为了提高该排序电路的精度 实际电路中尽量使WT A 中的 NMO S管的宽长比大一些 以提高其跨导 因为 WTA 的分辨精度与这些 NMOS管的跨导成正 比 其精 度正 比于 g m M r d 由于 wTA 网络中每个单元相当于一个改进 的 Wi l s o n电流镜 这样 不仅 提高 了输 出阻 抗 而且也改善了直流失配 因此该 WT A具有较高的分辨精度 而 P MO S电流镜则采取共 源共栅结构以减小沟长调制效应和提高输出阻抗 对于开关 电流跟踪 保持 电路 为了提高 其输出阻抗 减小负载效应 可以采用如图3所示的 R G C R e g u l a t e d G a t e C a s e o d e 结构0 R 1 Lo d CK1 CK2 CK3 CK 4 n r 1 r n I 1 I I I q 图 2 排序 电路 控制 信号 时序 图 图 3 RGC结 构 的跟 踪 保 持 电路 为了检验该排序电路 我们对其进行 了多种情况下的 HS P I C E模拟 对于一个四输入 排序电路 下面给出的是三种较为典型输入情况下的 H S P I C E模拟结果 第一种情况下 6 5 A I 6 Z v A I 3 6 O v A I 4 5 O v Af 第二种 输入 情况 为 I l 一6 5 A I 6 0 t A I 3 5 5 v A I 一5 0 A 第三种输入情况为 I l 1 6 5 A I 2 1 6 3 v A I 3 1 5 5 A I 1 5 0 v A 它们 分别代表低 中 高三种输入情况 其对应的输出如表 1 所示 衰 1 从上表可以看出 对于高 中 低三种输入情况 该排序 电路的输出相对误差均在 1 以 内 该结果与文献E 4 相比 具有明显的优点 其一是复杂度较低 它与输入变量成线性关系f 其二是规模易于扩展 其三是需要的偏置和控制信号较少 f 而最明显的优点是其相对精度比 较高 不象文献 4 那样 输入电流信号越小 其绝对误差越大 在小输入情况下 其相对误差 在 1 0 左右 图 4 是对于四端 口排序电路在中输入 电流情况下 H S P I C E模拟 的输出结果 四端的输 入分别为 I 5 0 v A I 4 0 A I 3 5 A I 3 0 v A 图 4 a 是排序电路中 wT A 的输出 该 WTA 分时输 出 O O O O 图 4 b 则是排序 电路 中 MOS管 M 中的漏 电流 它是 每个 L o a d周期内输入到排 序电路 中对应最大输 入 电流的再现 该 MOS管 是组成开关 电流 跟 踪 保持 电路 的公共管 流 经该 管的 电流在 不 同的时刻在对应 时钟信号 CK 1 4 的 作用下由相应的 N MOS管 M 跟踪并保持下来 其对应输出电流为 o 一 模拟输出结果如 维普资讯 8期 栗 国星等 一 种新 型高 精度 电流 型排序 电路 7 3 1 图 4 c 所示 从 以上模 拟结果 可 以 看 出 该排 序 电路 正确地 实现 了排 序 的功 能 它 把 四 个输 入 电流 J 按从大 到 小的顺序进 行排 序 其排序 结果 分 时输 出并依 次指 明哪一端 输入是 最大 的 哪一 端输 入是次最大 哪一端输入 电流是最 小的 从 模拟 结果 也可 以看 出 由于 开 关管 存在 时钟馈送 电荷 注入效 应 使得 电流跟 踪 保 持 电路 中的 M 1 4 管 中的 电流在开关 管 截 止 时有所 降低 这种 现象在 开关 电流 电路 中普 遍存 在 它也是 制 约 开 关 电流 技 术广 泛 应 用 的 一 个 主 要 问题 虽然 不少 文献 5 6 中提 出 了减 小其影 响的方 法 但在 保持 跟 踪 保 持 电路 的 MOs管 尺寸 不 变 的情况 下 简单 易行 的办法 就是 引 入 哑 d u mmy 管 降低 时钟 C K 的高 电平 也 可 以较 明显 的减 小这 一 效应 因为时钟信号控制的开关 管 传送 的是 电压信号 只要 开关管 能 够 导 通 电压 信 号 便 可 传 送 过 去 此 时 因开 关动作 而 注入 到保持 管 M 上 的误 差 电荷 则 减 小 了 因 x ol 5 oo 口 O 3 