بخشی از مقاله
چکیده
تکنیک های مختلفی برای کاهش توان تقویت کننده مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام معایب خاص خود را دارا هستند - افزایش تعداد ترانزیستورها، کاهش سوئینگ خروجی - . در مدار پیشنهادی، یک طراحی جدید برای تقویت کننده کلاس AB با توان مصرفی بسیار کم پیشنهاد شده است. توان بوسیله بایاس ترانزیستورها در ناحیه وارونگی ضعیف - زیرآستانه - کاهش داده شده است. استفاده از روش جبرانسازی با میلر کسکود به ازای پهنای باند مشخص، نسبت رد سیگنال، توان بالاتر و مصرف توان پایینتر را ارائه می دهد.
با توجه به فقدان دقت مدل ها در ناحیه بایاس زیرآستانه و مشکل بودن طراحی در این ناحیه، تقویت کننده نتایج رضایت بخشی را ارائه می دهد. مزایای تقویت کننده پیشنهادی غلبه بر عدم تطابق در ورودی می باشد. ولتاژ آفست با استفاده از معادلات تحلیلی بیان شده بعنوان تابعی از عدم تطابق ورودی و تأخیر زمانی بدست آمد. پارامترهای تقویت کننده پیشنهادی شامل توان مصرفی 0/39 - میکرو وات - ، حاشیه فاز 50 - درجه - ، پهنای باند 940 کیلوهرتز، آهنگ تغییر - - 130 و بهره - 74/6 dB - DC بدست آمد.
واژه های کلیدی تقویت کننده تمام تفاضلی، کلاس AB، تکنولوژی 180 نانومتر، توان مصرفی پایین
مقدمه
هنگامی که توان خروجی و بازده در یک مدار تقویت کننده خطی مورد نظر باشد، از تقویت کننده های توان استفاده می شود. ولی منظور از تقویت کننده توان، تقویت کننده ای است که توان قابل ملاحظه ای به بار بدهد. تقویت کننده های توان جزء تقویت کننده های سیگنال بزرگ بشمار می آیند. همچنین میتوان گفت تقویت کننده های توان معمولاً در طبقه نهایی یک تقویت کننده قرار می گیرند، امپدانس خروجی پایینی دارند. از جمله مشخصات اصلی این نوع تقویت کننده ها، راندمان بالا، توان تلفاتی کم، بهره جریان بالا، اعوجاج کم و ... می باشد.
مهمترین نکته که در طراحی این نوع تقویت کننده باید در نظر داشت این است که توان تلف شده در طبقه خروجی ترانزیستورها باید کم باشد .در ساخت مدارات الکتریکی موارد مختلفی از جمله: پایین بودن توان مدار، دارا بودن پهنای باند مناسب، دارا بودن افزاره های مداری مناسب برای ارتقای کلی سیستم مدار دارای اهمیت می باشند. مهمترین بلوک سازنده در مدارات آنالوگ و مختلط1 - آنالوگ-دیجیتال - تقویت کننده است. هنگامی که توان خروجی و بازده در یک مدار تقویت کننده خطی مورد نظر باشد، از تقویت کننده های توان استفاده می گردد.
منظور از تقویت کننده توان ، تقویت کننده ای است که توان قابل ملاحظه ای به بار بدهد. تقویت کننده های توان معمولاً در طبقه نهایی یک تقویت کننده قرار می گیرند، زیرا امپدانس خروجی پایینی دارند. از جمله مشخصات اصلی این نوع تقویت کننده ها از جمله: راندمان بالا، توان تلفاتی کم، بهره جریان بالا، اعوجاج کم و ... می باشد .
هدف این مقاله طراحی یک تقویت کننده است که در ضمن مصرف توان بسیار کم و ولتاژ تغذیه بسیار پایین و با حداقل تغییرات هدایت انتقالی، قابلیت نوسان در هر دو طبقه ورودی و خروجی را داشته باشد. با توجه به اینکه در اکثر مواقع بهبود یک پارامتر در تقویت کننده منجر به خراب شدن پارامترهای دیگر می شود، برآورده کردن خواسته های فوق بصورت همزمان در طراحی تقویت کننده مشکل می باشد که اهمیت انتخاب ساختار مناسب و تخصص طراح را در برقراری مصالحه بین پارامترها نشان می دهد.
