КМОП-усилитель
КМОП-усилители ( металл-оксид-полупроводник дополнительные усилители ) представляют собой повсеместно распространенные аналоговые схемы, используемые в компьютерах , аудиосистемах , смартфонах , камерах , телекоммуникационных системах, биомедицинских схемах и многих других системах. Их производительность влияет на общие характеристики систем. Они получили свое название от использования МОП-транзисторов (полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник) в отличие от транзисторов с биполярным переходом (BJT). МОП-транзисторы проще в изготовлении и, следовательно, дешевле, чем усилители BJT , но при этом обеспечивают достаточно высокую крутизну , что позволяет проектировать схемы с очень высокими характеристиками. В высокопроизводительных схемах усилителей КМОП (комплементарный металл-оксид-полупроводник) транзисторы используются не только для усиления сигнала, но также используются в качестве активных нагрузок для достижения более высокого коэффициента усиления и размаха выходного сигнала по сравнению с резистивными нагрузками. [1] [2] [3]
Технология КМОП была внедрена в первую очередь для проектирования цифровых схем. За последние несколько десятилетий для улучшения скорости, энергопотребления, требуемой площади и других аспектов цифровых интегральных схем (ИС) размер транзисторов MOSFET уменьшился (минимальная длина канала транзисторов уменьшается в новых технологиях КМОП). Это явление, предсказанное Гордоном Муром в 1975 году, называется законом Мура и гласит, что примерно каждые 2 года количество транзисторов удваивается для одной и той же кремниевой площади ИС. Прогресс в проектировании схем памяти является интересным примером того, как развитие процессов повлияло на требуемый размер и их производительность за последние десятилетия. В 1956 году емкостью 5 МБ жесткий диск весил более тонны. [4] в то время как в эти дни [ когда? ] иметь в 50000 раз большую емкость при весе в несколько десятков грамм – очень распространено. [5]
В то время как цифровые микросхемы выиграли от уменьшения размера элемента, аналоговые КМОП-усилители не получили соответствующих преимуществ из-за внутренних ограничений аналоговой конструкции, таких как внутреннее уменьшение коэффициента усиления короткоканальных транзисторов, что влияет на общий коэффициент усиления усилителя. Новые методы, позволяющие добиться более высокого коэффициента усиления, также создают новые проблемы, например, стабильность усилителя в приложениях с обратной связью. Ниже рассматриваются оба аспекта и суммируются различные методы решения этих проблем.
Внутреннее снижение усиления в современных КМОП-технологиях
[ редактировать ]Максимальный коэффициент усиления одного МОП-транзистора называется собственным коэффициентом усиления и равен
где - крутизна , а выходное сопротивление транзистора. В качестве приближения первого порядка прямо пропорциональна длине канала транзисторов. В однокаскадном усилителе можно увеличить длину канала, чтобы получить более высокое выходное сопротивление и коэффициент усиления, но это также увеличивает паразитную емкость транзисторов, что ограничивает полосу пропускания усилителя . В современных КМОП-технологиях длина транзисторного канала меньше, что делает достижение высокого коэффициента усиления в однокаскадных усилителях весьма затруднительным. Для достижения высокого выигрыша в литературе предложено множество методов. [6] [7] [8] В следующих разделах рассматриваются различные топологии усилителей и их особенности.
Однокаскадные усилители
[ редактировать ]Телескопические, складчатые каскодные (ФК) или рециркуляционные ПЧ (РФК) являются наиболее распространенными однокаскадными усилителями. Во всех этих структурах в качестве активной нагрузки используются транзисторы, обеспечивающие более высокое выходное сопротивление (= более высокий коэффициент усиления) и размах выходного сигнала. Телескопический усилитель обеспечивает более высокий коэффициент усиления (за счет более высокого выходного сопротивления) и более высокую полосу пропускания (за счет меньшего недоминирующего полюса в узле каскода). Напротив, он имеет ограниченное колебание выходного сигнала и сложность реализации буфера с единичным коэффициентом усиления. Хотя FC имеет меньший коэффициент усиления и полосу пропускания, он может обеспечить более высокий размах выходного сигнала, что является важным преимуществом современных КМОП-технологий с пониженным напряжением питания. Кроме того, поскольку напряжение постоянного тока входных и выходных узлов может быть одинаковым, оно больше подходит для реализации буфера с единичным коэффициентом усиления. [3] Недавно FC использовался для реализации интегратора в приложении био-нанодатчика. [9] [10] Также его можно использовать в качестве каскада в многокаскадных усилителях. Например, FC используется в качестве входного каскада двухкаскадного усилителя при разработке схемы потенциостата , предназначенной для измерения активности нейронов или считывания ДНК. [11] Также его можно использовать для реализации трансимпедансного усилителя (TIA). ТИА может использоваться в амперометрических биосенсорах для измерения тока клеток или растворов для определения характеристик тестируемого устройства. [12] В последнее десятилетие [ когда? ] Разработчики схем предложили различные модифицированные варианты схемы FC. RFC — одна из модифицированных версий усилителя FC, обеспечивающая более высокий коэффициент усиления, большую полосу пропускания, а также более высокую скорость нарастания по сравнению с FC (при той же потребляемой мощности). [13] Недавно усилитель RFC был использован в гибридной КМОП- графеновых матрице датчиков для субсекундного измерения дофамина . [14] Он используется в качестве малошумящего усилителя для реализации интегратора.
