بخشی از مقاله
چکیده :
امروزه کاهش اندازهی ترانزیستورها، پیشرفت در فرآیند ساخت و مدل سازی ادوات نیمه هادی دامنه ی کاربرد مدار مجتمع را افزایش داده است در تکنولوژی استاندارد، هدف پیادهسازی هر دو زمینه آنالوگ و دیجیتال روی یک تراشه بوده که به تکنولوژی CMOS شهرت یافته است و در حال حاضر نسبت به ترانزیستورهای دو قطبی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد دراین پایان نامه یک تقویتکننده عملیاتی دوطبقه cmos به منظوراستفاده درمدارهای مجتمع طراحی وشبیه سازی شده است.
یک ویژگی مهم این تقویتکننده بهره بالا و آهنگ سرعت چرخش - SLR - میباشد. مشکل کار بدستآوردن بهترین بهره و آهنگ سرعت چرخش بالا میباشد. نرمافزار hspice تقویتکننده شبیهسازی میشود وسپس توسط نرمافزار matlab وارتباطی که از طریق جعبه toolbaxدارد فایل شبیهسازی فراخوانی میشود وسپس بهینهسازی میشود. شبیه سازی مدار با تکنولوژی 0.18 µm CMOS و با نرمافزار HSPICE نوشته شده است. تقویتکننده حاصل از شبیهسازی برای تحقق کارهای مختلف از تولید بایاس DC گرفته تا تقویت سرعت بالا و یا فیلتر کردن بطور گسترده استفاده میشود.
-1مقدمه
تقویتکننده عملیاتی که تحت عنوان operational amplifierنامیده شده و اصطلاحاً اپ امپ - op-amp - گفته میشود. . درسیستم آنالوگ سیگنالها از محیط بیرون دریافت و سپس به پالسهای الکترونیکی تبدیل میشوند. سیگنالهای انا لوگ پس از طی مسافت معینی ضعیف میشوند برای اینکه مسافت بیشتری را طی کنند بایستی تقویت شوند. تقویت کننده عملیاتی به صورت مدارهای مجتمع طراحی میشوند.
با توجه به اینکه تکنولوژی مدارهای مجتمع روز به روز در حال تغییر میباشد ودراین بین سعی میشود که طول کانال و ولتاژ منبع تغذیه کاهش پیدا کند لذا طراحی تقویتکننده عملیاتی با مشکلاتی روبه رو میشود. بنا براین یک طر ا ح مقدارهای مناسبی را برای پارامترهای مدار باید انتخاب نماید تا حالت تعادلی برقرار شود. در ابتدای کار به تحلیل تئوری مدار وطراحی دستی قسمتهای مختلف مدار میپردازیم وسپس با نوشتن فایلی برای مدار که در نرمافزار hspice قابل استفاده باشد از طریق نرمافزار آن را شبیهسازی نموده و مقادیر مورد نظر را مجدداً به دست میآوریم.
تجزیه وتحلیل مجدداً انجام شده وبرای رسیدن به بهترین حالت وبهترین پاسخ مدار بهینهسازی میشود. برای بهینهسازی مدار از الگوریتم ژ نتیک که در نرمافزار matlab پیادهسازی میشود کمک میگیریم. بدین ترتیب که یک m-file نوشته تا فایل hspiceرا فراخوانی وانها را تبدیل به کدهای متلب نموده وسپس آن را اجرا نماید ودادهها را بگیرد وسپس توسط فایل دوم که مربوط به کدهای الگوریتم ژنتیک میباشد آنها را تغییر داده تا به بهترین حالت که مطلوب مسئله است برسد.
-1 بهره وپهنای باند تقویت کننده
در کاربردهایی که نیاز به بهره ولتاژ بالا دریک طبقه است رابطه Av = gm Rd نشان میدهد که میتوا نیم امپدانس بارطبقه Cs را افزایش دهیم. ولی بایک مقاومت یا بار دیودی، افزایش مقاومت بار باعث کاهش سویینگ ولتاژ خروجی میشود. روش عملی تر آن است که به جای بار از یک منبع جریان استفاده شود. اما در زوج تفاضلی نیازی نیست که با مقاومتهای خطی ساخته شود. زوجهای تفاضلی نیز میتوانند بارهای دیودی یا بارهایی بصورت منبع جریان داشته باشند. بارهای دیودی سقف ولتاژ را محدود میکنندو بین سوینگ ولتاژ خروجی بهره ولتاژ وگستره CM ورودی تضاد ایجاد میشود. بنابراین در تقویت کنندههای تفاضلی براستفاده فراوان از منابع جریان تاکید میشود. دراین مدارات منابع جریان به عنوان یک مقاومت بزرگ بدون محدود کردن قابل ملاحظه سقف ولتاژ عمل میکنند. همچنین ادوات Mos اگر در ناحیه اشباع کارکنند میتوانند به عنوان منبع جریان بکار روند.
تقویت کننده عملیاتی دوطبقهcmos
-2 تحلیل سیگنال کوچک تقویتکننده
-1-3 بهره تقویتکننده
درابتدا روی بهره کلی تقویتکننده بحث میکنیم. درفرکانسهای کم این بهره از مهمترین پارامترهای تقویتکننده میباشد. بهره طبقه اول بصورت زیر محاسبه میشود. که مقدار gm1 برابراست با:
رابطه - 1-3 -
gm1=√2µpCox - w/L - 1Id1=√2µpCOX - W/L - 1Ibias/2
همچنین برای تخمین امپدانس خروجی ترانزیستور Qi یعنی rdsi داریم:
که در پارامتری وابسته به تکنولوژی ساخت ودرحدود 5×106 میباشد. این معادله بهترین تقریب را در محاسبات اعمال خواهد کرد و از تمام آثار کانال کوتاهی که ناشی از طول کوچک کانال در تکنولوژی پیشرفته است صرفنظر مینماید. بهره طبقه دوم که درواقع یک مدارسورس مشترک با بار فعال کانال-p، Q6 است بصورت زیر بدست میآید:
رابطه - 3-3 -
AV2= -gm7 - rds6 rds7 -
طبقه سوم یک طبقه بافر درین مشترک است. این طبقه معمولا سورس فالوور نامیده میشود چراکه ولتاژ سورس ولتاژگیت Q8 رادنبال میکند جز اینکه یک انتقال سطح نیز به آن میدهد. همانطور که مشاهده میکنیم ولتاژ بدنه وسورس Q8 یکسان است. این اتصال زمانی قابل تحقق است که ترانزیستور Q8 درون چاهکی قرارداشته باشد که ازبدنه کاملا ایزوله شده باشد. بنابراین برای این مداریک چاهک-p یا دو چاهک برای تحقق ولتاژدرخروجی مورد نیازاست. اتصال زیرلایهQ8 به سورس آن باعث حذف اثار بدنه درمورد این ترانزیستورخواهد شد. همچنین این اتصال باعث میشود که ولتاژ dc کوچکتری روی گیت -سورس ترانزیستورQ8 قرارگیردکه این از مهمترین محدودیتهایی است که برای حصول حداکثر ولتاژ خروجی مثبت دراین مداروجوددارد. بهره این طبقه سورس فالوربصورت زیر بدست میآید.
رابطه - 4-4 -
8 AV3=GL+gm8+gds8+gds9
