مقاله طراحی یک تقویت کننده عملیاتی جدید برای کاربرد در مدارهای ولتاژ مرجع

بخشی از مقاله

چکیده

یک قسمت مهم در طراحی مدارهای مجتمع آنالوگ، طراحی و ساخت جریان ها ولتاژهای مرجع با مقادیر بخوبی تعریف شده می باشد. برای اینکه این کار بر روی تراشه و بصورت مجتمع انجام شود، معمولا از مدارهای مرجعی استفاده می شود که مدارهای مرجع گاف انرژی نامیده می شوند. این مدارها نیاز به تقویت کننده های عملیاتی با بهره ی بالا دارند تا بتوانند تغییرات دمایی بسیار پایینی داشته باشند. در این مقاله یک مدار جدید برای تقویت کننده ی عملیاتی پیشنهاد و ارائه می گردد.

-1 مقدمه

ایده به کارگیری تقویت کنندههای عملیاتی یا آپ امپ اولین بار در دهه 1940 میلادی و در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد . [4] در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقویت کننده عملیاتی مدارهای مختلف با کاراییهای متفاوت طراحی میشد. با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت. در سال 1960 میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید.

پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کنندههای عملیاتی خاص فراهم نمود. تقویت کننده عملیاتی در واقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیاربالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل میکنند. به عبارت دیگر این تقویت کننده اختلاف ولتاژ بین ورودی را تقویت میکند.

یکی از دو سر، ورودی منفی - - - یا معکوس کننده نام دارد، زیرا تقویت کننده برای ورودیهای اعمال شده به این سر دارای بهره منفی خواهد بود. سر دیگر ورودی مثبت - + - یا غیر معکوس کنندهاست و سیگنالهای ورودی به این سر، در خروجی با بهره مثبت ظاهر میشوند. این تقویت کننده دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک - حدود چند اهم - بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی - بیش از چند صد کیلو اهم - برخورداراست. بعلاوه به دلیل اینکه آپ امپ تفاضل سیگنال های ورودی را تقویت می کند و از آنجایی که نویز محیط بطور یکسان در دو سر ورودی ظاهر می گردد، بنابراین می تواند نویز محیط را حذف نماید.

بعلاوه اگز خروجی آپ امپ نیز بصورت دیفرانسیلی باشد، قابلیت حذف نویز افزایش می یابد و بهره ی نهایی دو برابر می گردد. دلیل آن این است که دو خروجی آپ امپ بهره ی مود مشترک را با علامت یکسان و بهره ی تفاضلی را با علامت مخالف تقویت می کند. بنابراین نویز که بصورت مود مشترک در ورودی های آپ امپ ظاهر می گردد، حتی اگر به دلیل غیر ایدآلی هایی حذف نشود، در خروجی های آپ امپ بصورت یکسان ولی با بهره ی بسیار کوچک - کوچکتر از - 1 ظاهر می گردد. بنابراین، اگر خروجی بصورت دیفرانسیلی باشد، نویز کاملا حذف می گردد.

درواقع، تقویت کننده های عملیاتی عنصر اساسی بسیاری از سیستم های آنالوگ و مرکب - آنالوگ-دیجیتال - هستند. آپ امپ ها با درجات متفاوتی از پیچیدگی برای تحقق کارهای مختلف از تولید بایاس DC گرفته تا تقویت سرعت بالا و یا فیلتر کردن بطور گسترده استفاده می شود

تقویت کننده های عملیاتی دیفرانسیلی نسبت به تک سر دارای مزایایی نظیر سویینگ بالا، بهره ی بالاتر، عدم داشتن قطب آینه ای و در نتیجه سرعت بالاتر و همچنین نویز کمتری می باشد. اما این تقویت کننده ها برای عملکرد صحیح نیاز به مدار فیدبک مود مشترک یا CMFB دارند و این طراحی این تقویت کننده ها را پیچیده تر می کند.

در این مقاله، یک مدار تقویت کننده ی عملیاتی در تکنولوژی 0.18 ʽm CMOS به منظور داشتن بهره ی بالا برای کاربرد در مدارهای ولتاژ مرجع طراحی و شبیه سازی خواهد شد. نشان خواهیم داد که مدار پیشنهادی دارای بهره و پهنای باند بسیار بالایی می باشد. بعلاوه از آنجایی که قرار است این مدار در دماهای بسیار بالا نیز کار کند، بنابراین طراحی را بگونه ای انجام می دهیم که تقویت کننده در دماهای بسیار بالا نیز نیازهای تقویت کننده، شامل بهره ی بالا، سویینگ خوب و سرعت و پهنای باند زیاد را برآورده نماید. طراحی را به ازای دماهای بین -40 درجه تا +120 درجه انجام داده و تقویت کننده ای طراحی می کنیم که در تمامی این دماها عملکرد مطلوبی داشته باشد در حالی که در مدارهای ارائه ی شده ی قبلی طراحی فقط در دمای اتاق انجام شده است. برای جبران پاسخ فرکانسی تقویت کننده ی اصلی از تکنیک حذف قطب با استفاده از افزودن صفر استفاده میگردد که این کار با استفاده از قرار دادن خازن و مقاومت در مسیر سیگنال خروجی تقویت کننده ی اصلی انجام می شود. مقاومت نیز با استفاده از ترانزیستور طراحی می گردد.

مدار پیشنهادی

یکی از مهمترین پارامترهای تقویت کننده ی عملیاتی، بهره ولتاژ آن می باشد. محققان همواره در تلاش هستند که بهره ی تقویت کننده ی عملیاتی را افزایش دهند بدون آنکه سایر پارامترها خراب گردد. برای افزایش بهره ولتاژ بیشتر، مدار شکل 1 را پیشنهاد می کنیم. در این مدار گیت ترانزیستورهای M12,13 بجای اینکه به بایاس ثابت وصل شوند بصورت ضربدری به درین M3,4 وصل شده اند. در واقع در این ساختار از اتصال ضربدری استفاده کرده ایم. این اتصال ضربدری نوعی فیدبک مثبت ایجاد می کند که باعث افزایش بهره ولتاژ می گردد. برای نشان دادن دلیل این افزایش، مدل سیگنال کوچک مدار پیشنهادی را رسم می کنیم. مدل سیگنال کوچک طبقه ی اول طرح پیشنهادی که شامل اتصال ضربدری است در شکل 2 رسم شده است. به کمک مدل سیگنال کوچک، بهره ولتاژ مدار پیشنهادی بصورت زیر می باشد:

شکل 1 مدار تقویت کننده ی عملیاتی پیشنهادی

شکل 2 مدل سیگنال کوچک مدار پیشنهادی

شکل 3 نتیجه ی شبیه سازی این مدار را نشان می دهد. می توان دید که بهره به 140000 یا 103 dB رسیده است. فرکانس قطع واحد و حد فاز به ترتیب 138 MHz و 65 درجه می باشد. شکل های 4 و 5 نتایج شبیه سازی در دمای 120 کرنر ss و دمای -40 کرنر ff را نشان می دهد. می توان دید که تغییرات نتایج در کرنرها و دماهای مختلف بسیار ناچیز می باشد و عملکرد مدار مختل نشده است. در مای 120 درجه و کرنر ss بهره، فرکانس قطع و حد فاز به ترتیب برابر 100 dB، 113 MHz و 66 درجه می باشد. در دمای -40 درجه و کرنر ff این نتایج به ترتیب برابر 104 dB، 163 MHz و 65 درجه است.

شکل 3 نتیجه ی شبیه سازی تقویت کننده ی عملیاتی پیشنهادی در دمای اتاق و کرنر tt