Стабильность
[ редактировать ]Во многих приложениях усилитель управляет конденсатором в качестве нагрузки. В некоторых приложениях, например в схемах с переключаемыми конденсаторами , значение емкостной нагрузки изменяется в разных циклах. Следовательно, это влияет на постоянную времени выходного узла и частотную характеристику усилителя . Необходимо стабильное поведение усилителя при всех возможных емкостных нагрузках, и разработчик должен учитывать этот вопрос при проектировании схемы. Проектировщик должен гарантировать, что запаса по фазе (PM) цепи будет достаточно для наихудшего случая. Чтобы обеспечить правильное поведение схемы и временной отклик, проектировщики обычно рассматривают угол PM равный 60 градусам. При более высоких значениях PM схема более стабильна, но выходному напряжению требуется больше времени, чтобы достичь своего конечного значения. [1] [2] [3] В телескопических усилителях и усилителях с частотным преобразователем доминирующий полюс находится на выходных узлах. Также в узле каскода имеется недоминантный полюс. [3] Поскольку к выходным узлам подключена емкостная нагрузка, ее величина влияет на расположение доминирующего полюса. На этом рисунке показано, как емкостная нагрузка влияет на расположение доминирующего полюса. и стабильность. Увеличение емкостной нагрузки перемещает доминирующий полюс к началу координат, и поскольку частота усиления равна единице является (коэффициент усиления усилителя) раз он также движется к началу координат. Таким образом, увеличивается ПМ, что повышает стабильность. Таким образом, если мы обеспечиваем стабильность схемы при минимальной емкостной нагрузке, она останется стабильной и при больших значениях нагрузки. [2] [3] Чтобы достичь угла более 60 градусов, недоминантный полюс должно быть больше, чем
Многокаскадные усилители
[ редактировать ]В некоторых приложениях, таких как переключаемые конденсаторные фильтры или интеграторы, а также различные типы аналого-цифровых преобразователей , необходим высокий коэффициент усиления (70–80 дБ), а достижение требуемого усиления иногда невозможно с помощью однокаскадных усилителей. [6] Это более серьезно в современных КМОП-технологиях, транзисторы которых имеют меньшее выходное сопротивление из-за меньшей длины канала. Для достижения высокого усиления, а также высокого выходного сигнала были изобретены многокаскадные усилители. Для реализации двухкаскадного усилителя можно использовать усилитель FC в качестве первого каскада и усилитель с общим истоком в качестве второго каскада. Кроме того, для реализации четырехкаскадного усилителя 3 усилителя с общим истоком могут быть каскадно соединены с усилителем FC. [15] Следует отметить, что для управления большими емкостными нагрузками или небольшими резистивными нагрузками выходной каскад должен быть класса AB. [2] Например, усилитель с общим истоком класса AB можно использовать в качестве конечного каскада трехкаскадного усилителя, чтобы не только улучшить характеристики возбуждения, но и повысить коэффициент усиления. [16] Усилитель класса AB можно использовать в качестве драйвера колонки в ЖК-дисплеях . [17]
Стабильность в двухкаскадных усилителях
[ редактировать ]В отличие от однокаскадных усилителей, многокаскадные усилители обычно имеют 3 и более полюса, и если они используются в сетях с обратной связью, система с обратной связью, вероятно, нестабильна. Для стабильного поведения в многокаскадных усилителях необходимо использовать компенсационную сеть. Основная цель компенсационной сети — изменить передаточную функцию системы таким образом, чтобы достичь достаточного количества ПМ. [2] [3] Итак, используя схему компенсации, мы должны получить частотную характеристику, аналогичную той, которую мы показали для однокаскадных усилителей. В однокаскадных усилителях емкостная нагрузка подключается к выходному узлу, доминирующий полюс которого там бывает, и увеличение ее значения улучшает ПМ. [3] Итак, он действует как компенсационный конденсатор (сетевой). Для компенсации многокаскадных усилителей обычно используется компенсационный конденсатор для перемещения доминирующего полюса на более низкую частоту для достижения достаточного уровня ФМ.
