I n t e r n at ion al  Jou r n al   of   E lec t r ical  an d   Com p u t e r   E n gin e e r in ( I JE CE )   Vol.   15 ,   No.   1 F e br ua r y   20 25 ,   pp.   208 ~ 223   I S S N:  2088 - 8708 ,   DO I 10 . 11591/i jec e . v 15 i 1 . pp 2 08 - 223             208       Jou r n al  h omepage ht tp: // ij e c e . iaes c or e . c om   Op t imiz in g p ow e r   c on su m p t io n  i n  n ov e e le c t r ic al  d e si gn  f or   si n gl e  e n d e d  c o m p a r at o r  c ir c u it       F ad Ne s s ir  Z gh ou l,   Waf aa  M ig d ad i,   M am ou n   Al - M is t ar ih i   D e pa r tm e nt  of   E le c tr ic a E ngi ne e r in g, U ni ve r s it y of  S c ie nc e  a nd T e c hnol ogy, I r bi d,  J or da n       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  M a 16,   2024   R e vis e S e 17,   2024   Ac c e pted  Oc 1,   2024       Co n t emp o rary   s o c i et y   el ec t ro n i c   t ec h n o l o g y   h a s   ev o l v e d   i n t o   p i v o t a l   co mp o n e n t   acro s s   v ari o u s   facet s   o o u l i v es .   It s   i n d i s p e n s a b i l i t y   i s   p art i cu l arl y   ev i d en t   i n   t h ad v an ceme n t   o me d i ca l ,   ag ri cu l t u ral ,   i n d u s t r i al ,   an d   o t h er  s ect o rs .   A s   t h i s   t ec h n o l o g y   co n t i n u es   t o   p l a y   cru ci al   ro l e,   o p t i mi zi n g   i t s   p erfo rma n ce  i n   t erm s   o s p ee d ,   accu racy ,   an d   en er g y   co n s u m p t i o n   b ec o mes   p aramo u n t .   T h i s   p a p er  i n t r o d u c es   n o v e l   el ec t ri ca l   d es i g n   fo t h t h res h o l d   i n v er t er  q u an t i za t i o n   c o mp ara t o ci rc u i t   ai m i n g   t o   meet   t h ev o l v i n g   d eman d s   o mo d ern   el ec t ro n i ap p l i c at i o n s .   T h p ro p o s ed   d es i g n   en h a n ces   t h cl as s i t h res h o l d   i n v er t er  q u a n t i zat i o n   co m p arat o r p erfo rma n ce  b y   s i g n i f i ca n t l y   re d u c i n g   i t s   p o w er  c o n s u m p t i o n .   T h ro u g h   ri g o ro u s   mat h ema t i ca l   an al y s i s   an d   s i mu l at i o n   res u l t s   i t   i s   d emo n s t ra t ed   t h a t   t h p r o p o s e d   co m p arat o d es i g n   ach i ev e s   remark ab l 5 0 %   re d u c t i o n   i n   p o w er  co n s u mp t i o n   c o mp are d   t o   t h c o n v en t i o n a l   t h re s h o l d   i n v er t er   q u a n t i zat i o n   co mp arat o r.   Su b s e q u e n t l y   t h n ew l y   d ev i s ed   d es i g n   i s   ap p l i e d   t o   t h c o n s t r u c t i o n   o f   4 - b i t   fl a s h   a n a l o g - to - d i g i t a l   co n v ert er  u s i n g   0 . 3 5   μm   co mp l emen t ary   met a l o x i d e s em i co n d u ct o ( CMO S )   t e ch n o l o g y .   K e y w o r d s :   Ana log  to  digi tal   c onve r ter   C ompl e menta r meta oxide  s e mi c onduc tor   F las a na log  to  digi tal   c onve r ter   S ingl e   e nde c ompar a tor   S witching  volt a ge   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i ce n s e.     C or r e s pon din A u th or :   F a di  Ne s s ir   Z ghoul   De pa r tm e nt  of   E lec tr ica E nginee r ing,   Unive r s it of   S c ienc e   a nd  T e c hnology   I r bid  22110 ,   J or da n   E mail:   F R Ne s s ir Z ghoul@j us t. e du. jo       1.   I NT RODU C T I ON   T he   c ompar a to r   is   the   ba s ic  e leme nt   in   buil ding   a na log - to - digi tal   c onve r ter s   ( AD C s ) .   T he   AD C   is   the  br idge  be twe e the  digi tal  s ys tems   a nd  the  r e a wor ld.   T he   a s toni s hing  de mand  f o r   high   pe r f or manc e   AD C s   is   pus hing  towa r ds   de s igni ng  ne c ompar a tor   topol ogies   to  opt im ize   powe r   dis s ipation,   s ize   a nd  s pe e d   tr a de - of f s .   T he   c ompar a tor   is   a e lec tr ica c ir c uit   t ha is   us e in  c ompar ing  two  inpu s ignals   a nd  pr oduc e s   a   digi tal  output   s ignal,   whic h   it s   va lue  de pe nds   on  the  c ompar is on  r e s ult .   T he   c ompar a tor   c ould  be   a   volt a ge   c ompar a tor   or   a   c u r r e nt  c ompa r a tor   a c c or ding   t the  c ompar is on   tec hnique  that  ha s   be e n   us e d.   Voltage   c ompar a tor s   a r e   mo r e   popular   than   c ur r e nt   c ompar a tor s   be c a us e   it   is   e a s ier   to  dis tr ibut e   volt a ge   r a t he r   than   c ur r e nt.   Voltage   c ompar a tor s   c ould  be   c las s if ied  int thr e e   main  types the  ope loop  c ompar a tor   [ 1] ,   p r e - a mpl if ier   latc he c ompar a to r   [ 2] [ 5] ,   a nd   f ull   d yna mi c   latc he c ompar a to r   [ 6] [ 9] .   