بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به جبرانسازی حرارتی یک نوسانساز حلقوی با پنج طبقه وارونکنندهی متشکل از ترانزیستورهایی در ناحیه زیرآستانه پرداخته شده است. با توجه به اینکه در یک ترانزیستور MOS در ناحیهی زیرآستانه افزایش دما سبب افزایش جریان می شود بنابراین فرکانس نوسانساز حلقوی نیز در ناحیه زیر آستانه با افزایش دما شدیدا افزایش مییابد. در این مقاله جهت کاهش تغییرات فرکانس نوسانساز مذکور نسبت به دما، ایدهی استفاده همزمان از منبع جریان - Complementary to Absolute Temperature - CTAT و منبع جریان مستقل از دما پیشنهاد شده است.
فرکانس خروجی نوسانساز حلقوی زیرآستانه در وضعیت جبرانسازی نشده نسبت به دما در بازه دمایی دمایی -40°C تا 85°C دارای تغییراتی برابر با +29/6% و ضریب دمایی به اندازه 2966 ppm/˚C است. با استفاده از ایدهی پیشنهادی تغییرات فرکانس نوسانساز حلقوی با دما به اندازهی 1/39% کاهش یافت و ضریب حرارتی آن در بازه دمایی -40°C تا 85°C برابر با 116 ppm/˚C گردید. توان مصرفی کل مدار در ولتاژ تغذیه1/8V برابر با 18/7 µW میباشد. این نوسانساز حلقوی و مراجع جریان جبرانساز آن در تکنولوژی TSMC 0.18µm CMOS طراحی و با استفاده از نرمافزار ADS شبیهسازی گردید.
-1 مقدمه
با توجه به نیاز به پالسهای ساعت دقیق در انواع کاربردها مانند سیستمهای الکترونیکی دیجیتال و آنالوگ، سیستمهای مخابراتی، حسگرهای بیسیم و افزارههای کاشتنی در بدن، طراحی نوسانسازهایی با دقت بالا ضروری به نظر میرسد.[3-1] یکی از گزینههای متداول برای تولید سیگنال کلاک استفاده از نوسانسازهای کریستالی است.[4] این نوسانسازها دارای دقت فرکانسی بالا و حساسیت کم نسبت به عواملی مانند دما، فرایند ساخت و نویز میباشند. از مشکلاتی که نوسانسازهای کریستالی را برای استفاده در بسیاری ازکاربردها از جمله افزارههای کاشتنی در بدن امکانناپذیر میسازد، سطح بالای مورد نیاز و عدم قابلیت مجتمع سازی در تراشه است.
با در نظر داشتن کاهش روزافزون ابعاد تراشهها، به ویژه در کاربردهای حسگرهای مهندسی پزشکی و افزارههای کاشتنی در بدن میتوان انواع نوسانسازهای RC Relaxation و حلقوی و LC را به کار گرفت که از قابلیت مجتمعسازی بهتری برخوردار هستند. این نوسانسازها در مقایسه با نوسانسازهای کریستالی دقت پایینتری دارند و فرکانس خروجی آنها به برخی از مولفههای مدار وابسته بوده و نسبت به دما و فرایند تغییرات زیادی دارد.
از جمله راهکارهایی که برای رفع محدودیتهای موجود در یک نوسانساز Relaxation ارائه شده است، جبرانسازی حرارتی مقاومتهای مدار با استفاده از ترکیب سری-موازی مقاومتهایی با ضریب حرارتی عکس هم می باشد[5]، به صورتی که ضریب دمایی مقاومت معادل و موثر در فرکانس نوسانساز - متشکل از ترکیب مقاومتهایی با ضریب حرارتی مثبت و منفی - کاهش پیدا کند. از طرف دیگر در مدار پیشنهادی در[6]قطعات و اجزای مدار به دلیل مولفههای غیرآرمانی، سبب ایجاد زمان تاخیر در مسیر گیتهای منطقی میشوند که متاسفانه ضریب دمایی این مولفهی تاخیر نیز بسیار بالا - +%13 - می باشد و سبب وابستگی شدید فرکانس به دما میگردد.
این مشکل نیز با ایدهی فیدبک خطای مجتمع - - IEF تقلیل یافته است. در برخی از کاربردها که بازهی دمای عملیاتی بالا مد نظر است، مشکلاتی مانند جریانهای نشتی موجب کاهش جریان اصلی نوسانساز و در نتیجه کاهش فرکانس میگردد. برای جبران کاهش فرکانس، در[7] از یک خازن ورکتور در کنار یک خازن ثابت و از مقاومتهای اتصالات درون تراشه جهت کاهش وابستگی حرارتی فرکانس بهره گرفته است که در بازهی دمایی 25˚C تا 200˚C ضریب حرارتی نوسانساز به مقدار 108 ppm/˚C کاهش یافتهاست. در[8] روشی جهت کاهش وابستگی حرارتی یک نوسانساز حلقوی ارائه شده است که در آن با استفاده از یک مرجع ولتاژ جریانی مستقل از دما برای مدار فراهم میشود. با استفاده از این جریان، ولتاژی مستقل از دما و فرایند ساخت به عنوان منبع تغذیهی نوسانساز حلقوی تولید شده و به کاهش وابستگی فرکانس به دما کمک میکند.
