بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی ناقل جریان ولتاژ پایین در تکنولوژی CMOS
در این مقاله یک ناقل جریان ولتاژ پایین که بصورت Rail-to-Rail عمل میکند ارایه میگردد. این ناقل جریان با ولتاژ تغذیه 1 + ولت کار میکند و دارای جاروب ولتاژ ورودی و خروجی بصورت Rail-to-Rail ( از تغذیه مثبت تا تغذیه منفی) میباشد. این طرح با تکنولوژی پیاده سازی شده است و دارای بهره جریان میانگین برابر ۱٫۰۰۰۱ ، حداکثر انحراف از بهره جریان میانگین برابر ۳ ٪ ، پهنای باند MHZ5.8 و محدوده دینامیکی ورودی برابر میباشد .
۱ - مقدمه :
در سالهای اخیر طراحی مدارهای ولتاژ پایین و توان پایین به علت مزایای آنها در سیستمهای قابل حمل و متحرک بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. مدارات مد جریان امروزه در کاربردهای وسیعی مورد استفاده طراحان قرار میگیرد. ناقل جریان که برای اولین بار در سال ۱۹۱۸ معرفی گردید، یک المان پایه برای مدارات آنالوگ در مد جریان است که کاربرد وسیعی در طراحی سیستمهای مختلف دارد. ناقلهای جریان در واقع تقویت کننده های مد جریانی حلقه بازی هستند که بهره جریان ثابت و کمی دارند. اکثر ساختارهایی که تاکنون برای CC معرفی گشته است ، دارای ولتاژ تغذیه بالا هستند. لذا معرفی یک ناقل جریان که با ولتاژ تغذیه پایین عمل میکند میتواند بسیار حائز اهمیت باشد . ناقلهای جریان به سه دسته طبقه بندی میشوند که ناقل جریان نسل دوم در طراحی مدارات آنالوگ کاربرد بیشتری دارد.[2 و 1]
شکل (۱) دیاگرام ناقل جریان و معادله (۱) رابطه بین پایه های ناقل جریان نسل دوم را نشان میدهد.
۲) مفهوم اصلی :
یک روش برای پیاده سازی ناقل جریان نسل دوم، ساخت ناقل با استفاده از تقویت کننده عملیاتی جبران شده میلر می باشد که در شکل (۲) نشان داده شده است و در آن خروجی Z با تکرار طبقه قبل ساخته شده است. استفاده از تقویت کننده عملیاتی با خروجی تکراری نظیر شکل (۲) این مزیت را دارد که سویینگ ولتاژ در پایه X بزرگ است و اگر طبقه ورودی در تقویت کننده Al دارای یک سویینگ ولتاژ ورودی بزرگ باشد، سویینگ ولتاژ پایه Y نیز بطور مشابه زیاد می شود. با استفاده از طبقه تفاضلی مکمل یک طبقه ورودی rail-to-rail برای تقویت کننده ایجاد خواهد شد. از ایسن رو با استفاده از این تکنیک در ناقلهای جریان محدوده تغییرات وسیع در پایه های X و Y بدست خواهد آمد. اگر چه چنین ناقل جریان R-R بسیار پیچیده و کند می باشد ولی کاربردهای زیادی در مبدل های ولتاژ به جریان و تقویت کننده های سنجش مد جریان دارد.[2]
۳) طبقه ورودی مکمل :
سیگنال نویز بصورت یک ولتاژ مد مشترک در ورودی تفاضلی وارد می شود. از این رو برای اینکه نسبت سیگنال به نویز تا حد ممکن بزرگ باشد، باید ولتاژ مد مشترک ورودی بزرگ باشد. این امر با قراردادن جفت ترانزیستورهای -n و p-type type بصورت موازی همانطور که در شکل (۳) نشان داده شده است تحقق می یابد. با استفاده از این ترکیب که طبقه ورودی مکمل نامیده میشود، ولتاژ ورودی مد مشترک می تواند بصورت rail to rail تغییر کند. اصلی ترین مشکلی که در این نوع مدار به چشم می خورد عبارت است از تغییر هدایت انتقالی ورودی، g m ، با تغییر ولتاژ مد مشترک ورودی.( شکلی ( ) ). با افزایش ولتاژ مد مشترک VCM از تغذیه منفی VSS به سمت تغذیه مثبت VDD، هدایت انتقالی ترکیب، ابتدا برابر هدایت انتقالی زوج p-type است . سپس به مجموع هدایت انتقالی زوج های n ، p افزایش می یابد و در نهایت به هدایت انتقالی زوج n-type کاهش می یابد.[1,2,3]
روشهای متفاوتی برای ثابت نگهداشتن gm وجود دارد که اخیراً مطرح شده اند و با استفاده از آنها g m در محدوده -Rail-to| Rail ثابت می ماند. این روشها براساس یک مفهوم کلی کار می کنند که در آن هدف کنترل کردن جریانهای DC طبقه ورودی تفاضلی می باشد.. در تکنولوژی Bipolar و CMOS با وارونگی ضعیف، هدایت انتقالی ترکیب می تواند با ثابت نگهداشتن مجموع جریانهای DC طبقات مکمل، ثابت نگهداشته شود. علت این است که هدایت انتقالی gm ، در این دو حالت به ترتیب با جریان کلکتور Ic و جریان درین، متناسب است، طبق روابط :
در طرح موجود سعی می شود مجموع دو جریان زوجهای n و p ثابت نگه داشته شود تا به یک هدایت انتقالی ثابت برسیم.(شکل (۵)).
در این طرح برای ثابت نگه داشتن Gm در محدوده جاروب ولتاژ ورودی از تکنیک کنترل جریان ۱:۱ استفاده شده است.