s ingl e   c o mpar a tor   c ould  be   c ons ider e d   a   1 - bit   AD C .   T he   pe r f o r ma nc e   of   the  c ompa r a tor   ha s   a   c ons e que nti a e f f e c on   the  ove r a ll   pe r f o r manc e   of   the  AD C   [ 10 ] .   P owe r   c o ns umpt ion,   s ize   a nd  DC   bias   r e quir e ments   in   AD C s   a r e   a   pr im e   c onc e r f or   mobi le  de vice s   a nd  s tanda lone  s ys tems .   L owe r ing  the  powe r   c ons umpt ion,   de c r e a s ing  the   s ize   a nd  e li mi na ti ng  the  ne e f o r   dif f e r e nt  bias   vol tage s   by  us ing  a   ne type  of   c ompar a to r s   whic a r e   c a ll e s ingl e   e nde c ompar a tor s   is   the  ke a ns we r   to   thes e   is s ue s .     I their   pa pe r ,   R a i   e al .   [ 11 ]   de s igned  a   5 - bit   f las AD C   us ing  the  thr e s hold  inver ter   qua nti z a ti on   ( T I Q)   method   to   a c hieve   high   s pe e a nd  low  po we r   c ons umpt ion.   T he   AD C   is   im pleme nted  in   0. 18   μ m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Optimiz ing  pow e r   c ons umption  in  nov e e lec tr ical  de s ign  for   s ingl e   e nde …  ( F adi  N e s s ir   Z ghoul )   209   c ompl e menta r meta l oxide s e mi c onduc tor   ( C M OS)   tec hnology  with  a   s ys tem  volt a ge   of   1. 8   V.   T he   de s ign   incor por a tes   a   mul ti plexe r   a s   a   c ode   c onve r ter   to  e nha nc e   s pe e d.   T he   a uthor s   c onduc ted  a   c om pa r a ti ve   a na lys is   a mong  va r ious   AD C s .   P owe r   dis s ipation,   dif f e r e nti a non - li ne a r it ( DN L ) ,   int e g r a non - li ne a r it ( I NL ) ,   a nd  ga in   e r r o r   we r e   a s s e s s e d .   T he f ound  that  their   pr opos e AD C   outpe r f or ms   tr a dit ional   AD C s   in  ter ms   of   s pe e a nd  powe r   e f f icie nc y.   S pe c if ica ll y,   the   T I Q - ba s e de s ign  e li mi na tes   the  ne e d   f or   a   pa s s ive   r e s is tor   a r r a f or   r e f e r e nc e   volt a ge .   T he   r e s ult s   s howe im pr ove pe r f or manc e   with  lowe r   powe r   dis s ipation.   T he ir   de s ign  is   s uit a ble  f o r   moder n   c omm unica ti on  s ys tems   that  de mand  high - s pe e a nd  low - po w e r   AD C   s olut ions .   T he   c ompar a tor   is   the   ba s ic  e leme nt  in  buil d ing  AD C s .   T he   a s toni s hing  de mand  f or   high - pe r f or manc e   AD C s   is   pus hing  towa r ds   de s igni ng  ne c ompar a tor   topol ogies   to  opti mi z e   powe r   dis s ipation,   s ize ,   a nd  s pe e tr a de - of f s .   I their   pa pe r ,   P a va n   e al.   [ 12]   de s igned  a   5 - bit   f las AD C   uti li z ing  45   nm  C M OS   tec hnology.   T he   de s ign  c ons is ts   of   a   binar y   e nc ode r ,   c ompa r a tor ,   r e s is ti ve   ladde r   ne twor k ,   a nd  ther mom e ter   c ode   ge ne r a ti on.   T he   c ompar a tor   is   a ope r a ti on a a mpl if ier   that  goe s   thr ough  two  s tage s .   Optim izing  the  e nc ode r   c ir c uit   to  incr e a s e   bit   c ount  while  lowe r i ng  powe r   c ons umpt ion  wa s   the  main  goa l .   I or d e r   to  do   thi s ,   the   a uthor s   us e C M OS,   pa s s   tr a ns is tor ,   a nd   t r a ns mi s s ion  ga te  logi c   to   c ons tr uc a   2:1   mul t ipl e x e r - ba s e d   e nc ode r .   T he   r e s ult s   de mons tr a ted  s igni f ica nt   im pr ove ments   in   r e s olut ion   a nd  powe r   e f f icie nc y.   T he   s tudy   s uc c e s s f ull de mons tr a ted  that  a   we ll - opti mi z e e nc ode r   c ould  s igni f ica ntl r e duc e   powe r   c ons ump ti on  a nd   im pr ove   ove r a ll   pe r f or manc e   in  F las AD C   de s ign s .   c ur r e nt  c ompar a tor   us ing  s our c e   c oupled  logi c   ( S C L )   a nd  pos it ive  f e e dba c s our c e   c oupled  log ic  ( P F S C L )   s tyl e s   wa s   de s igned  by   B ha ti a   e al [ 13] T he   de s igned  c ompar a tor   c omp r is e s   thr e e   s tage s a   c ur r e nt - to - volt a ge   c onve r ter ,   a n   S C L   inver ter ,   a n a   P F S C L   inver ter .   T he   de s ign  wa s   I mpl e ment e us ing  0. 18   μ m   T a iwa n   s e mi c onduc tor   manuf a c tur ing   c ompany  ( T S M C )   C M OS  tec hnology .   A f ter   c o nduc ti ng  s im ulations   to  e va luate   the   c ompar a tor 's   pe r f or manc e ,   they   f ound   that  their   de s ign  a c hieve a   powe r   c ons umpt ion  of   28   µ W .   