بخشی از مقاله

چکیده:

مقالهی حاضر به فرایند طراحی و شبیهسازی یک تقویت کنندهی تمام تفاضلی کسکود تاشده پرداخته شده است. هدف از این طراحی، یافتن مصالحه ای برای داشتن توان مصرفی کمینه، پهنای باند عبور از بهره واحد بیش از 200 مگاهرتز، بهرهی بیش از 70 دسیبل، نرخ چرخش بیش از 100 ولت بر میکروثانیه، دامنهی متقارن خروجی 0.9 ولت، حاشیهی فاز بالای 60 درجه، ولتاژ مد مشترک خروجی 0.95 ولت و ولتاژ مد مشترک ورودی 1.25 ولت بوده است که در مقایسه با تقویت کننده ها ساده و کسکود از نظر بهره و سوئینگ خروجی عملکرد بهتری داشته است.ابتدا با تحلیل تئوری، ابعاد ترانزیستورهای تقویت کننده را برای رسیدن به خواستههای مطلوب محاسبه نمودیم. برای بایاس ترانزیستورها یک منبع جریان خود بایاس از نوع سورس و تبدیل شده ی آن به سینک را در نظر گرفتیم.

سپس تقویتکننده را به همراه یک مدار فیدبک مد مشترک ایده آل شبیه سازی کردیم و ضمن ارائه ی نتایج شبیهسازی سعی کردیم این نتایج و دلیل تفاوتهای بین تئوری و شبیه سازی را تحلیل کنیم. آنگاه یک مدار فیدبک مد مشترک واقعی را جایگزین مدار ایدهآل نمودیم و شبیهسازی را تکرار کردیم.این طراحی دارای بهرهی 72.082 دسیبل، پهنای باند بهره واحد 287.33 مگاهرتز، بیشینه دامنه متقارن نوسان خروجی 0.907 ولت، حاشیهی فاز 60.08 درجه، نرخ چرخش 116 ولت بر میکروثانیه، حداکثر اعوجاج هارمونیکی کل 19.6 درصد و توان مصرفی 4.2351 میلیوات است. البته افزودن یک مدار فیدبک مد مشترک واقعی به میزان 0.45 میلی وات به این توان میافزاید.در پایان معیاری را به صورت تقسیم حاصل ضرب بهره در پهنای باند بهرهی واحد بر توان مصرفی در نظر گرفتیم. این معیار برای تقویتکنندهی ما 288.71234 دسیبل بدست آمد.

واژه های کلیدی: تقویت کنندههای تفاضلی، فولدد کسکود، حاشیه فاز، پایداری، توان مصرفی.

-1 مقدمه    

تقویت کنندههای تفاضلی به دلیل داشتن بهره dc زیاد و سرعت مناسب، جزء بسیار رایجی در طراحی مدارات مجتمع امروزی هستند. [1] این تقویت کنندهها میتوانند به صورت تک سر یا تمام تفاضلی مورد استفاده قرار بگیرند. به منظور افزایش بهره، تقویت کنندهی تفاضلی معمولی را با آرایش کسکود جایگزین میکنند.اما این سبب کاهش دامنه نوسانات متقارن خروجی میشود. به منظور افزایش دامنه نوسانات متقارن خروجی بدون کاهش بهره، از ساختاری به نام کسکود تاشده مانند آنچه در شکل - - 1 آمده است استفاده میکنیم.در این طراحی سعی شده است میان پارامترهای توان مصرفی، نرخ چرخش2، پهنای باند بهره واحد 3، حاشیه فاز4 و بهره dc تقویت کننده مصالحهی مناسبی صورت گیرد.جریان ترانزیستور M3 - به صورت متقارن - M4 به دو شاخه شامل ترانزیستورهای M1 - به صورت متقارن - M2 و M5 - به صورت متقارن - M6 وارد میشود. توان مصرفی وابسته به مجموع جریان کشیده شده از منبع تغذیه توسط ترانزیستورهای M3 و M4 است. همچنین اختلاف جریان ترانزیستورهای M3 و M1 - به صورت متقارن M4 و - M2 تعیین کننده نرخ چرخش مثبت مدار است. بنابراین جریانهای بایاس به طور مستقیم روی نرخ چرخش اثر گذار هستند .[1]

-2 تحلیل نظری

برای تحلیل و طراحی دستی مقادیر زیر در طراحی در نظر گرفته شدهاند.با توجه به موارد خواسته شده در پروژه میتوان مقادیر حداقل جریان و gm ترانزیستور M1 - به صورت متقارن - M2 را تعیین کرد.در طراحی مقادیر و به ترتیب 1 میلی آمپر و 10 میلی زیمنس در نظر گرفته شدهاند. بنابراین ابعاد ترانزیستورهای M1، M2 و M11 به صورت زیر محاسبه میشوند.با استفاده از رابطه - 6 - ابعاد M11 به صورت زیر تعیین میشود.ابعاد M1 و M2 نیز از رابطه - 8 - برابر با مقادیر زیر بدست میآیند. جریانهای این دو ترانزیستور را برابر نصف جریان M11 در نظر گرفتهایم.با توجه به رابطه - 1 - ولتاژهای بایاس مورد نیاز ترانزیستورها به صورت زیر محاسبه میشوند.

اکنون حداکثر دامنه متقارن نوسانات خروجی را محاسبه مینماییم. در زیر، منظور از حداقل ولتاژی است که میتواند در خروجی ظاهر شود به طوری که تمام ترانزیستورها در ناحیهی اشباع باشند و نیز بیانگر حداکثر ولتاژ خروجی است که به ازای آن تمام ترانزیستورها در ناحیه اشباع باقی بمانند.با انتخاب ولتاژ Vcmo = 0.95V، حداکثر دامنه نوسانات متقارن خروجی - یک طرفه - برابر با 0.9 V - P-P - بدست میآید.در ادامه به منظور داشتن نرخ چرخش متقارن جریان ترانزیستور M3 - به صورت متقارن - M4 را برابر جریان M11 در نظر میگیریم. به این ترتیب جریان عبوری از M5 نصف M3 خواهد بود.[1] حال با داشتن تمام جریانها میتوانیم ابعاد بقیهی ترانزیستورها را محاسبه نماییم.

 -3 مدار بایاس

به منظور تأمین ولتاژ بایاس ترانزیستورهای NMOS مدار تقویت کننده از یک منبع جریان کسکود خودبایاس مطابق شکل - - 2 استفاده کردهایم. همچنین با تبدیل منبع جریان سورس به سینک از همان نوع، ولتاژ بایاس ترانزیستورهای PMOS تأمین شده است. با توجه به ولتاژهای بایاس مورد نیاز بدست آمده در قسمت قبل، ولتاژ بین درین و سورس ترانزیستورهای مدار بایاس در ناحیهی اشباع برابر 0.2V بدست میآیند. بنابراین میتوان اندازه مقاومتها و ابعاد ترانزیستورها را به صورت زیر محاسبه کرد.

-4 مدار فیدبک مد مشترک
ولتاژ خروجی تقویت کنندههای کسکود تاشده تمام تفاضلی خوش تعریف5 نیست، بنابراین تضمینی وجود ندارد که ولتاژ مد مشترک خروجی در وسط خط بار - یا هر مقدار مطلوب - قرار گیرد. به منظور رفع این مشکل از مدار فیدبک مد مشترک6 استفاده میشود. مدار استفاده شده در شکل - - 3 نشان داده شده است.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید