بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، یک تقویتکننده ریل تا ریل در طبقه ورودی ارائه شده است که با استفاده از تکنیک تغییر سطح ولتاژ، ضریب ترارسانایی برای مدار ثابت نگه داشته شده است. همچنین استفاده از فیدبک مثبت در طبقه خروجی، سبب شده است که رسانایی خروجی حذف شود. مدار تقویتکننده پیشنهادی نسبت به تقویتکننده ریل تا ریل مرسوم، عملکرد بهتری دارد که برای مقایسه عادلانه هر دو مدار در نرمافزار Cadence در تکنولوژی 180 نانومتر CMOS و با تغذیه 1/5 ولت و بار خازنی خروجی 1 پیکوفاراد شبیهسازی شدهاند.
بهره DC برای مدار پیشنهادی 87/25 دسیبل بهدست آمده است. همچنین حاشیهفاز و پهنای باند تقویتکننده نیز بهترتیب برابر با 67/4 درجه و 13 مگاهرتز میباشند. توان مصرفی برای تقویتکننده ارائه شده با توجه به ولتاژ کم تغذیه، 498/8 میکرووات میباشد که توان مصرفی مناسبی نسبت به کارهای مشابه محسوب میشود.
مقدمه
اخیراً، تحقیق در مدارهای مجتمع آنالوگ به سمت طراحیهای توان-کم ولتاژ-کم رفته است، چراکه یکی از شرایط مورد نیاز برای تجهیزات قابلحمل مانند تلفنهای همراه، لپتاپ، سمعکها و ضربانسازهای قلب میباشد
در همین راستا، با پیشرفت چشمگیر تکنولوژی در مقیاسهای پایین، امکان کار در ولتاژهای تغذیه کم برای طراحان فراهم شده است . - Khateb et al, 2013 - کاهش ولتاژ تغذیه میتواند محدودیتهایی را به مدار اعمال کند، از جمله این محدودیتها میتوان به کاهش سوئینگ ولتاژ خروجی اشاره کرد . از دیگر محدودیتهای کاهش ولتاژ تغذیه این است که ولتاژ آستانه1 ترانزیستور رفتار غیرخطی دارد. از اینرو طراحان باید تکنیکهای مختلفی را بهکار بگیرند تا بتوانند این محدودیتها را در کاربردهای ولتاژ کم از بین ببرند .
تقویتکنندههای عملیاتی به عنوان یکی از اساسیترین بلوکهای مدارهای مجتمع آنالوگ بهشمار میروند که باید شرایط موردنظر برای عملکرد مطلوب را دارا باشد. بهره DC بالا، پهنای باند گسترده، حاشیه فاز مطمئن، توان مصرفی و ولتاژ تغذیه پایین از جمله این ویژگیها میباشند. تقویتکنندههای عملیاتی در مدارهای معکوسکننده و غیرمعکوسکننده بهکار برده میشوند. ولی باید در نظر داشت که استفاده از آنها در این مدارها مستلزم این است که حالت مشترک ورودی بتواند ولتاژهای بین دو خط تغذیه را داشته باشد که اصطلاحاً به آن تقویتکننده ریل تا ریل2گفته میشود
ورودی ریل تا ریل یعنی اینکه چالش اساسی در طراحی تقویتکنندههای عملیاتی، ثابت نگه داشتن ضریب ترارسانایی 3 و جریانهای محدودساز در بازه ریل تا ریل ورودی است . - Botma et al, 1993 - در طراحی تقویتکنندههای ریل تا ریل یک چالش اساسی وجود دارد، طراحی طبقه ورودی این تقویتکنندهها باید بهنحوی صورت بگیرد که ضریب ترانسکنداکتانس gm و جریانهای محدود کننده ثابت باشند
در این مقاله، یک تقویتکننده ریل تا ریل جدید طراحی شده است که در طبقه ورودی آن از تکنیک تغییر سطح ولتاژ استفاده شده است . - Reda et al, 2015 - در طبقه خروجی نیز از روش فیدبک مثبت استفاده شده است که سبب ایجاد یک رسانایی4 منفی میشود. در نتیجه زسانایی خروجی تقویتکننده را حذف میکند. با استفاده از این روش، بهره DC و پهنای باند بالاتری نسبت به تقویتکننده مرسوم به دست آمده است که در بخش نتایج شبیهسازی مورد مقایسه قرار گرفتهاند.
ساختار کلی این مقاله بدین شرح میباشد: در بخش بعدی به بررسی عملکرد مدار پرداخته خواهد شد و سپس در بخش نتایج شبیهسازی، مدار تقویتکننده پیشنهادی و تقویتکننده ریل تا ریل مرسوم شبیهسازی شده و نتایج آنها به منظور مقایسه عادلانه قرار داده خواهند شد. در نهایت، این مقاله با بخش نتیجهگیری به پایان خواهد رسید.
تحلیل و بررسی عملکرد تقویتکننده پیشنهادی
شکل 1، تقویتکننده پیشنهادی با طبقه ورودی ریل تا ریل را نشان میدهد. در طراحی تقویتکنندههای ریل تا ریل، حالت مشترک باید بتواند هر مقداری بین دو منبع ولتاژ را اختیار کند. ولی زوجهای تفاضلی تنها میتوانند مقدار محدودی از این بازه ریل تا ریل را بپذیرند و این یک چالش برای طراحان محسوب میشود.
این زوجهای تفاضلی در ورودی تقویتکننده ریل تا ریل بهکار برده میشوند. بنابراین باید نحوه چیدمان ترانزیستورهای ورودی بهگونهای باشد که تقویتکننده بتواند برای تمام مقادیر ولتاژهای حالت مشترک بین ولتاژ دو منبع، عملکرد مناسبی داشته باشد. در تقویتکننده ریل تا ریل مرسوم یک تکنیک طراحی جدید برای ثابت نگه داشتن gm ارائه شده است که برای تمام محدوده ورودی حالت مشترک در طبقه ورودی تقویتکننده عملیاتی، مناسب است.
این طراحی مبتنی بر مدار تغییر سطح ولتاژ است که مدار سادهای است و پیچیدگی زیادی را به تقویتکننده تحمیل نمیکند . - Benhala et al, 2015 - تکنیک بهکار برده شده در طبقه ورودی تقویتکننده مرسوم، ابعاد ترانزیستورهای زوج تفاضلی و مقدار بهینه Ib1 را برای دستیابی به کمترین حد تغییرات gm، تعیین میکند. Ib1 برای بهبود دادن و جبران خطاهای ایجاد شده در تغییرات ولتاژ آستانه و دما بهکار برده شده است.
طبقه ورودی ریل تا ریل، به سیگنال حالت مشترک این اجازه را میدهد که مقادیر مختلف ولتاژ را از منبع تغذیه منفی تا مثبت اختیار کند.
شکل :1 مدار تقویتکننده ریل تا ریل پیشنهادی