T he   de s ign  is   h ighl s uit a ble  f or   c ur r e nt   mode  AD C   a ppli c a ti ons .   T he r e   a r e   s e ve r a types   o f   c ompar a to r s   us e in  li ter a tu r e .   T im e - int e r lea ve a na log - to - digi tal  c onve r ter s   a r e   c omm on  [ 14] .   T he o f ten  s uf f e r   f r o ti mi ng  mi s matc he s   a high  f r e que nc ies .   R e c e nt  wor ha s   a ddr e s s e thi s   i s s ue .   Σ - Δ   AD C s   a r e   a ls us e in  many  a ppli c a ti ons ,   s uc a s   E C s ignal s   [ 15] .   T he i r   c ompl e xit a nd  high - powe r   c ons umpt ion  a r e   dr a wba c ks .   R e c e nt  e f f or ts   ha ve   im pr ove d   DC   Σ - Δ   AD C s   f or   E C s ignals .   T he s e   c ir c uit s ,   a nd  many  othe r s ,   us e   c ompl e menta r meta oxide  t r a ns is tor s   [ 16] .   T he   s ingl e   e nde c ompar a tor   c ompar e s   the  a na log  input   s ignal  with  the  s witching  volt a ge .   T he   va r iation  of   the  s witching   volt a ge   va lues   is   made   by  the  va r iation   in   the  length   a nd  the   width   of   th e   P - type  meta oxide  s e mi c onduc tor   ( P M OS )   a nd  the  N - ty pe   meta oxided  s e mi c onduc tor   ( NM OS )   tr a ns is tor   of   the   c ompar a tor   [ 17] .   I n   f las AD C s   a   r e s is tor   a r r a c ir c uit   is   us e in  or de r   to   pr ovide  the  va r iatio in  the   r e f e r e nc e   volt a ge .   B us ing  the  s ingl e   e nde c omp a r a tor   the  r e s is tor   a r r a c ir c uit   is   e li mi na ted,   whic c a be   c ons ider e a s   a   gr e a t   im pr ove ment   to   the   f las h   AD C   [ 18 ] Als o,   the   s a mpl e   a nd   hold  c i r c uit   will   be   e li mi na ted,   thus   will   r e duc e   the   powe r   dis s ipation  a nd   the   s ize   of   the   c ompar a tor .   An  N - bit   f la s AD C   r e quir e s   a   2 1   dif f e r e nt  r e f e r e nc e   volt a ge s ,   thus   a   2 1   c ompar a tor s   with  di f f e r e nt   s witching  volt a ge s   a r e   ne e de d.   T he   us e   of   c onve nti ona l   T I Q   c ompar a tor s   ha s   be e e f f e c ti ve .   Un f or tunate ly,   the   c onve nti ona l   T I Q   c ompar a tor s   of ten   s uf f e r   f r o high   powe r   dis s ipation.   T he   ke y   is s ue s   include   high  s hor t - c ir c ui powe r   dis s ipation,   dyna mi c   powe r   c ons umpt ion,   a nd  lea k a ge   powe r .     S ingl e   e nde c ompar a tor   c ir c uit   c ould  be   modi f ie by  us ing  a   c a s c a d e s tage   of   a   C M OS  inver ter ,   thi s   c ir c uit   c a ll e the  T I Q   c ompar a tor   [ 18 ] [ 23 ] .   T he   T I c ompar a tor   e nha nc e s   the  a c c ur a c of   th e   s ingl e   e nde c ompar a tor .   T he   a c c ur a c o f   the   T I c omp a r a tor   c a be   f ur ther mor e   i mpr ove by   c onne c ti ng  a nother   T I a s   a   s e c ond  s tage .   T he   c os of   im pr ov ing  t he   a c c ur a c is   a n   incr e a s e   the  powe r   dis s ipation  a nd  a n   incr e a s e   in  the  a r e a   of   the  c ompar a to r   [ 24 ] [ 26 ] .   T r e duc e   the   powe r   dis s ipation  f o r   the   T I Q   c omp a r a tor   a NM OS  a nd  a   P M OS  tr a ns is tor   a r e   a dde a nd  both   a c a s   a   r e s is ti ve   loads   [ 27] ,   [ 28] .   T h is   c ir c uit   r e d uc e s   the  powe r   dis s ipation  but  it   a ls r e duc e s   the  ga in.   I o r de r   to   a c hieve   both  high  ga in   a nd  low   powe r   dis s ipation  a   ne T I Q   topo logy   is   pr opos e d   in   thi s   pa pe r .   T he   mathe matica a na lys is   a nd  s im ulation   r e s ult   will   s how  that   the  pr opos e T I c ompar a tor   r e duc e s   the  powe r   dis s ipation  of   the  c las s ic  T I c ompar a tor   to  ha lf   while   ha ving  the  s a me  ga in.   W e   int r oduc e   a   nove de s ign  f or   the  T I c ompar a t or   that  s igni f ica ntl r e duc e s   powe r   dis s ipation  by   50%   c ompar e d   to  the  c las s ic  T I Q   c ompar a tor .   T he   de s ign  maintains   the  s a me  ga in.   T his   e f f icie nc is   a c hieve by  uti li z ing  s tac ke NM OS  a nd  P M OS  t r a ns is tor s .   Additi ona ll y,   the   ne T I Q   de s ign  is   a pp li e to  a   4 - bit   f las AD C .   B im pleme nti ng   the  4 - bit   f la s AD C   us ing  the  de s igned  c ompar a tor   de mons tr a tes   a im pr ove pe r f o r manc e   metr ics .     