На следующем рисунке показана блок-схема двухкаскадного усилителя в полностью дифференциальном и несимметричном режимах. В двухкаскадном усилителе входным каскадом может быть телескопический или FC-усилитель. Для второго каскада обычно выбирают усилитель с общим истоком и активной нагрузкой. Поскольку выходное сопротивление первой ступени намного больше, чем второй ступени, доминирующий полюс находится на выходе первой ступени.
Без компенсации усилитель работает нестабильно или как минимум ему не хватает ПМ. Емкость нагрузки подключается к выходу второго каскада, недоминантный полюс которого там бывает. Следовательно, в отличие от однокаскадных усилителей, увеличение емкостной нагрузки перемещает недоминантный полюс в сторону более низкой частоты и ухудшает ФМ. [3] Месри и др. предложены двухкаскадные усилители, которые ведут себя как однокаскадные усилители и сохраняют стабильность при больших значениях емкостных нагрузок. [6] [7] Чтобы обеспечить правильное поведение, нам необходимо компенсировать двухкаскадные или многокаскадные усилители. Самый простой способ компенсации двухкаскадного усилителя, как показано на левой блок-схеме рисунка ниже, — подключить компенсационный конденсатор на выходе первого каскада и переместить доминирующий полюс на более низкие частоты. Однако реализация конденсатора на кремниевом кристалле требует значительной площади. Наиболее распространенным методом компенсации в двухкаскадных усилителях является компенсация Миллера (средняя блок-схема на рисунке ниже). [2] [3] [8] В этом методе между входным и выходным узлом второго каскада размещается компенсационный конденсатор. В этом случае появляется компенсационный конденсатор. раз больше на выходе первого каскада и смещает доминирующий полюс, а также частоту единичного усиления к более низким частотам. Более того, из-за эффекта разделения полюсов недоминантный полюс также перемещается на более высокие частоты. Следовательно, это хороший кандидат для обеспечения стабильности усилителя. Основное преимущество метода компенсации Миллера заключается в уменьшении размера требуемого компенсационного конденсатора в несколько раз. Проблема, возникающая при использовании компенсационного конденсатора Миллера, заключается в введении нуля в правой полуплоскости (RHP), что уменьшает PM. Надеемся, что предложены разные методы для решения этой проблемы. Например, чтобы отменить эффект нуля RHP, можно подключить обнуляющий резистор последовательно с компенсационным конденсатором (правая блок-схема на рисунке ниже). В зависимости от значения резистора мы можем переместить ноль RHP на более высокую частоту (чтобы отменить его влияние на PM), или переместить его LHP (чтобы улучшить PM), или даже удалить первый недоминантный полюс, чтобы улучшить полосу пропускания и PM. Этот метод компенсации в последнее время используется при проектировании усилителей для схемы потенциостата. [11] Из-за изменений в процессе номинал резистора может измениться более чем на 10% и, следовательно, повлиять на стабильность. Использование буфера тока или буфера напряжения последовательно с компенсационным конденсатором — еще один вариант получения лучших результатов. [2] [3] [8]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Разави, Бехзад (2013). Основы микроэлектроники (2-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 9781118156322 . Проверено 13 июня 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Сансен, Вилли (2006). Основы аналогового проектирования . Спрингер. ISBN 978-0-387-25747-1 . Проверено 13 июня 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж Разави, Бехзад (2001). Проектирование аналоговых интегральных схем КМОП (1-е изд.). Макгроу-Хилл Образование. ISBN 978-0070529038 .
- ^ «Вот как сложно было переместить жесткий диск IBM емкостью 5 МБ в 1956 году (примечание: требовался вилочный погрузчик)» . круг разума . 12 декабря 2016 г. Проверено 13 июня 2018 г.
- ^ «Лучшие флешки 2018 года» . техрадар . Проверено 13 июня 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Месри, Алиреза; Махдипур Пирбазари, Махмуд; Хадиди, Хайролла; Хой, Абдолла (2015). «Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления и положительной емкостной обратной связью» . Схемы, устройства и системы IET . 9 (3): 181–190. arXiv : 1411.3506 . дои : 10.1049/iet-cds.2014.0139 . S2CID 1864848 . Проверено 13 июня 2018 г. [ мертвая ссылка ]
- ^ Перейти обратно: а б Месри, Алиреза; Махдипур Пирбазари, Махмуд; Джавидан, Джавад (2015). «Анализ и проектирование двухкаскадного усилителя повышенных характеристик». Журнал микроэлектроники . 46 (12–А): 1304–1312. дои : 10.1016/j.mejo.2015.10.002 .
