بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
معرفي يک ساختار مناسب براي مدارات سوئيچ خازني سريع در کارکردهاي ولتاژپايين
چکيده -در اين نوشتار يک ساختار مناسب جهت طراحي فيلترهاي سوئيچ خازني سريع در ولتاژ کار پايين معرفي شده است . بلوک اصلي در اين ساختار انتگرال گير خود صفر شونده تمام تفاضلي با شبکه پسخور مد مشترک (CMFB) بسيار سريع است . يکي از وظايف مهم شبکه فوق دراين ساختار آن است که در نيمي از هر پالس ساعت هر دو خروجي تقويت کننده تمام تفاضلي را با سرعت و دقت بالا در سطح ولتاژ Vref قرار دهد . ويژگي خاص شبکه CMFB طراحي شده در اين نوشتار استفاده از چهار ترانزيستور کمکي خارج از تقويت کننده تمام تفاضلي جهت کمک به افزايش سرعت ودقت است ،که عملکرد بهبود دهنده اين سوئيچها نشان داده شده است . با اين ايده يک فيلتر سوئيچ خازني ميان گذر طراحي و شبيه سازي شده است . در اين فيلتر فرکانس پالس ساعت Mhz١٠ و ولتاژ تغذيه ١.٢ ولت است . مشخصات ترانزيستورهاي به کار رفته مطابق با تکنولوژي μm ٠.٢٥ شرکت IBM است وشبيه سازي با نرم افزار H-spice صورت گرفته است .فرکانس مرکزي فيلتر فوق Mhz١٦٦٦ و ضريب کيفيت ٨ است .
واژه هاي کليدي : فيلترهاي سوئيچ خازني فرکانس بالا، مدارات سوئيچ خازني ولتاژ پائين ،فيدبک حالت مشترک سريع
١- مقدمه
در فيلترهاي سوئيچ خازني قراردادي [٢] در کارکرد با ولتاژ پائين روشن کردن يکي از سوئيچ ها که به ورودي متصل است (و يا در طبقات بعدي به خروجي آپ امپ ها) با مشکل کمبود ولتاژ لا زم جهت تحريک گيت مواجه است . راه حل هاي مرسوم استفاده از افزايش دهنده هاي ولتاژ [٤] و به کارگيري سوئيچ آپ امپ است [٣و٥] .اولي مشکلاتي در تکنولوژي ساخت به همراه دارد و دومين روش نيز به دليل خاموش و روشن شدن بعضي از ترانزيستور ها در آپ امپ ،از سرعت آپ امپ مي کاهد[٦].در اين مقاله از يک ساختار AZIPT1TPجهت رفع اين مشکل استفاده شده است که اساسا" در ابتد ا براي خنثي سازي آفست پيشنهاد گرديده است [٥] .بر اين مبنا مدلي مناسب جهت کارکرد فيلترهاي ميانگذر در سرعت بالا و ولتاژ تغذيه پائين در مرجع [١] آمده است . در اين مرجع فرکانس ساعت 5MHZ و ولتاژ تغذيه ١.٥ ولت است . در ساختار فوق ترانزيستور ها همگي NMOS و سورس همه ترانزيستورها مستقيم و يا غير مستقيم به ولتاژ Vref متصل است ، لذا اگر ولتاژ مرجع ٠.٤ ولت فرض شده باشد و ٦٥.=Vthولت باشد عملاٌ با Vdd برابر ١.٢ ولت در سويچ کردن هيچ ترانزيستوري با مشکل مواجه نخواهيم بود.
جهت حذف پديده شارژ اضافي و افزايش سويئنگ خروجي نيز از ساختار تفاضلي بهره ميبريم .البته کار کردن در حالت تمام تفاضلي مسئله سرعت پاسخ گوئي شبکه CMFB را به همراه دارد که دراينجا سعي شده است شبکه CMFB ارائه شده در مرجع [١] بهبود يابد.در بخش دوم اشاره مختصري به يک بلوک ساده AZI و آپ امپ تمام تفاضلي بکار رفته در مدارها مي کنيم . در بخس سوم به تشريح طراحي يک فيلتر ميان گذر با فرکانس ساعت Mhz ١٠و ولتاژ تغذيه ١.٢ولت با فرکانس مرکزي Mhz ١.٦٦٦ پرداخته وبه بررسي تاثيراصلاحات ايجاد شده در شبکه CMFB و مقايسه آن با فرم ارائه شده در مرجع [١]
مي پردازيم .شبيه سازي توسط نرم افزار H-spice صورت گرفته است وجهت بدست آوردن منحني تقريبي پاسخ فرکانسي چندين نقطه از تحليل زماني مد نظر قرار گرفته است .