T his   pa pe r   will   be   or ga nize d   a s   f oll ows :   s e c ti on  2   of   thi s   pa pe r   r e view s   the   ope r a ti on   of   the   c las s ic  T I Q   c ompar a tor   a nd   the   a na lys is   of   it s   ga in   a nd  powe r   dis s ipation.   T he   mathe matica l   ga in   a n powe r   dis s ipation  a na lys i s   of   the  pr opos e T I c ompar a tor   a nd  it   is   ope r a ti on  will   be   s hown  in  a ls in  s e c ti on  2.   I n   s e c ti on  the   pr opos e d   T I is   e mpl oy   in   a   4 - bit   f la s AD C .   T he   s im ulation  r e s ult   o f   the  p r opos e d   c o mpar a tor   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   C omp   E ng ,   Vol .   15 ,   No.   1 F e br ua r y   20 25 :   208 - 223   210   de s ign  a nd  the  4 - bit   f las AD C   e mpl oy  the   pr op os e   c ompar a tor   will   be   dis c us s e in  s e c ti on  3,   f i na ll the   c onc lus ion  in  s e c ti on  4.       2.   M E T HO D   I s ingl e   e nde d   c ompar a tor s   the  input   s ignal   is   c o mpar e with   the  s witching   volt a ge   o f   the  inver ter .   I f   the  input   s ignal  is   higher   than  the  s witching  volt a ge   the  output   of   the  c ompar a tor   is   1   other wis e ,   the  output   of   the   c ompar a tor   is   0 .   One   o f   the  m os popular   s ingl e   e nde d   c ompar a tor   de s igns   is   the  T I Q   c ompar a tor ,   whic is   s hown  in  F ig ur e   1.   T he   f ir s s tage   is   us e to  s e lec the  qua nti z a ti on  leve l,   while  the  s e c ond  s tage   is   us e to  a mpl if the  ga in   of   the  c om pa r a tor .           F igur e   1 .   C las s ic  T I c ompar a to r       I the  f i r s s tage ,   the  qua nti z a ti on  leve is   de ter mi ne by  a djus ti ng  the  width  a nd   length  of   the   P M OS  a nd  the   NM OS.   Us ua ll y,   the   lengths   o f   both   NM OS  a nd   P M OS  t r a ns is tor s   a r e   e qua l   s o,   the  qua nti z a ti on  leve de pe nds   on ly  on   the   width   of   t he   tr a ns is tor s .   S ince   the   mobi l it o f   the  e lec tr ons   is   gr e a ter   than  the  mobi li ty   of   the  holes   by   a   f a c tor   of   thr e e ,   t he   s witching  volt a ge   is   e qua to:      = 3 2 1 (   ) +  1 + 3 2 1   ( 1 )     w he r e ,    t h p t h n ,   W 1 ,   a nd  W 2   a r e   the  s witching  vo lt a ge ,   the  P M OS  thr e s hold  volt a ge ,   NM OS  th r e s hold  volt a ge ,   width  o f   the   tr a ns is tor   1   a nd  3   a nd  width  o f   the  tr a ns is tor   2   a nd  4 .   T he   ne xt   s ubs e c ti ons   s how  the  mathe matica a na lys is   of   the  ga in   a nd  powe r   c ons umpt ion  of   the   c las s ic  T I c ompar a tor .     2. 1.     Gai n   an alys is   f or   t h e   c las s ic  T I c om p ar at or   T he   s mall   s ignal  e quivale nt   c ir c uit   f or   the   T I Q   c ompar a tor   in   F ig ur e   is   s hown   in   F ig u r e   2 ,   whic h   c a be   us e to  f ind   the  ga in   of   the  c a T I c ompar a tor .     = ( 4 .  4 3 .  3 ) . ( 3 | | 4 )   ( 2 )      3 =  4 = ( 2 .  2 1 .  1 ) . ( 1 | | 2 )   ( 3 )      1 =  2 =      ( 4 )     S ubs ti tut ing  the  va lue  o f   vin   f r om  ( 4)   in to  ( 3 ) :      3 =  4 =  ( 1 + 2 ) ( 1 | | 2 )   ( 5 )     B s ubs ti tut ing  ( 5)   int ( 2)   the   ga in  o f   the  T I Q   c ompar a tor   is   f ound  to   be :     = [ ( 2 + 1 ) . ( 3 + 4 ) . ( 1 | | 2 ) . ( 3 | | 4 ) ]   ( 6 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Optimiz ing  pow e r   c ons umption  in  nov e e lec tr ical  de s ign  for   s ingl e   e nde …  ( F adi  N e s s ir   Z ghoul )   211   B o t h   b r a n c h e s   h a ve   t h e   s a me   s w i t c h i n g   vo l t a g e ,   t h us ,   t h e   t r a ns c o nd u c t a nc e   o f   t r a n s is t o r s   1   a nd  3   i s   e q ua l   t o :     1 = 3 = 2  ( ) [  ]   ( 7 )     T he   tr a ns c onduc tanc e   of   t r a ns is tor s   2   a nd  4   is   e qua t o:     2 = 4 = 2  ( ) [   | | ]   ( 8 )     T he   nit e   ou tput   r e s is tanc e   of   tr a ns is tor s   1   a nd  3   is   e qua to:     1 = 3 = 1  [  ] 2 . ( )   ( 9 )     T he   nit e   ou tput   r e s is tanc e   of   tr a ns is tor s   2   a nd  4   is   e qua to:     2 = 4 = 1  [   | | ] 2 . ( )   ( 10 )     T hus ,   the  ga in   is   e qua to:     = [ ( 2 , 4 + 1 , 3 ) . ( 2 , 4 | | 1 , 3 ) ] 2   ( 11 )           F igur e   2.   S mall   s ignal  e quivale nt  c ir c uit   of   c las s ic  T I c ompar a to r       2. 2.     P owe r   c on s u m p t ion   an alys is   of   t h e   c las s ic  T I c om p ar at or   T he r e   a r e   thr e e   type   of   powe r   c ons umpt ion  that   c ontr ibut e   the   tot a l   powe r   dis s ipation  of   the   T I Q   c ompar a tor .   