بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک تقویتکننده ک سکودتا شده تحریک بدنه طراحی و شبیه سازی شده ا ست. برای کاهش توان م صرفی مدار از تکنیک راه اندازی در ناحیه زیر آستانه استفاده شده است. کاهش ولتاژ تغذیه و راهاندازی مدار در ناحیه زیرآستانه سبب کاهش توان مصرفی و ساختار ک سکود دو طبقه باعث افزایش بهره شده ا ست، که در مقای سه با مدارات مشابه نتایج مطلوبتری از لحاظ بهره، توان و پهنای باند بهره واحد را ن شان میدهد. این مدار تو سط نرم افزار cadence و با مدل ا ستاندارد ترانزی ستور 0.18µm شبیه سازی شده ا ست. طرح تقویت کننده موجود از یکی از مراجع گرفته شده و با طراحی مجدد، کاهش تغذیه و تغییر روش جبرانسازی به بهبود پارامترهای آن مرجع پرداخته شده است.
-1 مقدمه
تقویتکننده عملیاتی یکی از مهمترین سازههای الکترونیک آ نالوگ است و نقش مهمی در طراحی مدارات آ نالوگ دارد، همانطور که گیتهای منطقی در مدارات دیجیتال نقش اصلی را دار ند. به ب یانی دیگر اولین و مهمترین جزء در طراحی مدارات مجتمع OPAmp است
یک تقویتکننده دارای ویژگیهای مختلفی است که به جهت عملکرد منطقی و قابل قبول در حوزه بیومدیکال باید دارای ویژگیهای اساسی بالا بودن قابلیت نسبت حذف حالت مشترک - چرا که سیگنالهای زیستی حاوی مقادیر آفست DC بوده و اندازهگیری را با اشکال روبهرو میکنند - ، پایین بودن توان مصرفی - از آنجایی که سیستم ساخته شده با بدن در تماس است و حتی ممکن ا ست داخل بدن قرار بگیرد و با اندامها نیز در تماس باشد جریان مصرفی زیاد به بدن آسیب میرساند، همچنین توان مصرفی زیاد معادل با تولید حرارت بیشتر است که آن هم به اندامها آسیب میرساند پس باید توان و جریان م صرفی به شدت پایین با شند - و پایین بودن نویز ورودی باشد
علاوه بر موارد گفته شده، امپدانس ورودی باید زیاد باشد، بهره قابل تنظیم باشد و همچنین این قابلیت را داشته باشد که کالیبراسیون به سرعت انجام گیرد. این تقویتکننده باید به گونهای با شد که شرایط ایمنی را نیز رعایت کند و مانع آسیب رسیدن به ارگانهای بدن شود. همچنین از مدار محافظ به جهت محدود کردن جریانی که از میان الکترودها میگذرد بهره ببرد
به منظور طراحی تقویتکننده با شرایط فوق روشهای مختلفی وجود دارد، مثلاً در مرجع [1]، یک تقویتکننده دو طبقه تفاضلی بسیار کم مصرف که در ناحیه زیرآ ستانه طراحی شده ا ست را م شاهده میکنیم. همچنین در مرجع [2]، طراح به منظور کاهش نویز از ترانزیستورهای PMOS در ورودی، مدل EKV و سوئیچ بایاس استفاده کرده است.
از طرفی ترانزی ستورهای ورودی در ناحیه زیرآ ستانه کار میکنند و توپولوژیک سکود تلسکوپی انتخاب شده است تا مصرف توان، نویز و فضای اشغال شده کاهش یابند. روش مورد استفاده در مرجع [4] جهت طراحی تقویتکننده، کسکود تاشده تحریک بدنه در ناحیه زیرآستانه است که به خوبی خواستههای مسئله را مرتفع کرده است. در اینجا نیز به منظور بهره بالا، توان و نویز پایین از ساخ تار bulk-driven folded cascode در ناح یه زیرآستانه با ترانزیستورهای PMOS ورودی، بهره گرفته شده است.
در این مقاله در قسمت 2 هدایت در ناحیه زیرآستانه تشریح شده، در قسمت 3 مدار تقویتکننده آورده شده است. در قسمتهای 4، 5 و 6 به ترتیب شبیهسازی مدار، مقایسه با کارهای قبلی و نتیجهگیری صورت گرفته است.
-2 هدایت در ناحیه زیرآستانه
ترانزیستورهای MOS در زیر ناحیه قطع - cutoff - خاموش در نظر گرفته میشوند ولی در واقع اینگونه نیست و جریانی از میان آنها میگذرد که به صورت نمایی کاهش مییابد، این همان ناحیه زیرآستانه است .[1] در سالهای اخیر به دلیل نیاز بشر به کا شت ابزارهای بیومدیکال و نیاز فراوان به مدارات با توان و ولتاژ پایین، توجه فراوانی به کار در این ناحیه شده است.