2 l 0 一 a 一 一 一 一 1 0 2 0 3 0 4 0 mO mOs o 肿 O 口 图 4 四端 电流型排序电路的 HS P I C E模拟输 出波形 为在开关管 电容不变的情况下 注入的电荷与时钟信号的电平成正比 3 结论 本文提出的电流型排序电路 不仅具有较高 的精度 其输入 电流的分辨 能力在 1 以 内 动态范 围较宽 可工 作 电流在几微安到几百微安 而且复杂度也较低 所 需的管子数与输 入端数成线性关系 与文献 4 相 比 该排序电路还具有需要的时钟和控制信号以及偏置较 少 等优 点 因此 该排 序 电路具 有 自适 应性 另一 方 面 它 还可 以 实现 wTA 以及 MAx和 MI N的功能 如果复位信号 R e和加载信号 L o a d始终为高 则该排序电路便成为常规的电 流型 WTA 电路 如果 只用一个开关 电流跟 踪 保持时钟 C K1 则 l o v 的输 出便是 最大输入 电流的再现 因此此 时它实现的是一个 MAX 电路 而 如果 只使 用 C K4 则 J 0 t 4 便 是四个输 入 电流 中最 小输 入 电流 的再现 因此此 时它 所实现 的便是 一个 MI N 电路 该排序 电路 不仅 结构简单灵活 而且由于开关电流技术的应用 其工艺完全与标准数字 C MO S工艺兼容 因 此它很易于V L S I 的实现 目前其核 L 模块 WT A已成功地用 2 mC MO S工艺制作出来 这 维普资讯 7 3 2 半导体学报 2 0卷 种结构的电路将用于手写体数字识别中 并于八月份在上海贝岭用 1 2 m标准数字 C MO S 工艺进行流水 参 考 文 献 1 王雷 主编 计 算机拄 术与工 程应 用基础 天津 天 津大学 出版社 1 9 9 1年 2 栗国 星 石秉 学 半导 体学报 1 9 9 8 1 9 7 5 3 2 5 3 7 3 S B i h y k a n d M I s ma i l An a l o g 1 C D e s l n g t h e C u r r e n t Mo d e Ap p r o a c h e d C T o u ma z o u a 1 P e t e r Pe r e g r a ms Lt d 1 99 3 4 林各 石秉 学 半导体 学报 1 9 9 8 1 9 2 1 4 4 5 0 5 T S F ie z I E EE J S o l i d S t a t e C J u i t s 1 9 9 1 2 6 9 1 9 2 2 0 1 6 R H Z e e e t a 1 I E EE J S o l i d S t a t eCi r c u i t s 1 9 9 3 2 8 5 5 6 9 5 7 5 No v e l Cur r e nt M o de S or t e r wi t h H i gh Re s o l ut i o n Li Gu o x i n g S h i Bi n g x u e I mt i t u t e o f Mi c r o e l e c t r o a i c s T Mn g8 u a Ur d v s l ty Be i j i n g 1 0 0 0 8 4 Re c e i v e d 27 A p r i l 1 9 9 8 r e v i s e d n mn us c r i pt r e c fiv e d 2 8 Oc t o be r 1 9 9 8 Ab s t r a c t A n o v e l c u r r e n t mo d e s o r t e r c i r e u i t wi t h c o mp a c t s t r u c t u r e a n d h i g h r e s o l u t i o n i s p u t f o r wa r d i n t hi s p a p e r Th i s s o r t e r h a s fl s i mp l e s t r u c t u r e wi t h t h e c o mp l e x i t y o f O a n d a