T he   s hor c ir c ui powe r   dis s ipation   ,   t he   dyna mi c   powe r   dis s ipation    a nd  the  lea ka ge   powe r   dis s ipation  P L .   T he   lea ka ge   powe r   dis s ipation   ha s   a   ne glec ted   e f f e c t   in   the   tot a l   powe r   dis s ipation  whic h   e qua to:     =  +   ( 12 )     2. 2. 1.   S h or t   c irc u it   p owe r   d is s ip at ion   W he both  of   the  P M OS  a nd  the  NM OS  tr a ns is tor s   a r e   s im ult a ne ous ly  on,   a   dir e c c ur r e nt  pa th   be twe e the  powe r   s upply  a nd  gr ound  will   be   bui lt   whic lea to  pr oduc e   a   s tatic  powe r   dis s ipation  c a ll e d   s hor t - c ir c uit   powe r   dis s ipation.   T his   dir e c t   pa th   is   buil t   whe n   the  inpu vo lt a ge   e qua l   to   <  <  .   T he   s hor t - c ir c uit   powe r   d is s ipation  is   f ound  us ing  two  methods the  s qua r e - law   M OS  models   a n the    α - powe r   meta oxide  s e mi c onduc tor   f ield  e f f e c tr a ns is tor   ( M OSF E T )   model .   I thi s   r e s e a r c h,   the  s qua r e - law   M OS  models   will   be   us e d.   L e us   a s s ume  that  the  input   vo lt a ge   is   a   puls e   f u nc ti on  with  r is ing  a nd  f a ll ing   de lay  ti me   e qua to   = =   And  it   ha s   a   pe r iod   ti me   e qua l   to  T   a s   s hown  in   F ig ur e   3 .   Als o,   let   us   a s s ume  that   the  s witching   point   volt a ge   e qua l   to   0. 5   V DD .   T he n ,   the  ti me   th a take s   s hor t   c ir c uit   c u r r e nt   to   incr e a s e   f r om   it s   mi nim um  va lue  to  it s   maximum   va lue   will   e qua to   the   ti me  that   take   the   s hor t   c ir c uit   c ur r e nt   it   de c r e a s e   f r om  it s   maximum   va lue  to  it s   mi n im um  va lue  whic e qu a 2 1 .   Dur ing   2 1 P e r iod  the  NM OS  tr a ns is tor   1   will   be   in   the  s a tur a ti on  r e gion  a nd  the  f i r s s tage   s hor c ir c uit   c ur r e nt   will   e qua l   to:     . 1 =  ( ) . [  ] 2   ( 13 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   C omp   E ng ,   Vol .   15 ,   No.   1 F e br ua r y   20 25 :   208 - 223   212   T he   a ve r a ge   s hor c i r c uit   c ur r e nt  of   the  f ir s s tage   will   e qua to:     1 = 2 . 2 .  ( ) . [  ] 2 .  2 1   ( 14 )     w he r e :      =  =  .   ( 15 )     1 = .    ( 16 )     2 = [  | | + ] . 2 .    ( 17 )     T s im pli f y   the  de r ivation ,   let  a s s ume  | | = ,   the   a ve r a ge   f ir s s tage   s hor t   c ir c uit   c ur r e nt  will   e qua to:     1 = 4 . [  . ] 2 2      1 =  . 6 .  . . ( ) ( 0 . 5  ) 3   ( 18 )           F igur e   3 .   S hor c ir c uit   c ur r e nt   of   the  T I c ompar a t or       T he   s hor t   c ir c uit   c ur r e nt   of   the   s e c ond  s tage   w il be   e qua l   to   the   dr a in   c ur r e nt   of   the   P M OS   tr a ns is tor   4 ,   the  P M OS  tr a ns is tor   4   a c in  the  s a tur a ti on  r e gion  du r ing  the  ti me  be twe e 1   a nd  2 .   T he   input   volt a ge   of   the  t r a ns is tor   4   is   the  f ir s s tage   out put   ̄ .   T he   f ir s s tage   output   dur ing   the  ti me  1   a nd  2   will   e qua to:     ̄ =  +  2 2  .  + 2 .  .   ( 19 )     T he   s e c ond  s tage   s hor c ir c uit   c u r r e nt  du r ing  the   ti me  be twe e 1   a nd  2   is   e qua to:      2 =  ( ) . [  ̄ | | ] 2   ( 20 )     T he   a ve r a ge   s hor c i r c uit   c ur r e nt  of   the  s e c ond  s tage   is   e qua to:     2 = 4  . ( ) [  ̄ | | ] 2  2 1     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Optimiz ing  pow e r   c ons umption  in  nov e e lec tr ical  de s ign  for   s ingl e   e nde …  ( F adi  N e s s ir   Z ghoul )   213   2 = 4  . ( ) .  2 [           1 3 ( 1  ) 3 + (  ) 2 2 2  0 . 325 + 2 3  2 15 ( 2  ) 5 2 + ( 2  ) 3 2 ]             ( 21 )     T he   tot a s hor t   c ir c uit   powe r   dis s ipation  will   be   e q ua to:      =  . ( 1 + 2 )   ( 22 )     I c a be   no tes   f r om   e qua ti on  a bove   that   the  s hor c ir c uit   pos it ively  de pe nds   on  the   tr a ns is tor   s ize ,   the  tr a ns is tor   thr e s hold  volt a ge   a nd  the  input   s ignal  s pe e d.     2. 2. 2.   Dynam ic  p owe r   c on s u m p t ion   o f   t h e   c las s ic  T I c om p ar at or   Dyna mi c   powe r   r e f e r s   to  the  powe r   that  dyna mi c a l ly  va r ies   with  ti me.   