بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی یک تقویتکننده عملیاتی فولدد کسکود بالک-درایو با راه اندازی از طریق بالک-درایو - راه اندازی از طریق بدنه - در ناحیه زیر آستانه میپردازد که هدف اصلی در این مقاله کاهش توان مصرفی است و با استفاده از تکنیک جریان موازی کمک به افزایش بهره میکند. نتایج بهدست آمده نشان دهنده دستیابی به هدف مورد نظر در این مدار میباشد. طراحی تقویتکننده عملیاتی با ولتاژ 0.3V ولت راه اندازی شده است و توان مصرفی به دست آمده برابر با 99nw و بهره و پهنای باند بهدست آمده به ترتیب برابر است با 55dB و 7KHz است.
-1 مقدمه
امروزه کاهش ولتاژ کاری و توان مصرفی در مدارهای الکترونیکی برای دستیابی به رسیدن حداقل اندازه و وزن باتریهای قابل حمل و طول عمر مفید آنها موجب شده است که این چنین تقویتکنندههایی - OTA - را طراحی کنیم. کاربرد این چنین تقویتکنندههای کم مصرف و ولتاژ پایین برای بلوکهای Gm-C و در مدارهای مخابراتی، بیسیم و وسایل سیار استفاده میشود. روشهای مختلفی برای کم کردن ولتاژ تغذیه تقویتکنندهها وجود دارد مانند استفاده از پمپهای بار، - در صورت امکان - از ترانزیستورهای اکسید فلز نیمههادی - MOSFET - و اعمال سیگنال به پایه بدنه و کاهش ولتاژ آستانه - وارونگی ضعیف - . - 10-5 - یک روش مقابله با توان مصرفی، بایاس ترانزیستورها در ناحیه وارونگی ضعیف که قادر میسازد در ناحیه زیر آستانه عمل میکند .
- 11 - برای کاهش ولتاژ و تلفات توان مدارهای CMOS در ناحیه وارونگی ضعیف عمل میکنند. اگر نسبت gm/I بهخوبی انتخاب شود راندمان انرژی بالایی را ارائه میدهد . - 13-12 - یک فیلتر مجتمع R-mosfet با توان پایین، خطینگی خوب و پهنای باند فرکانسی قابل تنظیم ارائه شده است. حذف حالت مشترک تقویتکنندههای ترارسانایی عملیاتی cross forward - OTA - و مقاومت خطی زیر آستانه R-mosfet و مقاومت خطی زیر آستانه R-mosfet هر دو ترانزیستورها در ناحیه زیر آستانه عمل میکنند . - 14 - مدار OTA خطی که بر اساس تکنیک جدید بایاس تطبیقی اراده شده است.
با استفاده از کنترل کامل یک مدار کمکی توان پایین برای تزریق جریانهای مناسب برای دنباله جریان منبع زوج دیفرانسیل تنها با مصرف 13% کل تمام مصرفی، مدار بایاس تطبیقی پیشنهادی در تمام شرایط خطینگی Gm را بهطور قابل توجهی بهبود میبخشد، به لطف استفاده از دو کنترل ولتاژ که مدار را برای بهترین حالت Gm هر OTA تنظیم میکند . - 15 - برای بهبود بهره ولتاژ در طبقهی ورودی OTA بالک-درایو از یک زوج دیفرانسیل جریان موازی استفاده کرده است . - 16 -
در طبقهی ورودی OTA بالک-درایو از یک زوج دیفرانسیل جریان موازی استفاده کرده است . - 16 - در طبقهی ورودی OTA های بالک-درایو از تکنیک فیدبک مثبت استفاده شده است که در چندین کار اخیر به تصویب رسیده است 20 - و 19 و 18 و . - 17 فیدبک مثبت یک مقاومت منفی ایجاد میکند که برای افزایش بهره DC به کار میرود. تنظیم ترارسانایی برای جبران تغییرات PVT، توسط یک ترانزیستور MOS در ناحیه قطع یک مقاومت بزرگ ایجاد میکند زیرا مقاومت کوچک بیشترین نویز را ایجاد میکند . - 21 - برابر با بهره تقویتکننده تک طبقه است. بنابراین بهره یک ساختار تک طبقه را ارائه میدهد. این افزایش بهره بدون شاخههای اضافی جریان و توان مصرفی به دست میآید و اطمینان حاصل خواهد شد که مدار کارآمدی به دست خواهد آمد - 22 - مدار پیشنهادی با استفاده از بازخورد مثبت در طبقهی ورودی، نیاز به جریان راه انداز برای کار در جریانهای 18nA را دارد.
