بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، یک ساختار جدید برای جبران سازی مدارهای تقویت کننده عملیاتی توسط مدار بافر جریان ارایه شده است. اگر چه به کمک جبران سازی به وسیله بافر جریان میتوان به مشکلاتی که در جبرانسازی با سایر روش ها مانند جبران به-کمک یک مقاومت بی اثر یا جبرانسازهای مبتنی بر بافر ولتاژ ، غلبه کرد اما این روش مانند سایر روش های جبرانسازی ساده و آسان نیست. در واقع، محدودیتی که بر روی مقاومت ورودی بافر جریان به منظور دستیابی به جبران فرکانسی وجود دارد به دلیل وجود قطب مزدوج مختلط در تابع تبدیل ایجاد میشود.
در این مقاله نشان داده شده است که، چگونه میتوان یک تقویت کننده عملیاتی ناپایدار را، توسط یک بافر جریان و یک خازن جبران سازی پایدار نمود. روابط ریاضی تقویت کننده و ساختار جبران سازی آورده شده است. نتایج شبیه سازی مدار توسط نرم افزار HSPICE و با مدل ترانزیستوری 0.18 ʽm CMOS صحت روابط ریاضی را اثبات میکند. توان مصرفی در این مدار 790 ʽw میباشد. اینطور مشخص میشود که بهترین مقدار پارامتر حلصلضرب بهره در پهنای باند مربوط به روش جبرانسازی به کمک روش پیشنهادی است.
-1 مقدمه
در تقویت کنندههای دو طبقه CMOS به منظور رسیدن به پایداری در شرایط حلقه بسته از روش جبرانسازی میلر استفاده میشود.[1-7] متاسفانه، در این روش جبرانسازی از طریق خازن جبران ساز مسی ر مستقیمی به سمت خروجی شکل میگیرد که سبب ایجاد یک صفر سمت راست در بهره حالت حلقه باز میشود. وجود یک صفر سمت راست جبران نشده سبب میشود مقدار پارامتر حاصلضرب بهره در پهنای باند از آن میزان حداکثری که میتواند داشته باشد بشدت کاهش یابد، دلیل این کاهش یک میزان فاز منفی است که در فرکانسهای نسبتا بالا برای بهره حاقه باز ایجاد میشود. در نتیجه، جبران صفر سمت راست الزامی است
پس از جبران صفر سمت راست، عاملی که حداکثر میزان پارامتر حاصلضرب پهنای باند را محدود میکند قطب دوم سیستم است. در واقع، به منظور تضمین یک حاشیه فاز کافی، - برای دستیابی به حداقل زمان نشست در % 1 حاشیه فاز باید 70 درجه باشد .[2] پس بایستی نسبت قطب دوم، به حاصلضرب بهره در پهنای باند به درستی انتخاب شود. ای ن مقدار برابر با حاشیه فاز است که با پارامتر تانژانت آن نشان داده میشود
به عنوان مثال، یک حاشیه فاز بین 60 تا 76 درجه با مقادیر K معادل 1/73 تا 0/ 4 برابر است. از طرف دیگر، همانطور که در رابطه زیر نشان داده شده است، به ترارسانایی طبقه اول gm1 و خازن جبران CC بستگی دارد.
تکنیکهای مختلفی برای جبرانسازی صفر سمت راست در تقویت کنندههای دو طبقه CMOS ارائه شدهاند. در ابتدا این روشهای جبرانسازی در تقویت کنندههای [10] NMOS و سپس در تقویتکنندههای CMOS استفاده شدند .[11] در این روشهای جبران، مسیر مستقیمی که به وسیله خازن جبران ایجاد میشود با استفاده از یک بافر ولتاژ در شاخه جبران شکسته میشود. پس از آن، یک روش جبران پیشنهاد شد که در آن از یک بافر جریان استفاده شد تا مسیر مستقیم ایجاد شده را بشکند
در نهایت، هر دو روش بافر جریان و بافر ولتاژ میتوانند برای جبران صفر سمت راست مورد استفاده قرار بگیرند .[14] شناخته شدهترین روش جبران همان روش مبتنی بر مقاومت بی اثر است، به این دلیل که تنها با یک ترانزیستور MOS که در ناحیه خطی قرار دارد میتوان این شبکه جبران را ساخت. با جایگذاری شبکه جبرانسازی نشان داده شده در شکل - 1ب - در مدار - 1الف - ، فرکانس قطب دوم برابر است با :
- ب - : شبکه جبران ساز پیشنهاد شده با بافر جریان شکل :1 تقویت کننده عملیاتی دو طبقه
اتخاذ یک بافر ولتاژ ایدهآل - به عنوان مثال، با مقاومت خروجی صفر - ، برای جبران صفر سمت راست قطب دومی مشابه با آنچه در - 3 - بدست آمد ایجاد میکند و بنابراین GBW نیز مشابه حالت قبل بدست میآید. از سویی دیگر، مقاومت خروجی محدود یک بافر ولتاژ واقعی، منجر به ایجاد یک صفر سمت چپ میشود که میتواند صفر و قطبهای جبرانساز را به طور موثری تحت تاثیر قرار دهد و سبب افزایش حاصلضرب بهره در پهنای باند شود .[16] قطب دوم به صورت زیر محاسبه میشود:
که در آن gm2 ترارسانایی طبقه دوم، CL خازن بار و Co1 خازن معادل خازنهای طبقه اول است. با جایگذاری کردن روابط - 2 - و - 3 - در - 1 - و حل معادله برای یافتن - CC - خواهیم داشت:
که در آن Cb خازن پیشخور بافر ولتاژ است. مجددا، با جایگزینی روابط - 2 - و - 5 - در رابطه - 1 - و حل معادله برای یافتن CC خواهیم داشت:
بنابراین، خازن شبکه جبران، یک وابستگی خطی به خازن بار دارد.