- ^ Перейти обратно: а б с Люнг, Кананг; КТ Мок, Филип (2001). «Анализ частотной компенсации многокаскадного усилителя». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Фундаментальная теория и приложения . 48 (9): 1041–1056. дои : 10.1109/81.948432 . S2CID 17715486 .
- ^ С. Горейшизаде, Сара; Таурино, Ирен; Де Микели, Джованни; Каррара, Сандро; Георгиу, Пантелис (2017). «ASIC дифференциального электрохимического считывания с гетерогенной интеграцией био-нанодатчиков для амперометрического измерения» (PDF) . Транзакции IEEE в биомедицинских схемах и системах . 11 (5): 1148–1159. дои : 10.1109/TBCAS.2017.2733624 . hdl : 10044/1/50264 . ПМИД 28885160 . S2CID 20125742 .
- ^ А. Аль Мамун, Хандакер; К. Ислам, Сайед; К. Хенсли, Дейл; Макфарлейн, Николь (2016). «Биосенсор глюкозы с использованием КМОП-потенциостата и вертикально ориентированных углеродных нановолокон» . Транзакции IEEE в биомедицинских схемах и системах . 10 (4): 807–816. дои : 10.1109/TBCAS.2016.2557787 . ПМИД 27337723 . S2CID 21193815 .
- ^ Перейти обратно: а б Гиагкуловиц, Христос; Чонг Чеа, Бун; А. Ар-Рахани, Мохаммед; Аккарино, Клаудио; Буше, Кристоф; П. Грант, Джеймс; Р. С. Камминг, Дэвид (2018). «КМОП-амперометрическая микроэлектродная матрица 16 × 16 для одновременных электрохимических измерений» (PDF) . Транзакции IEEE в схемах и системах I: Регулярные статьи . ПП (99): 2821–2831. дои : 10.1109/TCSI.2018.2794502 . S2CID 3626625 .
- ^ Мажаб Джафари, Хамед; Генов, Роман (2013). «Схемы сбора двунаправленного тока, стабилизированные прерывателем, для электрохимических амперометрических биосенсоров». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Регулярные статьи . 60 (5): 1149–1157. дои : 10.1109/TCSI.2013.2248771 . S2CID 272483 .
- ^ С. Ассаад, Рида; Сильва-Мартинес, Хосе (2009). «Складчатый каскадный код с переработкой: общее усовершенствование усилителя складного каскадного кода». Журнал IEEE твердотельных схем . 44 (9): 2535–2542. Бибкод : 2009IJSSC..44.2535A . дои : 10.1109/JSSC.2009.2024819 . S2CID 43995423 .
- ^ Насри, Баян; Ву, Тин; Альхарби, Абдулла; Ты, помни; Гупта, Маянк; П. Себастьян, Саншайн; Киани, Розебе; Шахрджерди, Дэвид (2017). «Гибридная матрица КМОП-графеновых датчиков для субсекундного обнаружения дофамина» . Транзакции IEEE в биомедицинских схемах и системах . 11 (6): 1192–1203. дои : 10.1109/TBCAS.2017.2778048 . ПМК 5936076 . ПМИД 29293417 .
- ^ Грассо, Альфио Дарио; Палумбо, Гаэтано; Сальваторе, Пенниси (2015). «Высокопроизводительная четырехступенчатая КМОП OTA, подходящая для больших емкостных нагрузок». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Регулярные статьи . 62 (10): 2476–2484. дои : 10.1109/TCSI.2015.2476298 . S2CID 206650634 .
- ^ Кабрера-Берналь, Елена; Пенниси, Сальваторе; Дарио Грассо, Альфио; Торральба, Антонио; Гонсалес Карвахаль, Рамон (2016). «Трехкаскадный операционный КМОП-усилитель крутизны 0,7 В класса AB». Транзакции IEEE в схемах и системах I: Регулярные статьи . 63 (11): 1807–1815. дои : 10.1109/TCSI.2016.2597440 . S2CID 3049557 .
- ^ Грассо, AD; Палумбо, Г.; Пенниси, С. (2018). «Двойной двухтактный высокоскоростной буферный CMOS-усилитель для плоских дисплеев». Транзакции IEEE в схемах и системах II: Экспресс-кратки . 65 (12): 1879–1883. дои : 10.1109/TCSII.2018.2817261 . S2CID 53733509 .