بخشی از مقاله
خلاصه:
در این مقاله یک تقویت کننده عملیاتی کسکود تاشده با ولتاژ تغذیه ./9 ولت طراحی شده است براي افرایش بهره dc این تقویت کننده از فیدبک مثبت استفاده شده است، شبیه سازي به کمک نرم افزار Hspice در تکنولوژي استاندارد/13μm CMOS .انجام شده است.
- 1 مقدمه
با ادامه روند کاهش ابعاد ترانزیستور هاي CMOS و کاهش ضخامت اکسید گیت در این افزاره ها جهت تامین قابلیت اطمینان افزاره ولتاژ تغذیه نیز باید کوچک شود. کاهش ولتاژ تغذیه چالش بزرگی را براي طراحان مدار هاي آنالوگ به وجود آورده است زیرا ولتاژ آستانه در تکنولوژي CMOS به نسب ولتاژ تغذیه کاهش نمییابد.[1] در مدارهاي دیجیتال، کاهش ولتاژ تغذیه باعث کاهش توان مصرفی می شود، در حالی که در مدارهاي آنالوگ این کاهش میتواند حتی منجربه افزایش توان مصرفی شود. تقویت کننده هاي عملیاتی مهمترین و اساسی ترین بخش مدارهاي آنالوگ به شمار میآیند.
تحقق یک تقویت کننده عملیاتی CMOS با داشتن بهره dc و فرکانس بهره واحد بالا و همچنین سوئینگ ولتاژ مناسب به طور همزمان، مخصوصا در مدارهاي ولتاژ پایین بسیار پیچیده و مشکل است. براي رسیدن به بهره dc بالا استفاده از ساختارهاي چند طبقه و توپولوژي کسکود ترانزیستور با طول کانال بالا و در سطوح جریان کم پیشنهاد میشود، در صورتیکه براي داشتن یک فرکانس بهره واحد بالا بهتر است که از یک ساختار تک طبقه با طول کانال کوچکتر و سطح جریان عبوري بیشتري استفاده شود.
کسکود یکی از مشهور ترین روشها براي افزایش بهره dc است بدون اینکه فرکانس کاري آن کاهش یابد. اما استفاده از طبقات کسکود در مدارهاي ولتاژ پایین و رسیدن به یک مشخصات مناسب بسیار مشکل و غیر ممکن به نظر میرسد. روش هاي مختلفی براي افزایش گین در تقویت کنندها به ویژه تقویت کننده هاي ولتاژ پایین مورد استفاده قرارگرفته است. تقویت کننده گین بوستینگ، تقویت کننده گین بوستینگ بادرایو بالک[3]، تقویت کننده با فیدبک مثبت5]،[4 و تقویت کنندهاي دو یا چند طبقه تقویت کننده هاي دو طبقه بر خلاف تقویت کننده هاي یک طبقه بهره dc و سوئینگ خروجی بالایی دارند. اما تقویت کننده هاي دو طبقه به دلیل صفر و قطبهاي اضافی استعداد نا پایداري هم دارند مگراینکه پاسخ فرکانسی آنها جبران سازي شود.
در شکل - 1 - یک نمونه تقویت کننده کسکود تاشده رایج نشان داده شده است. در تقویت کننده پیشنهادي ما با استفاده از ترانزیستور با درایو بالک و ایجاد فیدبک مثبت بهره این تقویت کننده را افزایش میدهیم بدون اینکه تغییر زیادي در پهناي باند و توان مصرفی این تقویت کننده ایجاد شود. مطالب مقاله به این صورت دسته بندي شده است: در بخش 2 تقویت کننده بهبود یافته ارائه شده است. نتایج حاصل از شبیه سازي نیز در بخش 3 ارائه میشود و در نهایت نتیجه گیري در بخش 4 بیان میشود.
شکل :1 تقویت کننده کسکود تا شده رایج
– 2 تقویت کننده بهبود یافته
در این تقویت کننده براي افزایش بهره با استفاده از ترانزیستور با درایو بالک یک فیدبک مثبت ایجاد کرده ایم که ترانزیستور هاي -mf2 -mf1 ترانزیستور هاي فیدبک میباشندکه در شکل - - 2 مشاهده می شود بهره تقویت کننده در رابطه - 1 - آورده شده است.
شکل :2 تقویت کننده کسکود تاشده بهبود یافته
در روابط بالا Rout مقاومت خروجی وgmfb هدایت انتقالی ترانزیستور هاي فیدبک mf1 وmf2 میباشد همانطور که در رابطه - 1 - آمده است بهره تقویت کننده بر K تقسیم میشود. در تعیین مقدار gmfb باید دقت کرد که تقویت کننده ناپایدار نشود.
– 1 – 2 پاسخ فرکانسی
این تقویت کننده داراي تعدادي صفر و قطب است اما دو قطب و صفر اولیه در پاسخ فرکانسی داراي اهمیت میباشند پاسخ فرکانسی تقویت کننده رایج و قطبهاي آن در رابطه - 4 - تا - 6 - آمده است.
در تقویت کننده بهبود یافته همانطور که در رابطه - 7 - آمده است
قطب اول در K ضرب میشود و این باعث بهبود پایداري تقویت کننده می شود. قطب دوم تغییر نمیکند.
– 3 نتایج شبیه سازي
تقویت کسکود رایج در شکل - 1 - و همچنین تقویت کسکود بهبود یافته در شکل - 2 - با استفاده از تکنولوژي. /13μm CMOS TSMC به کمک نرم افزار Hspice شبیه سازي شده است پاسخ فرکانسی هر دو تقویت کننده در شکل - 3 - آمده است نتایج شبیه سازي نشان می دهد که بهره تقویت کننده بهبود یافته برابر 68dB،که از بهره تقویت کننده رایج 30dB بیشتر است پهناي باند بهره واحد 940MHz با حد فاز 75° براي بار خازنی ./5pF، این تقویت کننده داراي توان مصرفی 960 μW میباشد در ولتاژ تغذیه ./9 ولت مشخصات هر دو تقویت کننده در جدول - 1 - آمده است همان طور که نشان داده شده بجز بهره تقویت کننده سایر مشخصات پهناي باند بهره واحد، حد فاز، و توان مصرفی تغییر زیادي نکرده است.
جدول : - 1 - نتایج شبیه سازي
– 4 نتیجه گیري
در این مقاله یک تقویت کننده کسکود تاشده با ولتاژ تغذیه ./9ولت طراحی شده است، سپس با استفاده از ترانزیستور با درایو بالک، و ایجاد فیدبک مثبت بهره ولتاژ این تقویت کننده حدود 30dB افزایش داده شده است بدون اینکه توان مصرفی و سایر مشخصات تقویت کننده تغییر زیادي داشته باشد