I the  c las s ic  T I c ompar a tor   c ir c uit   the  dyna mi c   powe r   c ons umpt ion  is   pr od uc e f r om  c ha r ging   a nd  dis c ha r ging  the   output   load.   L e t   a s s ume  that  the   output   load   is   e qua l   to   ,   a s   s hown  i F ig u r e   4 ,   a nd   the  input   volt a ge   is   a   puls e   wa ve   w it pe r iod  ti me  e qua .   W he the  input   volt a ge   moves   f r om  z e r to   V DD ,   the  loade c a pa c it or   will   s tar to  c ha r ge   it s   volt a ge   f r om   z e r to   V DD ,   the  output   load  c ha r gi ng  powe r   c ons umpt ion  e qua to:     = 1 . 1 2 0 ( ) . [  ] .    ( 23 )     w he r e       ( ) = (  )    ( 24 )     So ,   the   a ve r a ge   c ha r ging  dyna mi c   powe r   c ons umpt ion  will   e qua l   to:     = 1 (  )  (  ) .  2 0     = 1 2  2   ( 25 )     T he   output   will   dis c ha r ge   to   z e r o   whe the   inpu s ignal  move   f r om     to   z e r o ,   the   dis c ha r ging   powe r   c ons umpt ion  will   e qua l   to:       = 1 2 ( )  2   ( 26 )     w he r e     2 ( ) =    ( 27 )     B s ubs ti tut ion  ( 28)   in  ( 27 ),   the  a ve r a ge   dis c ha r gin powe r   c ons umpt ion  will   e qua to:      = 1   2      = 1 2  2   ( 28 )     T he   a ve r a ge   dyna mi c   powe r   dis s ipation  will   e qua to:     = +      = 1  2   ( 29 )     I c ould  be   noted   that   dyna mi c   powe r   c ons umpt ion  is   indepe nde nt   of   the  c i r c uit   de s ign.   Dyna mi c   powe r   c ons umpt ion  de pe nds   pos it ively  on  the  input   s ignal  s pe e a nd  the  output   load.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   C omp   E ng ,   Vol .   15 ,   No.   1 F e br ua r y   20 25 :   208 - 223   214   2. 3.     P r op os e d   T I c om p ar at or   d e s ign   T he   pr opos e low  powe r   dis s ipation  T I c ompar a tor   is   s hown  in  F ig ur e   4.   T he   s c he matic  c a ptur e f r om   the  s im ulator   f or   the  p r opos e T I c ompar a tor   is   s hown   in   F ig ur e   5.   T he   c ir c uit   is   im plem e nted   in     0. 35   um  tec hnology.   T he   s ymm e tr ica NM OS  tr a ns is tor s   Q1,   Q3  a c a s   a   s ingl e   N M OS  tr a ns is t or ,   c a ll e d   s tac ke NM OS  tr a ns is tor ,   whe r e   the  width   o f   thi s   tr a ns is tor   ha s   the  s a me  width   o f   t r a ns is tor s   Q1   a n Q3  but   the  length   of   thi s   tr a ns is tor   is   double   the   length   of   t r a ns is tor s   Q1  a nd   Q3 .   T he   s a me  thi ng   f o r   th e   P M OS  tr a ns is tor s   Q2  a nd  Q4  a c a s   a   s ingl e   P M OS  tr a ns is tor ,   c a ll e s tac ke P M OS  tr a ns is tor .   T he   s tac ke tr a ns is tor   idea   is   e mpl oye to  r e duc e   the  powe r   dis s ipation  of   the  c las s ic  T I c ompar a tor   to  ha lf   without   a ny  e f f e c in  the  c ompar a tor   ga in   a s   will   be   pr ove in   the  ne xt   s ubs e c ti ons .           F igur e   4.   P r opos e T I Q   c ompar a tor   c i r c uit           F igur e   5.   S c he matic  o f   the  p r opos e T I Q   c ompar a t or       2. 3. 1.   Gai n   an alys is   f or   t h e   p r op os e d   T I c om p ar at or   T he   e quivale nt   c ir c uit   of   the   pr opos e T I Q   c om pa r a tor   is   s hown  in   F ig u r e   6 ,   whe r e   the   s tac ke NM OS  1   a nd  3   tr a ns c onduc tanc e   is   e qua to:     1 = 3 = 0 . 5 1 , 3 , 5 , 7     1 = 3 = 2  ( 2 ) [  ]   ( 30 )     And  the  tr a ns c onduc tanc e   of   the   s tac ke P M OS  tr a ns is tor   2   a nd  4   is   e qua to:     2 = 4 = 0 . 5 2 , 4 , 6 , 8     2 = 4 = 2  ( 2 ) [   | | ]   ( 31 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Optimiz ing  pow e r   c ons umption  in  nov e e lec tr ical  de s ign  for   s ingl e   e nde …  ( F adi  N e s s ir   Z ghoul )   215   T he   nit e   ou tput   r e s is tanc e   of   NM OS  s tac ke tr a ns is tor s   1   a nd  3   is   e qua to :      1 =  3 = 2  1 , 3 , 5 . 7      1 =  3 = 1  [  ] 2 . ( 2 )   ( 32 )     T he   nit e   ou tput   r e s is tanc e   of   P M OS   s tac ke tr a ns is tor s   2   a nd  4   is   e qua to:      2 =  4 = 2  2 , 4 , 6 , 8      2 =  4 = 1  [   | | ] 2 . ( 2 )   ( 33 )     T he   s mall  s ignal  e quivale nt  c ir c uit   of   the  c ir c uit   s hown  in  F ig ur e   5   is   s hown  in  F ig u r e   6 .   T he   ga i of   thi s   c ir c uit   is   e qua to:     = [ ( 2 , 4 + 1 , 3 ) . (  2 , 4 | |  1 , 3 ) ] 2   = [ ( 0 . 5 2 , 4 , 6 , 8 + 0 . 