بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***


تکنیک جدیدتصحیح جبرانسازي انحناي ولتاژ خروجی براي مدار مرجع ولتاژ زیر یک ولت CMOS

چکیده :
- در این مقاله طرح یک مدار جدید مرجع ولتاژ( بند گپ) با قابلیت ایجاد مرجع ولتاژ 0/48 ولت به منظور تحصیح وجبران سازي رفتار غیر خطی ولتاژ بیس- امیتر با استفاده ترانزیستورهايCMOSو مقاومت براي ایجاد یک مرجع ول تاژ دقیق ارائه شده است. این امر منجر به بهبود دقت مرجع ولتاژ و همچنین کاهش توان مصرفی شده است. درطرح مدار پیشنهادي که با استفاده ازیک تقویت کننده تفاضلی براي رسیدن به حداقل آفست با ولتاژ تغذیه یک ولت و همچنین ترانزیستورهايMOS که در ناحیه وارونگی ضعیف بایاس شده اند، استفاده شده است. مدارارائه شده در تکنولوژي 90نانومترCMOS پیادهسازي شدهو بانرمافزارHSPICE شبیهسازي شدهاست. تمام شبیهسازيها با در گرفتن تغییرات دمایی بین -40 تا 85 درجه سانتیگرادپرداخته شده و نتایجی با تغییراتی کمتر از 20 ppm C و PSRR ،

40dBبدست آمده است.


کلید واژه: مراجع ولتاژ Bandgap، تقویتکننده هاي عملیاتی، تکنولوژيهاينانومتر CMOS


-1 مقدمه

تقریبا در تمام مدارهاي آنالوگ و حتی در برخی از مدارهاي دیجیتال مثل DRAM ضرورت ایجاد یک ولتاژ دقیق و پایدار که نسبت به تغییرات دما، منبع تغذیه و پارامترهاي متغیر تکنولوژي حساس نباشد، وجود دارد . از طرفی، پیشرفت تکنولوژي مدارهاي مجتمع و کاهش اندازه و ابعاد ادوات مجتمع الکترونی کی باعث کاهش ولتاژ تغذیه آنها شده است، که این امر طراحی مدارهاي آنالوگ و به ویژه مراجع ولتاژ را با چالشهاي جدي روبرو میسازد. لذا، امروزه طراحی مدارهاي مراجع ولتاژ با دقت بالا و توان مصرفی پایین در تکنولوژيهاي

نانومترCMOS یکی از زمینههاي مهم تحقیقاتی است[1]
دردنیاي امروز، اکثر وسایل و ابزارهاي آنالوگ، با همتاي دیجیتالی خود جایگزین می شوند. در سیستم هاي دیجیتال ابتدا سیگنال آنالوگ به سیگنال دیجیتال تبدیل میشود تا توسط یک مدار دیجیتال پردازش شود. پس از آن سیگنال دیجیتال به آنالوگ بازگردانده میشود. مدارات مرجع براي کارکرد هر دو بخش مدارات تبدیل به دیجیتال و برعکس ضروري هستنداین بلوكها قسمت اصلی براي ساخت تلفن- رادیو، لپ تاپ، موبایل ، حافظه فلش ها ، منابع جریان و تعداد زیاد دیگري از وسایل پر مصرف الکتریکی هستند که بدون طراحی دقیق مدار مرجع، هیچ


کدام از این گونه مدارها به طرز صحیح کار نمیکنند.
از آنجا که اگر دو کمیت با ضریب دمایی مخالف و وزن مناسب با هم جمع شوند یک ضریب دمایی صفر حاصل می شود. از زمان معرفی مراجع ولتاژ Bandgap سیلیکین در دهه هفتاد توسط ویدلار که نشان داد مجموع یک ولتاژ بیس- امیتر با یک ولتاژ ضریب دمایی مثبت میتواند یک مرجع ولتاژ پایدار تولید کند .[2][3] در مراجع Bandgap ولتاژ خروجی پایدار با کمترین حساسیت از مجموع دو ولتاژ که یکی متناسب با ضریب تغییرات مثبت دمایی ( PTAT) و دیگري ضریب تغییرات منفی دمایی (CTAT) میباشد حاصل میشود.

ولتاژ مرجع حاصل مجموع این دو ولتاژ است به گونهاي که ولتاژ نهایی داراي ضریب دمایی صفر در دماي مورد نظر ما شود. حال باید دو ولتاژ که ضریب دمایی مثبت و منفی دارند را مشخص کنیم. در میان پارامترهاي گوناگون یک ترانزیستور، در فناوريهاي نیمه رسانا ترانزیستورهاي دو قطبی، کمیتهاي خوش تعریف و قابل تولیدي دارند که میتوان با آن ها ضرایب دمایی مثبت و منفی درست کرد. اگر چه قطعات CMOS نیز براي تولید مراجع مورد توجه بوده اند، اما در برخی از طراحی ها هسته تشکیل دهنده چنین مدارهایی را نیز ترانزیستورهاي دو قطبی تشکیل میدهند.[5][6]