در این مقاله سعی شده است تا با انتخاب ساختار مناسب و جدید به پارامترهای دلخواه دست یافت. طرح کلی تقویت کننده پیشنهاد شده در این مقاله نشان داده شده است. در تقویت کننده پیشنهادی یک طبقه ورودی خط به خط2 با کنترل هدایت انتقالی، جبرانسازی میلر کسکود و طبقه خروجی کلاس AB معرفی شده است. روش کنترل هدایت انتقالی در مدار مستلزم بایاس ترانزیستورها در وارونگی ضعیف است که به ولتاژ و توان بیشتری برای عملیات مدار نیاز دارند، همچنین میزان تغییرات هدایت انتقالی بالا و در حد %20 می باشد.
نواحی عملکرد
مطالعه مشخصات ترانزیستورهای ماسفت در طراحی مدارات مجتمع آنالوگ بسیار مهم است. از مهمترین خصوصیات الکتریکی ترانزیستور ماسفت در هنگام طراحی تقویت کننده های ولتاژ پایین، ولتاژ گیت-سورس می باشد، که مینیمم ولتاژ تغذیه را در نقاطی که تقویت کننده قادر به کار است، تعیین می کند. ولتاژ گیت سورس با هدایت انتقالی در ارتباط است. از آنجایی که ترانزیستور ماسفت یک افزاره1 راه اندازی شده با ولتاژ است، هدایت انتقالی لازم، ولتاژ گیت-سورس یک ترانزیستور را تعیین می کند. در حقیقت ولتاژ گیت سورس جریان بین سورس و درین را کنترل می کند. این کنترل را میتوان در مدارات آنالوگ برای ایجاد بهره و در مدارات دیجیتال برای تغییر حالت کلیدی بکار گرفت .
موجبات مصرف توان
در جریان عملیات توسط مدارات انرژی به هدر می رود. سه عامل عمده در اتلاف توان مدار های مجتمع سهیم هستند. دینامیک: مصرف توان دینامیک که به وسیله شارژ و دشارژ خازنها - معمولاً طفیلی - ایجاد می شود. استاتیک: مصرف توان استاتیک که ناشی از جریان غیر صفر ترانزیستورهای خاموش در مدارهای دیجیتال یا جریان بایاس در مدارات آنالوگ است. مدار کوتاه: در زمان کلید زنی در ماسفت، برای یک لحظه کوتاه، هر دو ترانزیستور نوع n و نوع p فعال هستند و یک جریان اتصال کوتاه لحظهای مستقیماً از منبع تغذیه به زمین جاری می شود.
توان دینامیک سهم عمده را در مصرف توان در مدارهای دیجیتال بر عهده دارد. توان دینامیک یک مدار دیجیتال برابر است با:که در آن، میانگین خازن داخلی و بار، VDD ولتاژ تغذیه و N میانگین تعداد ترانزیستورهای لازم برای کامل کردن یک دستورالعمل یا یک کار در ثانیه هستند. این تعداد به فرکانس کلاک و عامل های دیگر مرتبط با طرح های معماری وابسته است. توان استاتیک در مدارهای دیجیتال به کل جریان ترانزیستورها در حالت خاموشی و در مدارهای آنالوگ به جریان بایاس بستگی دارد.
توان استاتیک برابر است با: برای تکنولوژی های CMOS رایج با ولتاژهای آستانه بالا، این توان کوچک است و فقط اتلاف توان را در حالت آماده به کار2 تحت تأثیر قرار می دهد. اما، در آنالوگ و تعدادی از ساختارهای دوقطبی دیجیتال، سهم اصلی را در مصرف توان دارد. کل جریان مدار کوتاه که در مصرف توان سهیم است: اگر زمان های خیز و نزول سیگنال ها در مقایسه با پریود آن ها کوچک باشند، این بخش می تواند نادیده انگاشته شود. از آنجا که دراغلب موارد این حالت برقرار است، از توان مدار کوتاه چشم پوشی می شود. بنابراین کل مصرف توان به خوبی با دو بخش اول تقریب زده می شود.
همانطور که می دانیم سهم عمده مصرف توان در تقویت کننده برابر است با: رابطه فوق نشان دهنده آن است که کوچک شدن ولتاژ تغذیه یا جریان بایاس، سبب کاهش مصرف توان می شود. اثر کاهش ولتاژ تغذیه در کم شدن توان مصرفی کوچک است، ضمن آنکه چالش های بسیاری در مدارهای ولتاژ پایین وجود دارد، اما اثر کاهش جریان بایاس در کم شدن توان مصرفی می تواند تا چند صد برابر باشد.
