Voltage scaling interfaces for multi-voltage digital systems - Llanos, Roger Vicente Caputo (2015)
Os Sistemas Digitais de Múltiplas Tensões exploram o conceito de dimensionamento da tensão de alimentação através da aplicação de diferentes fontes para regiões específicas do chip. Cada uma destas regiões pertence a um domínio de energia e pode ter duas ou mais configurações de voltagens. Independentemente dos distintos níveis de energia em diferentes domínios de tensão, os blocos devem processar sinais com níveis lógicos coerentes. Nestes sistemas, os Conversores de Nível (LS do inglês Level Shifters) são componentes essenciais que atuam como interfaces de escalonamento da tensão entre domínios de energia, garantindo a correta transmissão dos sinais. Com a apropriada interface de escalonamento de tensão e sua correta implementação, pode-se evitar o consumo excessivo de potência dinâmica e estática. Portanto, a concepção e implementação de conversores de nível deve ser um processo consciente que garanta o menor sobrecusto no tamanho, consumo de energia, e tempo de atraso. Neste trabalho estudam-se as principais características das interfaces de escalonamento de tensão e se introduce um conversor de tensão com eficiência energética e área reduzida, adequado para a conversão de baixo a alto nível. Apresentam-se os conversores de nível com o melhor desempenho encontrados na literatura, os quais são categorizados em dois principais grupos: Dois trilhos (Dual-rail) e Único trilho (Single-rail), de acordo ao número de linhas de alimentação necessárias. O circuito proposto foi comparado com a topologia tradicional de cada grupo, o Differential Cascode Voltage Switch (DCVS) e o conversor de Puri respectivamente. Simulações na tecnologia CMOS 130nm da IBMTM mostram que a topologia proposta requer até 93,79% menos energia em determinadas condições. Esta apresentou 88,03% menor atraso e uma redução de 39,6% no Produto Potência-Atraso (PDP), quando comparada com a topologia DCVS. Em contraste com o conversor Puri, obteve-se uma redução de 32,08% no consumo de energia, 13,26% diminuição no atraso e 15,37% inferior PDP. Além disso, o conversor de nível proposto foi o único capaz de trabalhar a 35% da tensão nominal de alimentação.