اهداف اصلی در طراحی این مراجع کاهش تعداد باطريهاي سیستم، کاهش سطح تراشه مصرفی و کاهش توان مصرفی سیستم میباشد. یک دلیل طراحی دقیق این مدارها وابستگی خیلی زیاد دقت سیستم به دقت ولتاژي است که توسط مدار داخلی یا خارجی تولید میشود. به عنوان مثال هر خطا و نویزي که در محدوده دمایی مورد نظر در ولتاژ مرجع ایجاد شود، خطی بودن و دقت مدار را تحت تاثیر قرار میدهد. بنابراین یک ولتاژ یا جریان مرجع، یک منبع ولتاژ یا جریان درجه بالایی از دقت و پایداري است که مستقل از ولتاژ تغذیه، تغییرات


فرآیند، نویز و دیگر پارامترها است. از آنجایی که ولتاژ گرهها در هر مدار الکترونیکی وابستگی شدیدي به دما دارند، میزان تغییرات ولتاژ مراجع نسبت به دما پارامتر مهمی براي ارزیابی کارآیی این مراجع ولتاژ است.[7]


-2 مدارهاي مرجع ولتاژ زیر یک ولت

همان گونه که اشاره شد براي پیاده سازي مدارهاي مرجع با خصوصیات مورد نظر از دو عنصر با ویژگی هاي مختلف دمایی با نامهاي CTAT و PTAT استفاده میشود.[8][9] در اکثر مدارهاي پیشنهاد شده از ولتاژ پیوند بیس–امیتر ترانزیستور BJT به دلیل ویژگی خاص دمایی پیوند PN آن در مدارهاي مرجع ولتاژ Bandgap بسیار استفاده می شود. اگر چه امروزه تکنولوژي مدارهاي مجتمع به سمت استفاده CMOS به پیش میرود، اما ترانزیستورهاي BJT به عنوان قسمت حساس به دماي مدارهاي مرجع ولتاژ استفاده میگردد.[11][10] شکل (1) یک روش ساده براي بیان ولتاژ Bandgap میباشد.

شکل :(1) بلوك سازنده یک مرجع ولتاژ Bandgap

با پیشرفت تکنولوژي CMOS، مدارهاي Bandgap با ولتاژ تغذیه کمتر از 1 ولت به منظور مصرف توان کمتر نیاز هست اما این مدارها عموما ولتاژ خروجی در حدود 1/25 ولت را تولید میکنند که در نتیجه آن ولتاژ تغذیه از این مقدار بزرگتر است براي کم کردن ولتاژ تغذیه تکنیک هاي مختلفی ارائه داده شده است.

Banba براي اولین بار مدار مرجع با ولتاژ کاري کوچکتر از یک را پیشنهاد داد .[13 ][12] در این مدار دو جریان ICTAT وIPTAT توسط یک فیدبک و به وسیله دیودهاي شاتکی تولید می شود. ساختار این مدار را در شکل (2) مشاهده می کنید. Vf در شکل ولتاژ دیود در بایاس مستقیم است . در مدار آپ–امپ دو ورودي VbوVa را به گونه ا ي که با هم مساوي باشند، کنترل می کند. که در نتیجه آن

می باشد . بنابراین ولتاژ خروجی مطابق رابطه (1) است و با انتخاب درست این مقاومت ها می توان به ولتاژ مرجع زیر 1ولت دست یافت.


شکل: (2 )مدار پیشنهادي Banba


-3مدار پیشنهادي براي جبران سازي اثر غیر خطی در مدار banba
پیشرفت هاي زیاد در مدارهاي Bandgap و ایجاد تکنولوژي مدار مجتمع از BJT به CMOS باعث افزایش تحقیقات در این زمینه شد.[14][16] مدارهاي مرجع با تکنولوژي BJT سعی در افزایش دقت با استفاده از جبران سازهاي مرتبه دوم به بالا داشته اند در حالی که پیشرفت مدارهاي CMOS بر روي کاربردهاي ولتاژ پایین بود.[20][22] در مدارهاي معمول گذشته (Widlar) طراحی مناسب VPTAT قسمت خطی وابستگی دمایی VBE را از بین می برد ولی قسمت غیر خطی همچنان باقی میماند. همان طور که در بخش هاي قبلی بیان شد،ولتاژ بیس-امیترترانزیستور BJT رفتار غیر خطی نسبت به تغییراتدما دارد.[17][15] به منظور جبران سازي رفت ار غیر خطی ولتاژ بیس-امیتر ،از طرح شکل(( 3 استفاده شده است در پیاده سازي مدار
شکل((3 ترانزیستورهاي M14 به عنوان آینه جریان عمل کرده و ترانزیستورهاي (Q1 Q2 ) به عنوان ترانزیستورهاي Bipolarهستندو وظیفه ایجادجریان PTAT و CTAT را دارند. ترانزیستورهاي M1a-5a نقش تقویت کننده آپ_امپ را ایفا می کنند و علت استفاده از آپ_امپ براي برابر شدن ولتاژ دو گره A و B می

باشد.[18][19] همچنین ترانزیستورهاي جریان بایاس آپ_ امپ را تامین می کنندو از
ترانزیستورهاي MC1 وMC2 به عنوان خازن استفاد



شده است.
ترانزیستورهاي MC1 وMC2 به عنوان خازن استفاده



شده است

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید