بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله یک تقویتکننده ترارسانایی با حداقل ولتاژ تغذیه، توصیف شده است. روشی جهت افزایش ترارسانایی مدارهای لازم جهت تأمین ولتاژها و جریان نقاط مختلف مدار ارایه میشود. برای کاهش محدودیت ولتاژ آستانه از روش راهانداز بدنه استفاده شده است و با ولتاژ تغذیه کمتر از یک ولت تقویت کننده با آرایش مدار کسکود تاشده به همراه تقویتکننده کمکی جهت رسیدن به بهره ولتاژ بالای 78 دسیبل با بهره واحد بیش از 153 مگاهرتز و پهنای باند 18 /5 مگاهرتز و با حداقل توان مصرفی 40 میکرو وات طراحی شده و با استفاده از نرمافزار HSPICE در تکنولوژی 0/18 میکرومتر شبیهسازی شده است.
-1 مقدمه
امروزه یکی از پارامتر های مهم در طراحی مدار آنالوگ و یا حتی در مدارهای دیجیتال کاهش توان مصرفی مدار است. در مدارهای آنالوگ توان مصرفی با مقدار ولتاژ تغذیه مدار رابطه مستقیم دارد. در مدارهای دیجیتالی نیز توان با مجذور مقدار ولتاژ تغذیه رابطه مستقیم دارد. بنابراین اینگونه نتیجهگیری میشود که با کاهش ولتاژ تغذیه میتوان به کاهش توان مصرفی مدار آنالوگ یا دیجیتال دست یافت. مزیت دیگر پایین بودن ولتاژ تغذیه، حمل و نقل آسان مدارها است چرا که میتوان از باتری کوچک به عنوان ولتاژ تغذیه در آنها بهره جست - مانند وسایل شنیداری - .
روشهای مختلفی در مدارهای با ولتاژ تغذیه کم یا توان کم ارائه شده است که از جمله آنها استفاده از ترانزیستورها با گیت دوتایی، کسکود تاشده، بایاس مدار با راه انداز بدنه، گیت شناور و بایاس ترانزیستورها در زیر آستانه میباشد. هر یک از این روشها بسته به نوع کاربرد مدار و پارامترهای خواسته شده مورد استفاده قرار میگیرند. صرفنظر از اینکه مقدار ولتاژ تغذیه چقدر باشد در مدارهای آنالوگ میبایستی شرایطی را برای هر ترانزیستور ایجاد کرد که در ناحیه اشباع کار کند.
بنابراین حداقل ولتاژ لازم در راهاندازی یک ترانزیستور بایستی کمی از ولتاژ آستانه آن ترانزیستور بزرگتر باشد. اما با توجه به محدود بودن ولتاژ آستانه ولتاژ تغذیه محدود خواهد شد. بنابراین نمیتوان ولتاژ تغذیه را به اندازه دلخواه پایین انتخاب کرد. ضمن آنکه وجود ولتاژ آستانه محدود موجب میشود تا نتوان دامنه سیگنال ورودی را بزرگ انتخاب کرد.
بنابراین در مدارهای ولتاژ پایین، دامنه ولتاژ ورودی به پایه گیت را نمیتوان بزرگ انتخاب کرد اما میتوان به جای اعمال سیگنال ورودی به پایه گیت ترانزیستور، آن را به پایه بدنه اعمال کرد. به چنین مداری، مدار با راهاندازی بدنه گفته میشود. طبیعی است که اعمال سیگنال ورودی به پایه بدنه دارای نقاط ضعف و قوتی است که قابل بحث میباشد. روش راهانداز بدنه اولین بار در سال 1987 توسط cuzinski پیشنهاد شد [1]، در سال 1991 نیز این روش عملی شده و در برخی از مدارهای مخابراتی استفاده شده است .[2] تاکنون مقالات زیادی در این زمینه ارائه شده است .[3] پایین بودن ترارسانایی پیوند سورس - بدنه ترانزیستور نسبت به ترارسانایی پیوند گیت به سورس، - حدود 5 برابر - باعث شده است که بهره این مدارها پایین باشد.