5 1 , 3 , 5 , 7 ) . ( 2 2 , 4 , 6 , 8 | | 2 1 , 3 , 5 , 7 ) ] 2     = [ ( 2 , 4 , 6 , 8 + 1 , 3 , 5 , 7 ) . ( 2 , 4 , 6 , , 8 | | 1 , 3 , 5 , 7 ) ] 2   ( 34 )     F r om  ( 34 )   i c a be   no ted   that  the  pr opos e T I c o mpar a tor   ha s   the  s a me  ga in  as   the   c las s ic  T I c om pa r a tor .           F igur e   6.   S mall   s ignal  e quivale nt  c ir c uit   of   the  p r o pos e T I c ompar a tor       2. 3. 2.   P owe r   c on s u m p t ion   an alys is   f or   t h e   p r op os e d   T I c om p ar at or   F r om  the   pr e vious   s e c ti on,   ther e   a r e   two  a f f e c ted  t ype s   of   powe r   c ons umpt ion  that  c ont r ibut e   to   the   tot a powe r   dis s ipation  of   the  c ompar a to r :   s ho r c ir c uit   powe r   c ons umpt ion  a nd   the  dyna mi c   powe r   dis s ipation.   T he   dyna mi c   powe r   dis s ipation  de pe n ds   on  the  output   load  a nd   the   input   s ignal  s pe e d   o nly,   doe s   not  de pe nd  on  the  c ir c uit   de s ign.   W hil e   the  s hor c ir c uit   c ur r e nt  is   a f f e c ted  pos it ively  with   the  widt to  the   length  r a ti o   of   e a c tr a ns is tor .   As   mention  be f or e ,   the   pr opos e T I c ompar a to r   double   the  length   of   e a c tr a ns is tor .   L e us   c ons ider   the  e f f e c of   thi s   in   the  s hor c ir c uit   powe r   c ons umpt ion.   As   the  a s s umpt ion  in  s e c ti on  2 ,   the  input   volt a ge   is   a   puls e   f unc ti on  with  r is ing  a nd  f a ll ing  de lay   ti me  e qua to  = =   a nd  it   ha s   a   pe r iod  ti me  e qua to  .   T he   s tac ke NM OS  tr a ns is tor   1   will   be   in  the   s a tur a ti on  r e gion   dur ing   the   ti me   be twe e 1   a nd   2 ,   s hown  in  F ig ur e   3,   the   f i r s s tage   s hor t   c i r c uit   c ur r e nt  dur ing  thi s   pe r iod   is   e qua to :     .  1 =  ( 2 ) . [  ] 2   ( 35 )     T he   a ve r a ge   f i r s s tage   s hor c ir c uit   c ur r e nt   is   e qua to      1 = 2 . 2 .  ( 2 ) . [  ] 2 .  2 1      1 =  . 12 .  . . ( ) ( 0 . 5  ) 3   ( 36 )     I c a be   s e e f r om   ( 36)   a nd  ( 18)   that  the  a ve r a ge   f ir s s tage   s hor c ir c uit   c ur r e nt  of   the  pr opo s e T I Q   c ompar a tor   is   ha lf   the  a ve r a ge   f ir s s tage   s hor c i r c uit   c ur r e nt   of   the  c las s ic  c ompar a tor .      1 = 0 . 5 1   ( 37 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2088 - 8708   I nt  J   E lec   C omp   E ng ,   Vol .   15 ,   No.   1 F e br ua r y   20 25 :   208 - 223   216   T he   P M OS  s tac ke tr a ns is tor   4   will   be   a the  s a tur a ti on  r e gion  du r ing  the  t im e   be twe e 1   a nd  2 .   T hus ,   t he   s e c ond  s tage   s hor c ir c uit   c ur r e nt   dur ing   the  ti me   b e twe e 1   a nd  2   is   e qua to:     2 =  ( 2 ) . [  ̄ | | ] 2   ( 38 )     T he   a ve r a ge   s hor c i r c uit   c ur r e nt  of   the  s e c ond  s tage   is   e qua to:        2 = 4  . ( 2 ) [  ̄ | | ] 2  2 1      2 = 2  . ( ) .  2 [           1 3 ( 1  ) 3 + (  ) 2 2 2  0 . 325 + 2 3  2 15 ( 2  ) 5 2 + ( 2  ) 3 2 ]             ( 39 )     Als o,   the  a ve r a ge   s e c ond  s tage   s hor t   c ir c uit   c ur r e nt  of   the  pr opos e T I Q   c ompar a tor   is   e qua to   ha lf   the   a ve r a ge   s e c ond  s tage   s hor c ir c uit   c ur r e nt .      2 = 0 . 5 2   ( 40 )     L e us   c ons ider   the  e f f e c o f   the  p r opos e T I Q   c om pa r a tor   in   the  s hor c i r c uit   powe r   dis s ipation.       =  . ( 0 . 5  1 + 0 . 5  2 )  . (  1 +  2 ) = 0 . 5   ( 41 )     As   c a be   s e e in  ( 41) ,   the  pr opos e T I c ompar a t or   r e duc e s   the  s hor c ir c uit   powe r   dis s ipation  of   th e   c las s ic   T I Q   c ompar a tor   to   ha lf .   T he   p r opos e T I c ompar a tor   ha s   no  e f f e c in  the  dyna mi c   powe r   dis s ipati on  of   the   c las s ic  T I c ompar a tor ,   be c a us e   the  dyna mi c   pow e r   c ons umpt ion  is   indepe nde nt   of   the  c i r c uit   de s ign .     2. 4 .    4 - B it   f las h   ADC  e m p loyi n t h e   p r op os e d   T I c om p ar at or   Us ua ll y,   the  f las AD C   is   c ons i s ts   of   thr e e   pha s e s the  s a mpl e   a nd  hold  pha s e ,   qua nti z a ti on  pha s e   a nd  the  e nc oding  pha s e .   T his   is   not  the  c a s e   wh e n   the  T I c ompar a tor   is   e mpl oye in  the  f las AD C   de s ign,   be c a us e   T I c ompar a tor   e li mi na tes   the  ne e of   s a mpl e   a nd  hold  pha s e .   