- الف - : مدار تقویت کننده به همراه جبران ساز
خازن جبران بدست آمده در رابطه - - 6 نسبت به مقداری که در رابطه - 4 - بدست آمد کوچکتر است، جدا از اثر کوچک Cb مقدار خازن Cc در این رابطه به ابعاد Co1+Cb وCL نیز وابسته است.[16] پارامتر حاصلضرب بهره در پهنای باند، در روش جبرانسازی مبتنی بر بافر ولتاژ نسبت به روش جبرانسازی مقاومت بی اثر بهینه سازی بهتری دارد .[15] ازسوی دیگر، به نظر میرسد روش جبران مبتنی بر بافر جریان به عنوان مثال، زمانی که بلوک جبران در شکل 1 با مدار شکل 1 - ب - جایگزین شود برای هر دو پارامتر حاصلضرب بهره در پهنای باند و نسبت رد منبع تغذیه - PSRR - مقدار کافی و قابل قبولی دارد آن توسط شکل 1 - ب - جایگزین شده است.
علاوه بر این، در این روش جبران، برخلاف روش بافر ولتاژ که باعث کاهش سویینگ خروجی تقویت کننده
میشود چنین محدودیتی وجود ندارد. با در فرض وجود یک منبع جریان ایدهآل در شاخه جبرانسازی، قطب دوم به صورت زیر بدست میآید که منجر به ایجاد یک خازن جبران با مقدار زیر میشود :
شکل : 2 مدار معادل جبران سازی
بمنظور سادگی کار ، فرض می کنیم پاسخ فرکانسی بافر جریان ایده آل است - بدون خازن ورودی - - Cb - با استفاده از رابطه - 8 - در مرجع [23] خواهیم داشت.
چون معمولا Cb Co1 CL و gm1 gm2 است از اولین جمله رابطه - 8 - صرف نظر میشود و در نهایت مقدار خازن جبران در این حالت از آنچه که در رابطه - 6 - نیز بدست آمد کوچکتر میشود. بنابر این عملکرد قابل حصول جبران ساز مبتنی بر بافر جریان ایده ال کمی بهتر از جبرانساز بهینه شده بافر ولتاژ خواهد بود.
در ساخت یک بافر جریان ایدهآل را میتوان از تکنولوژی Bicmos با استفاده از یک ساختار بیس مشترک به جای یک ترانزیستور گیت مشترک بهره برد. با این حال، اجرای روش جبرانسازی با یک بافر جریان واقعی - به عنوان مثال، با مقاومت ورودی محدود - مانند سایر روشهای جبرانسازی ساده و آسان نیست. در واقع، در بخش بعدی نشان داده خواهد شد شرایط مناسبی باید فراهم شود تا عملکرد درست این روش جبرانسازی تضمین گردد بطور خلاصه روش جبرانسازی مبتنی بر بافر جریان در شرایط بافر ایدهآل در نظر گرفته شده است و همچنین معادلات مربوط به بهینهسازی آن بر همین اساس طراحی گردیده است.
-2 طرح جبران سازی پیشنهادی
مدار شکل 2 در نظر بگیرید. این شکل مدار معادل سیگنال کوچک مدار تقویت کننده شکل1 - الف - است بلوک جبرانساز که در آن - - gmb=1/r b عکس مقاومت ورودی بافر جریان است.معادله - 9 - دارای یک صفر سمت چپ است، مگر اینکه - gmb - بزرگتر از - gm1 - باشد همچنین این رابطه دارای دو قطب مزدوج مختلط است که فرکانس O را ایجاد میکنند و ضریب میرایی - - آنها برابر با رابطه زیر است:
برای بهینه سازی پهنای باند،باید - - gmb مقداری برابر با دو برابر gm1 داشته باشد، همانطور که در روابط بعد نشان داده شده ضریب میرایی کمتر از 0/5 است و قطبهای مزدوج مختلط دارای رفتار حالت زیر میرا هستند. به منظور تضمین وجود رفتاری مشابه با حالت وجود یک قطب غالب بخش حقیقی قطب ها یعنی - - O باید بزرگتر از GBW باشد.