در این ناحیه برای راهاندازی ترانزی ستور به ولتاژی ب سیار کمتر از ناحیه ا شباع نیاز است 60 - تا 80 میلیولت کافی است - و با وجود منابع تغذیه کوچک، سوئینگ ولتاژ بزرگی فراهم میکند، حتی اگر ترانزیستورها پشت سرهم قرار گرفته باشند. انتظار میرود که مانند ترانزیستورهای دوقطبی، هدایت انتقالی بزرگ باشد اما از آنجایی که جریان نیز کوچک میشود، نمیتوان چنین انتظاری داشت
-3 تشریح عملکرد مدار
شمای مدار تقویتکننده که با کمک مرجع [4] طراحی شده است را در شکل 1 مشاهده میکنید.
شکل :1 تقویتکننده bulk-driven folded cascode
ترانزیستورهای ورودی به جهت کاهش نویز ورودی از نوع PMOS انتخاب شدهاند که به صورت تحریک بدنه نیز راهاندازی میشوندضمناً. تمامی ترانزیستورها در ناحیه زیرآستانه میباشند که توان مصرفی را به حد مطلوبی میرساند.
ترانزیستور Mb جر یان Ib را در Mo، Mc1 و Mc2 آی نه میکند، آنگاه Mo جریان طبقه ورودی را تأمین میکند، Mc1 و Mc2 ن یز ک ن ترل ک ننده جریان M13 و M14 هس تند. ترانزیستورهای M13 و M14 برای هرچه بهتر شدن تطابق آینه جریانهای Ma3-Mb3 و Ma4-Mb4 ولتاژ درین آنها را برابر نگه میدارند. در نهایت جریان از طریق آینه جریان سریع Ma3-Mb3 و Ma4-Mb4 با نسبت k تقویت خواهد شد. سپس از طریق ترانزی ستورهای M10، M8، M6 و Ma4مجدداً تقویت شده و به طبقه خروجی منتقل میشود و تقویت نهایی توسط M11 و M12 صورت میگیرد.
همانطور که در شکل 1 مشاهده میکنیم تفاوت ظاهری مدار مذکور با مرجع [4] استفاده از مقاومت Rc است. در اینجا نیز به جهت انتقال صفرهای سمت راست از مقاومتهای R استفاده شده است اما به جهت بهبود پهنای باند و همچنین کاهش مقدار خازن جبرانسازی - Cc - از مقاومت Rc استفاده کردهایم. در مجموع با کمک Rc مقادیر مقاومتهای R و خازن جبران سازی ن سبت به مرجع مذکور کاهش یافته و حا شیه فاز و پهنای باند بهبود پیدا کردهاند.
-4 نتایج شبیه سازی
مدار ن شان داده شده در شکل 1 تو سط نرمافزار cadence و در تکنولوژی ا ستاندارد 0.18μ شبیه سازی شده ا ست. ولتاژ تغذیه 0.5V و همچنین منبع جریان روی 35nA تنظیم شده است - در حالیکه در مرجع [4] ولتاژ تغذیه 0.6V و منبع جریان 50nA ذکر شده، این کاهش تغذیه باعث بهبود توان مصرفی از 400nW در مرجع [4] به 351nW در این کار شده است - .
بهره 83.55dB، حا شیه فاز - 62 ° شکل - 2 و نمودار CMRR در شکل 3 قابل مشاهده است.
شکل :2 نمودار بهره و حاشیه فاز
همانطور که گفته شد و از شکل 2 نیز برمیآید با کمک مقاومت Rc و در واقع بهبود جبران سازی، به حا شیه فاز و پهنای باند بهتری نسبت به مرجع [4] رسیدهایم. در اینجا پهنای باند بهره واحد 24kHz شده است و در صورت نیاز به حاشیه فاز بیشتر، میتوان مصالحهای بین آنها انجام داد.
شکل :3 نمودار CMRR
یکی از پارامترهای ب سیار مهم در حوزه biomedical ن سبت حذف سیگنال حالت مشترک است و همانطور که در شکل 3 نیز مشاهده میکنیم این تقویتکننده CMRR بسیار مطلوبی دارد و از این با بت نگرانی به دل یل وجود آفست های فراوان همراه سیگنالهای زیستی وجود ندارد.
در شکل 4 نویز ورودی را مشاهده میکنیم.
شکل :4 نویز ورودی
شکل 4 گویای عملکرد مطلوب مدار از لحاظ نویز ورودی است. مشاهده میشود که این نویز در رنج نانو و پایینتر است. به عنوان نمونه میزان نویز در فرکانس 10Hz برابر با 7.83pV2/Hz میباشد. در ادامه به مقایسه این کار با کارهای مشابهی که در سالهای اخیر انجام شده ا ست، میپردازیم. به همین منظور در جدول 1 مقایسهای بین این کار و مقالههای [8-10 ,4 ,2 ,1] صورت گرفته است.
جدول :1 مقایسه بین نتایج به دست آمده این کار و کارهای گذشته