بنابراین طبقهی ورودی OTA ارائه شده بهطور همزمان از طریق بالک و گیت راه اندازی میشود که این مدار در ناحیه زیر آستانه بایاس شده است - . - 23 برای رسیدن به محدوده rail to rail از دو تکنیک شبه دیفرانسیلی و ترانزیستورهای بالک-درایو با تغذیه پایین استفاده خواهد شد - . - 24 برای بهبود بهره ولتاژ در طبقهی ورودی OTA بالک-درایو از یک زوج دیفرانسیل جریان موازی کمکی استفاده کرده است - . - 25 در راه اندازی ترانزیستورها از طریق بالک، ولتاژ - Vth - یا ولتاژ آستانه از طریق VBS - ولتاژ بالک-سورس - کنترل میگردد و در نتیجه جریان درین تنظیم میشود. در این حالت، حتی وقتی ورودی صفر است نیز ترانزیستور میتواند فعال باشد . - 26 -
SUB-THRESHOLD -2-2
عمل در ناحیه زیر آستانه، شارش جریان مبتنی بر جریان است. در این حالت، ولتاژ گیت-سورس - VGS - کمتر از مقدار - Vth - ولتاژ آستانه است . - VGS<VTH - ترانزیستور از طریق مدولاسیون یا تلفیق جریان نشتی عمل میکند و این نتایج در یک کاهش نمایی در تخلیه شدت جریان است. از آنجا که جریان درایو بار راه اندازی در مدارهای زیر آستانه آهستهتر است. جریان درین - ID - در ناحیه زیر آستانه برابر است با: M فاکتور شیب در ناحیه زیر آستانه و VT ولتاژ حرارتی است که VT= - KT/q - ، در این محاسبه VT ولتاژ حرارتی و k ثابت بولتزمنT و q به ترتیب دمای مطلق و مقدار بار الکتریکی در یک الکترون است.
-3 ساختار مدار پیشنهادی
هدف کار در این مقاله، پایین آوردن توان مصرفی است که از روشهای مطرح طراحی تقویتکننده - OTA - بهمنظور کاهش توان مصرفی، روش راه اندازی از طریق پایه بالک یا همان پایه بدنه در ترانزیستور میباشد و این روش سیگنال ورودی به پایه چهارم ترانزیستور اعمال خواهد شد و این امر باعث کاهش ولتاژ آستانه و از طرفی بایاس آنها در ناحیه زیر آستانه یعنی زمانی که ولتاژ گیت-سورس تقریباً به اندازه 100Mv کوچکتر از ولتاژ آستانه باشد که در مجموع استفاده از این دو روش باعث کاهش ولتاژ تغذیه و توان مصرفی میباشد. طبقهی ورودی OTA یک ساختار فولدد کسکود بهکار رفته است که باعث بالا رفتن بهره در مدار میشود.
مابقی مقاله به شرح زیر است: روش طراحی در بخش 2، در بخش 3 ساختار مدار پیشنهادی و تجزیه و تحلیل تئوری نتایج شبیه سازی شده و در بخش 4 به مقایسه نتایج مدار پیشنهادی با دیگر کارها پرداخته شده و در بخش 5 ضریب شایستگی مطرح شده و در بخش آخر نتیجه گیری مدار صورت گرفته است. در طبقهی ورودی بالک-درایو طبق شکل - 1 - سیگنال به ورودی یک بالک-درایو زوج دیفرانسیل اعمال میشود و جریان درین-سورس - Ids - را مدوله سازی میکند.
در شکل - 2 - تقویتکننده عملیاتی مدار بالک-درایو که پیشنهاد شده، مشاهده میشود که ترانزیستورهای ورودی بهصورت کسکود و به همراه ترانزیستورهای جریان موازی سیگنال را به خروجی منتقل میکند و سیگنال تقویت خواهد شد، ترانزیستورهای - M1-M4 - PMOS و ترانزیستورهای - M5-M7 - NMOS در ترارسانایی مدار نقش مؤثری دارند. در شکل - 2 - ترانزیستورهای - M12 - NMOS برای منبع جریان دنباله و ترانزیستورهای - M9-M11 - PMOS برای منابع جریان بار بایاس شده است . - 27 -
طبقهی خروجی یک مدار کسکود قرار دارد که شامل ترانزیستورهای - M13-M18 - که سیگنال را از طبقهی اول به طبقهی دوم - خروجی - منتقل میکند. در ساختار پیشنهادی که در شکل - 2 - نشان داده شده، ترانزیستورهای NMOS - M5,M6 - اتصال دیودی هستند، بنابراین جریانهای AC و DC، زوج دیفرانسیل کمکی که پیشنهاد شده مسیرهای مختلفی دارد. جریانهای DC از طریق ترانزیستورهای NMOS - M7,M8 - جاری میشود که تقریباً هیچ جریان AC از طریق - M7,M8 - جاری نمیشود از آنجایی که آنها امپدانس بالایی را برای سیگنالهای متناوب نشان میدهد و در این طراحی ترارسانایی ورودی میزان قابل توجهی در ترارسانایی تمام مدار تأثیر خواهد داشت.
مزیت استفاده مدار پیشنهاد شده نسبت به کارهای اخیر انجام شده این است که در طبقهی ورودی از یک مدار کسکود استفاده شده که میتوان بهره مدار را افزایش داد و مهمتر از آن، تمرکز اصلی در این مقاله پایین آوردن ولتاژ و توان مصرفی است که توانسته شد با استفاده از ورودی بالک-درایو و بایاس مدار در ناحیه زیر آستانه و با ولتاژ تغذیه - 0.3V - ولت توان مصرفی را کاهش داد. در مدار ارائه شده بهرهی هر طبقه و بهره کلی مدار بهدست آمده است. در مدار پیشنهاد شده برای افزایش بهره با بالا بردن - gmb - ترانزیستورهای - M1-M4 - و - M5-M7 - میتوان بهره مدار را افزایش داد که در آن - gmb1-gmb4 - ترارسانایی ترانزیستورهای - M1-M4 - PMOS و gmb5- - - gmb7 ترارسانایی ترانزیستورهای - M5-M7 - NMOS است.