روش ارائه شده در[9]برای جبرانسازی حرارتی یک نوسانساز حلقوی با ترانزیستورهایی در ناحیه بالای آستانه، مبتنی بر بکارگیری منابع جریانی است که کاهش فرکانس نوسانساز با دما را جبران نماید. از این رو با ترکیب جریانهای PTAT و مستقل از دما جریان مورد نیاز نوسانساز را تامین و با تولید جریانی PTAT، که با بالا رفتن دما افزایش مییابد، کاهش فرکانس با دما را خنثی میکند. در این تکنیک ضریب حرارتی فرکانس با دما در بازه -40˚C تا 85˚C برابر با 92/8ppm/˚C بدست آمده است. اگرچه تاکنون ساختارهای متنوعی برای کاهش حساسیت فرکانس نوسانسازهای حلقوی و Relaxation ارائه شدهاست ولی در بسیاری از آنها این جبران سازی منجر به افزایش قابل توجه توان مصرفی نیز گردیده است.
در این مقاله برای کاهش توان مصرفی، یک نوسانساز حلقوی در ناحیه زیرآستانه مورد بحث و جبرانسازی دمایی قرار گرفته است که در آن با توجه به رفتار متفاوت ترانزیستورهای زیرآستانه نسبت به دما - یعنی افزایش جریان و فرکانس نوسانساز با افزایش دما - از منبع جریان CTAT استفاده شدهاست. در بخش بعدی این مقاله، جبرانسازی دمایی نوسانساز حلقوی پیشنهادی مورد بررسی قرارخواهدگرفت. ابتدا مدل مفهومی جبرانسازی حرارتی پیشنهادی بیان خواهدشد و درادامه نحوهی پیادهسازی آن ارائه میگردد. در بخش سوم نتایج شبیهسازی مدار پیشنهادی و مقایسه نتایج آن با پژوهشهای انجام شدهی پیشین ارائه خواهد شد. در بخش چهارم نیز به بیان نتیجهگیری خواهیم پرداخت.
-2 روش پیشنهادی برای جبرانسازی حرارتی نوسان ساز حلقوی در ناحیهی زیرآستانه
همانطور که گفته شد فرکانس نوسان سازهای حلقوی با تغییر دما تغییرات بسیاری دارد. به عبارتی حساسیت این نوسانسازها به دما بسیار زیاد است. در این بخش ایدهی مفهومی جبرانسازی حرارتی و مدارهای مورد استفاده جهت پیادهسازی این ایده تبیین میگردد. که در آن Isource کل جریان کشیده شده از منبع تغذیه، N تعداد طبقات نوسانساز، Cload بار خازنی در گره خروجی هر وارونگر و VDD ولتاژ تغذیه مدار است. همانطور که از این رابطه مشاهده میشود، فرکانس این نوسانسازها رابطهی مستقیمی با جریان عبوری از هر ترانزیستور وارونگر دارد. لذا هرگونه تغییری در جریان وارونگر، تاثیر فراوانی بر فرکانس خواهد گذاشت.
از طرفی تثبیت جریان عبوری از هر وارونگر نسبت به دما و فرایند ساخت سبب کاهش حساسیت فرکانس خواهدشد. شکل1 یک نوسان ساز حلقوی پنج طبقه جبرانسازی نشده را نشان میدهد که با یک منبع جریان ایدهآل تغذیه میشود. طراحی و شبیهسازی این نوسانساز در ناحیهی زیرآستانه با یک منبع جریان 800nA حاکی از آن است که تغییرات فرکانسی آن در یک بازهی دمایی -40˚C تا +85˚C برابر با +29/6 درصد میباشد. همانطور که در شکل 2 مشاهده می شود این تغییر فرکانس در نوسانساز زیرآستانه رابطهیمستقیم و نسبتاً خطی با دما دارد. یعنی عکس آن چیزی که در ناحیهی بالای آستانه اتفاق میافتد.[9]
در واقع به دلیل تفاوت ماهیت جریان زیرآستانه نسبت به بالای آستانه، افزایش دما سبب افزایش جریان زیرآستانه شده و با توجه به رابطهی1 این افزایش جریان سبب افزایش فرکانس نوسانساز و تغییرات شدید آن نسبت به دما نیز میگردد. اگرچه ممکن است کل جریان کشیده شده از منبع تغذیه ثابت بماند، اما با توجه به اینکه در زمان گذار سیگنالها، جریانهای دینامیک کشیده شده از هر وارونگر وابسته به ولتاژ آستانه ترانزیستور بوده و ولتاژ آستانه نیز وابسته به دماست، زمان پر و خالی شدن خازن هر گره نیز با دما دچار تغییر خواهد شد، که این امر منجر به تغییر فرکانس میشود.
بنابراین در این مقاله برای کاهش حساسیت فرکانسی در زیرآستانه، پیشنهاد می شود به همراه استفاده از یک منبع جریان ثابت از یک منبع جریان که رفتار دمایی معکوس - CTAT - داشته باشد نیز استفاده شود تا اثر افزایش جریان با افزایش دما در ناحیه زیرآستانه را خنثی نماید. در شکل3 مدل مفهومی این ایده نشان داده شدهاست. منظور از منابع جریانCTAT منابع جریانی هستند که جریان آنها با افزایش دما به طور خطی کاهش پیدا میکنند. در ساختار این منابع جریان معمولا به کمک ضریب حرارتی منفی ولتاژ بیس-امیتر یک ترانزیستور دوقطبی در دو سر یک مقاومت، جریان مورد نظر تولید میگردد.[11]
شکل:4 مدار منبع جریان CTAT
همانطور که مشاهده میشود در این ساختار، آپامپ ولتاژ گرههای A و B را برابر با VEB0 نگه میدارد و جریان حاصل از طریق ترانزیستور M2 در شاخهی خروجی آینه می شود. در صورت برابر بودن ابعاد ترانزیستورها جریان CTAT تولید شده برابر با رابطهی - 3 - میباشد. قابل توجه است که مقدار جریان خروجی را می توان با تغییر نسبت ابعاد ترانزیستور M3 تغییر داد.