کاهش جریان بایاس مستلزم بایاس شدن ترانزیستور در ناحیه زیر آستانه می باشد. بنابراین در طراحی اکثر تقویت کننده های توان پایین از ترانزیستورهای بایاس شده در ناحیه زیر آستانه استفاده می شود.بایاس ترانزیستورها در ناحیه زیر آستانه منجر به آن می شود که به جریان های کوچکی در حد میکرو آمپر نیاز باشد. چندین محدودیت برای افزاره عمل کننده در ناحیه زیر آستانه وجود دارد: پاسخ فرکانسی ضعیف است.جریان های زیر بنا- سورس - درین - ناشی از پیوند بایاس معکوس زیر بنا -چاه، لزوماً در مقایسه با جریان درین زیر آستانه قابل چشم پوشی نیستند.
طراحی و شبیه سازی
امروزه روش های متعددی برای کاهش تغییرات هدایت انتقالی در سراسر محدوده ورودی ارائه شده است. در این مقاله، برای رسیدن به توان بسیار پایین که از پارامترهای مهم در طراحی تقویت کننده پیشنهادی می باشد، ترانزیستورها در ناحیه وارونگی ضعیف - زیرآستانه - بایاس می شوند. هدف اصلی طبقه خروجی تقویت کننده تحویل دادن مقدار مشخصی از توان سیگنال به داخل یک بار با سطوح پائین قابل پذیرشی از اعوجاج سیگنال است. در یک محیط ولتاژ و توان پائین، این هدف باید با استفاده کارآمد از ولتاژهای تغذیه بعلاوه جریان تغذیه حاصل شود. بنابراین محدوده ولتاژ خروجی باید تا حد امکان بزرگ باشد. برای رسیدن به این مقصود، ترانزیستور های خروجی باید بصورت سورس مشترک متصل شوند.
یک استفاده مؤثر از جریان تغذیه مستلزم آن است که ماکزیمم جریان سیگنالی که به یک بار تحویل داده می شود چندین برابر جریان خاموشی طبقه خروجی باشد. برای انجام این کار ترانزیستورها باید در کلاس AB بایاس شوند. هنگام طراحی یک طبقه خروجی ولتاژ پائین، مقدار مینیمم ولتاژ تغذیه در طبقه خروجی فعال با ولتاژ گیت- سورس ترانزیستورهای خروجی تعیین می گردد، که می تواند مقدار بزرگی باشد، بویژه هنگامیکه طبقه خروجی موظف به تأمین جریان های سیگنال خروجی بزرگ است.
اگر سطح ولتاژ منبع تغذیه کوچک باشد، ولتاژ موجود برای نشان دادن سیگنال کاهش می یابد. در نتیجه، محدوده دینامیکی اهمیت پیدا می کند . برای ثابت نگه داشتن محدوده دینامیکی با ولتاژ تغذیه پایین تر، نویز حرارتی در مدار باید به همان نسبت کاهش یابد. بنابراین ظرفیت خازن مورد استفاده در مدار باید افزایش یابد تا نویز با کاهش روبرو گردد. در این حالت تقویت کننده توانایی راه اندازی بارهای بزرگتر و استفاده در وضوح بالاتر را خواهد داشت.
همیشه یک مصالحه بین نویز و توان مصرفی وجود دارد . با توجه به مطالب بیان شده میتوان نتیجه گرفت با استفاده از طبقه خروجی کلاس AB توان مصرفی تقویت کننده راه اندازی شده با خازن بزرگ کاهش می یابد. در حالت کلی یک تقویت کننده کلاس AB از بخش های مختلفی تشکیل شده است که به شرح زیر می باشد:-1 دریافت سیگنال ورودی-2 تقویت دامنه سیگنال ورودی-3 سوئیچینگ طبقه قدرت خروجی-4 خروجی بنابراین از میان روش های ارائه شده برای کنترل هدایت انتقالی روشی انتخاب شده که برای عمل در وارونگی ضعیف مناسب باشد.
مدار ارائه شده در این پایان نامه دارای تغییرات هدایت انتقالی بسیار کمتر، ولتاژ تغذیه و توان بسیار پایینتر و محدوده ورودی، خروجی خط به خط می باشد. در راستای تصدیق کارایی طراحی مطرح شده بعضی مدارهای تقویت کننده مانند دو طبقه با جبرانساز میلر، جانمایی های کسکود و کسکود تاشده با موفقیت طراحی و شبیه سازی شده اند. به دنبال آن، روش طراحی مطرح شده برای طراحی و بهینه سازی تقویت کننده CMOS دو طبقه با جبرانساز کسکود چند جزیی - هایبرید - استفاده می شود.