٢- آشنايي با بلوک اصلي انتگرال گير خود صفر شونده
در شکل (١) بلوک اصلي يک انتگرال تمام تفاضلي خود صفر شونده ديده مي شود . در مدارات فيلتر سوئيچ خازني که به اين روش ساخته مي شوند، تعدادي از اين انتگرال گيرها بسته به درجه فيلتر پشت سرهم (با تغييراتي جزئي ) قرار مي گيرند. البته به ياد داشته باشيد که براي مثال در انتگرال گيري که بعد از انتگرال گيرفوق در مدارقرار مي گيرد جاي ph1 وph2 عوض مي شود. به عبارتي خروجي همين انتگرال گير،نقش ورودي انتگرال گير بعدي را داراست ، لذا جهت بدست آوردن تابع تبديل انتگرال گير فوق در کارکرد واقعي قبل از هر چيز مي بايست وضعيت خروجي را در هر يک از بازه ها بررسي کنيم . در شکل (١) در بازه Ph1 هر دو ورودي آپ امپ توسط M2 و M4 قطع مي شوند وخروجي و ورودي هاي آپ امپ نيز تو سط M6 وM8 به هم متصل مي گردند . واضح است که در اين حالت حتي اگر از وجود ترانزيستور هاي M9 وM10 هم صرف نظر کنيم به دليل وجود شبکه CMFB ، هر دو خروجي Vout+ و Vout- برابر با Vref خواهند بود.
لازم به ذکر است که زمين در کليه شکل ها اشاره به Vref دارد. با توجه به اينکه ورودي انتگرال گير فوق نيز در اغلب موارد (به جز طبقه اول ) از يک انتگرال گير با فاز مخالف مي آيد،روشن است که در بازه زماني Ph2 هر دو ورودي Vinpو Vinnدر روال عادي برابر با Vref خواهند بود. پس در بازه زماني Ph1 در اين مدار ولتاژ ورودي روي خازن هاي C١ ذخيره مي شود ودر بازه زماني Ph2 چون Vref=Vinn=Vinp است و ترانزيستور هاي M2 ،M5 ،M4 وM7 هم روشن هستند، ، ولتاژ خروجي در اين بازه زماني برآيندي از ولتاژ ذخيره شده روي Ci2 از بازه زماني قبلي و ولتاژ ذخيره شده روي خازن C1 در بازه زماني فعلي خواهد بود. پس اگر فرض کنيم در بازه Ph1 ،٢.Vinp=Vref+Viو٢.Vinn=Vref-Viودر بازه Ph٢، Vinn=Vinp=Vref باشد، آنگاه براحتي مي توان تابع تبديل انتگرال گير فوق را محاسبه نمود.
صرف نظر از تابع تبديل انتگرال گير فوق در عملکرد مداري بلوک فوق خواص مهمي وجود دارد که به شرح زير است :
الف )چنا نچه مشخص است سورس ترانزيستورهاي M1و M3 مستقيما" به Vref متصل است . هم چنين سورس بقيه ترانزيستورها هم به ورودي هاي تقويت کننده عملياتي متصل اند که با توجه به وجود شبکه CMFBدر آپ امپ تمام تفاضلي (حتي در صورت عدم وجود ترانزيستورهاي کمکي M١٠وM9 در مدار) به ولتاژ Vrefمتصل است .لذا اگر در بدترين شرائط Vthn را٠.٦ و ولتاژ مرجع را٠.٤ ولت در نظر بگيريم ،تحريک گيت ترانزيستورها با ولتاژ ١.٢ ولت هيچ مشکلي در عملکرد سوئيچ ها ايجاد نميکند
ب)شارژ اضافي ناشي از سوئيچ هاي ماسفت کاملا"
مستقل از ميزان ولتاژ ورودي است ،چون سورس کليه ترانزيستورها به Vref متصل است . هم چنين در اينجا احتياجي به وجود تاخير بين بازه ها و مدارات اضافي مربوطه نيست . نکته ديگر آنکه در عمل عرض ماسفت هاي متصل به ورودي هر آپ امپ بگونه اي طراحي شده تا جمع wهاي سوئيچ هاي روشن شده در فاز ph1 با فاز ph2 برابر باشد.