Not  only  the  s a mpl e   a nd  ho ld  pha s e   will   be   e li mi na ted  whe the  T I c ompar a tor   is   e mpl oye in  the  f las AD C   de s ign;   a ls o,   the  r e s is ter   a r r a y   c ir c uit   will   be   e li mi na ted.    T h is   will   r e duc e   the  s iz e ,   the   de s ign  c ompl e xit y   a nd   the  powe r   dis s ipation  of   the   AD C .   T he   f las h   AD C   e mpl oy   T I Q   c ompar a to r   c ons is of   two   s tage s   a r e   the  qua nti z a ti on   s tage   a nd  the   e nc oding  s tage .   T he   qua nti z a ti on  s tage   will   be   buil on ly  f r om  th e   T I c ompa r a tor s .   F o r   N - bit   f las AD C ,   2 1   T I c ompar a tor s   with  di f f e r e nt  s witching  volt a ge s   a r e   r e quir ing .   T he   s witching  volt a ge   c ould  be   a dj us ted  by  va r ying  P M OS   tr a ns is tor   to  NM OS   tr a ns is tor   wid th  r a ti o   a s   in   ( 1) .   I thi s   pa pe r   a   4 - bit   f las AD C   will   be   de s ign  with  input   volt a ge   r a nge   f r om   0. 9   to   2 . 3   V,   thi s   f las h   AD C   r e qui r e   a   15   dif f e r e nt   pr opo s e T I Q   c ompar a tor s   with  dif f e r e nt  NM OS  t r a ns is tor   to  P M OS  tr a ns is tor   width  r a t io.     T he   qua nti z a ti on  pha s e   ha s   15  output s   s ignal  de noted  by   ,   whe r e   0 14 .   T his   15 - output   s ignal  will   be   matc he d   with   4 - bit   binar y   c ode   in   t he   e nc oding  pha s e .   T he   output   bit s   of   the   e nc oding  pha s e   a r e   de noted  by   ,   whe r e   0 3 .   T he   e nc oding  pha s e   wil be   buil t   f r om   2 × 1   M UX   c ir c uit .   F ig ur e   s hows   the  4 - bit   f las AD C   c ir c uit   [ 29 ] ,   [ 30] .   T he   a c c ur a c of   the  AD C   c a be   inves ti ga ted  by  de ter mi ning  the  AD C   s ignal  to  nois e   r a ti ( S NR ) ,   DN L   a nd  I NL .   S ignal   to   nois e   r a ti r e f e r s   to  the  output   s ignal  powe r   to   the   nois e   s ignal   powe r   r a ti o.   T he   S NR   c a be   f ound   us ing  ( 42) :     = 20 ( 2  2 2 )   ( 42 )     w he r e ,     = [ ]   ( 43 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt  J   E lec   C omp   E ng     I S S N:   2088 - 8708         Optimiz ing  pow e r   c ons umption  in  nov e e lec tr ical  de s ign  for   s ingl e   e nde …  ( F adi  N e s s ir   Z ghoul )   217   whe r e   ,   ,   a nd     R   r e f e r   to   the  nu mber   o f   the  outp ut  c ode   bit ,   the  volt a ge   dif f e r e nc e   be twe e two  s uc c e s s ive  c ode ,   the  a ve r a ge   qua nti z a ti on  e r r or ,   the  r e a c ode   tr a ns it ion  a nd  idea c ode   t r a ns it ion  r e s pe c ti ve ly.   As   the  S NR   incr e a s e   the  im muni ty  of   the  AD C   a ga ins the  nois e   is   incr e a s e .   T he   D NL   or   the  dif f e r e nti a nonli ne a r i ty  r e f e r s   to  the  dif f e r e nc e   be twe e the  idea a nd  the  a c tual  input   c ode   width  a nd  it   given   by  ( 44 ) .   T he   I NL   or   the  in tegr a l   nonli ne a r it y   r e f e r s   to   the   de viation   the   idea outpu t   c ode   a nd   th e   a c tual  output   c ode   a nd   it   given   by  ( 45) .   T he   DN L   a nd  I NL   va lue  mus t   be   be low   0. 5     or   the   AD C   will   give  wr ong  output   c ode .      = + 1 1   ( 44 )      =    ( 45 )     whe r e     i s   the  volt a ge   a the  i th   c ode   whe r e   0 < 2 ,   N   r e f e r s   to  the   number   o f   b it   in   the   output   c ode ,   a nd     r e f e r s   to   the   mi ni mum   volt a ge   c ode .   Ne xt  s e c ti on   will   s how   the   s im ulation  r e s ult   o f   the   4 - bit   f las A DC   e mpl oying  pr opos e T I c ompar a tor   de s ign.           F igur e   7.   4 - bit   f las AD C   c i r c uit       3.   RE S UL T   AN DI S CU S S I ON   T he   opti mum   c ompar a tor   de s ign  ha s   low   powe r   dis s ipation,   high  a c c ur a c y,   a nd  high  s pe e d.   T he s e   f e a tur e s   c ould  be   inves ti ga ted  by  mathe matica a na lys is   or   by  s im ulation.   I the  pr e vious   s e c ti ons ,   the  mathe matica a na lys is   of   the   pr opos e T I c ompa r a tor s   wa s   pe r f o r med.   I n   thi s   s e c ti on,   the  s im ulati on  r e s ult   of   the   pr opos e c ompar a to r s   de s igns   will   be   s how n.   0 . 35   µ m   C M OS  tec hnology  is   us e f o r   s im ulati on  with   3. powe r   s upply,   the  P M OS  th r e s hold  volt a ge   e qua to  0. 657   a nd  the  NM OS  thr e s hold  vol tage   e qua to   0. 4979  V.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.