مدار برای حداقل سازی توان مصرفی در تکنولوژی 0/18 میکرومتر CMOS شبیه سازی انجام شده است. بنابراین، مشکل بهینه سازی در این مدار پیدا نمودن راه حل های مناسب برای طراحی متغیرها است که حداقل توان مصرفی با برطرف نمودن سایر محدودیت های طراحی می آید. این درست نیست که بگوییم، برای سازگازی معادلات باید در روابط ریاضی موجود دست برد تا معادلات طراحی با معادلات حاصل از طراحی همسان شود.
ساختار تقویت کننده پیشنهادی
طبقه ورودی:طبقه ورودی خط به خط شامل زوج های تفاضلی مکمل M1-M2 - و - M3-M4 است. اما همانطوری که می دانیم در اینگونه از طبقات ورودی، هدایت انتقالی بر حسب ولتاژ ورودی مٌد مشترک تغییر می کند. در مدار پیشنهادی، برای داشتن هدایت انتقالی ثابت از روش هدایت انتقالی ثابت با آینه جریان یک برابر استفاده می شود. در طبقه ورودی نشان داده ، اگر ضریب شیب وارونگی ضعیف برای زوج متفاوت باشد، هدایت انتقالی در سراسر محدوده ولتاژ مٌد مشترک ورودی تغییر خواهد کرد. این مشکل می تواند بصورت کامل و با اصلاح ضریب بهره آینه جریان M8-M10 حل شود. بمنظور غلبه بر مشکل فوق، تغییر آفست باید درسراسر محدوده ورودی مٌد مشترک توزیع شود.
این امر مستلزم آن است که نسبت کلید جریان در مقایسه با نسبت زوج های ورودی کوچک باشد. بعلت آنکه کلید جریان و آینه جریان M8-M10 در مقایسه با ترانزیستورهای طبقه ورودی کوچک هستند، کنترل هدایت انتقالی با روش فوق در کنار عملیات هدایت انتقالی ثابت، یک مساحت تراشه کوچک و مصرف توان پایین را ارائه خواهد داد. همچنین، نویز تولید شده در مدار کنترل هایت انتقالی با جریان های دنباله زوج های ورودی مکمل تلفیق می شود و بعنوان یک سیگنال مٌد مشترک رفتار می کند.
در نتیجه، با فرض این که زوج های ورودی M1-M2 در تطابق با هم هستند، می توان از نویز تولید شده مدار کنترل هدایت انتقالی چشم پوشی نمود و این روش تأثیری بر روی نویز طبقه ورودی ندارد. همانگونه که در فصل های قبل بیان شد، چنانچه ترانزیستورهای طبقه ورودی در وارونگی قوی بایاس شوند، در نقطه ای که کلید جریان نصف جریان را به یک زوج و نیمه دیگر را به زوج دوم هدایت می کند، در ناحیه اشباع یک تغییر بیشتر از %20 در هدایت انتقالی مشاهده خواهد شد. علت این مسئله آن است که در وارونگی قوی، هدایت انتقالی با مجذور جریان درین متناسب است.
طبقه خروجی
بمنظور رسیدن به حداکثر محدوده ولتاژ خروجی خط به خط باید ترانزیستورهای خروجی M21 - ، M22، M23 و - M24 در ترکیب سورس مشترک متصل شوند و بعلت استفاده مؤثر از منبع تغذیه، آن ها در کلاس AB بایاس می شوند. کنترل کلاس AB پیشخور بوسیله ترانزیستورهای M15 و M17 انجام می شود. این ترانزیستورها بوسیله دو سیگنال جریان هم فاز که از ترانزیستورهای کسکود M17 و M19 نشأت می گیرند، بایاس می شوند. برای آنکه کنترل کلاس AB و جریان خاموشی در ترانزیستورهای خروجی به تغییرات ولتاژ تغذیه حساس نباشد از یک منبع جریان شناور استفاده شده است. منبع جریان شناور دارای ساختار مشابه با کنترل کلاس AB پیشخور بوده و از این رو وابستگی راه انداز AB به ولتاژ تغذیه بصورت خودکار جبران می شود.
جبرانسازی فرکانسی
در هنگام استفاده از تقویت کننده چند طبقه به شکل پسخور، برای تضمین پایداری، جبرانسازی فرکانسی ضروری می باشد. در جبرانسازی فرکانسی، مکان قطب های تقویت کننده در مشخصه انتقال باز کنترل می گردد، بگونه ای که عملیات حلقه بسته پایدار شود. این جبرانسازی می تواند با حرکت قطب ها بگونه ای انجام شود.