-2 راه اندازی از طریق بدنه
مصرف توان در افزارهها مقدار زیادی از توجه طراحان را به ساخت آی سیهایی با ویژگی LP و LV جلب نموده است. روش راه انداز بدنه مسیر امید بخشی روبروی طراحان، در زمینهی بسیاری از جنبه های اصلی ساده و کاربردی ماسفت های رایج را ایجاد نموده است. با توجه به مرجع [4] از اهداف اصلی در طراحی تقویت کننده، بالا بردن بهره به همراه توان کم و پهنای باند UGB - ، پهنای باند بهره واحد - زیاد است. راهاندازی از طریق بدنه به طور عمده در طبقهی ورودی تقویتکننده دیفرانسیلی و آینه جریان استفاده میشود
بر اساس مرجع [ 7] سه دلیل اصلی استفاده ولتاژ منبع تغذیه کم، یا توان مصرفی پایین به این صورت است: اولا، کاهش منبع ولتاژ از 3 تا 5 ولت به 1ولت، ثانیا، افزایش المانهای تراشهها - یک تراشه سیلیکونی مقدار محدودی توان را در هر واحد میتواند تحمل کند - و ثالثا، نیاز به باتریهای قابل حمل که باید مدت زمان طولانی قابل استفاده باشند. دستیابی به این امر نیاز به ولتاژ پایین برای منبع تغذیه و توان مصرفی پایین مدار را میطلبد. از معایب اصلی استفاده از روش راهاندازی از طریق پایه بدنه این است که، چون gmbکوچکتر از gm میباشد ، موجب کاهش تقویت کنندگی و کاهش UGB یا پهنای باند بهره واحد میشود که میتوان با طراحی مناسب مداری، نقص فوق را جبران نمود و نتایج بهتری به دست آورد. در تکنیک BD به جای وصل پایه بدنه به , یا ترمینال سورس، این پایهی چهارم را به سیگنال ورودی وصل مینمایند تا ولتاژ آستانه کاهش یابد. همچنین میتوان با ترکیب تکنیک مذکور با سایر روشهای طراحی تقویت کننده، مثل فیدبک و.... به نتایج بسیار خوبی دست یافت.
اساس روش راهاندازی با بدنه این است که ولتاژ گیت - سورس در اندازهای تنظیم میشود که یک لایهی وارونه را شکل دهد. سیگنال ورودی برای راه اندازی و تقویت، به پایهی بدنه ترانزیستور متصل میشود. از آنجا که ولتاژ بدنه روی ضخامت ناحیه تهی وابسته به لایه وارونه - کانال هدایت - اثر دارد، جریان درین میتواند توسط شدت ولتاژ بدنه از طریق بدنه کنترل شود.
در متن پیش رو یک تقویت کننده متقارن با ولتاژ و توان پایین و پهنای باند بالا به عنوان یک مدار OTA طراحی شده است که شکل - 1 - مربوط به آن میباشد .[6] در این طرح ورودیها به پایه بدنه ترانزیستورهای Nmos ورودی، bاعمال شده است و سرهای گیت آنها با یک ولتاژ ثابت، بایاس شدهاند. بنابراین ترانزیستورهای Nmos در ناحیهی فعال قرار میگیرند. در این حالت ولتاژ آستانه میتواند کاهش یابد و یا از مسیر سیگنال حذف شود. در این طراحی ولتاژ تغذیه مدار با ولتاژ یک ولت قادر به ارایه بهره 5/4 دسیبل بیشتر و پهنای باند تغییر یافته از چند صد کیلو به چند ده مگاهرتز میباشد.
شکل -1 آپ امپ دوطبقه با راه انداز بدنه و خروجی تک سر
در این مدار یک خازن جهت جبرانسازی استفاه شده است. این مدار به دلیل قطب آیینهای ایجاد شده درگرهی گیت یا درین M4، سه قطب دارد به همین جهت به جبرانسازی مناسبی نیاز است که خازن خروجی بهطور تقریبی اینکار را انجام می دهد، اما همانطور که در جدول - 1 - نشان داده شده است حاشیه فاز بالایی را میدهد که با توجه به حاشیه فاز مطلوب - 65 - ، خیلی مناسب نیست. زیرا سبب کاهش سرعت مدار میشود.
جدول -1 نتایج حاصل از شکل - 4-2 -
