КМОП-усилитель

Усилители CMOS ( комплементарные усилители металл-оксид-полупроводник ) являются вездесущими аналоговыми схемами, используемыми 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 MOSFET (полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник) в отличие от биполярных транзисторов (BJT). MOSFET проще в изготовлении и, следовательно, менее дороги, чем усилители BJT , при этом обеспечивая достаточно высокую крутизну , позволяющую проектировать очень высокопроизводительные схемы. В высокопроизводительных схемах усилителей CMOS (комплементарных усилителей металл-оксид-полупроводник) транзисторы используются не только для усиления сигнала, но и в качестве активных нагрузок для достижения более высокого усиления и выходного размаха по сравнению с резистивными нагрузками. [1] [2] [3]

Технология CMOS была введена в первую очередь для проектирования цифровых схем. За последние несколько десятилетий, чтобы улучшить скорость, энергопотребление, требуемую площадь и другие аспекты цифровых интегральных схем (ИС), размер элемента транзисторов MOSFET уменьшился (минимальная длина канала транзисторов уменьшается в новых технологиях CMOS). Это явление, предсказанное Гордоном Муром в 1975 году, называется законом Мура и гласит, что примерно каждые 2 года количество транзисторов удваивается для той же кремниевой площади ИС. Прогресс в проектировании схем памяти является интересным примером того, как усовершенствование процесса повлияло на требуемый размер и их производительность за последние десятилетия. В 1956 году жесткий диск (HDD) емкостью 5 МБ весил более тонны, [4] в то время как в наши дни [ когда? ] имеющий в 50000 раз большую емкость при весе в несколько десятков граммов является очень распространенным. [5]

В то время как цифровые ИС выиграли от уменьшения размера элемента, аналоговые КМОП-усилители не получили соответствующих преимуществ из-за внутренних ограничений аналоговой конструкции, таких как внутреннее снижение усиления транзисторов с коротким каналом, что влияет на общее усиление усилителя. Новые методы, которые достигают более высокого усиления, также создают новые проблемы, такие как устойчивость усилителя для приложений с замкнутым контуром. Ниже рассматриваются оба аспекта и суммируются различные методы преодоления этих проблем.

Внутреннее снижение усиления в современных КМОП-технологиях

Максимальный коэффициент усиления одного МОП-транзистора называется собственным коэффициентом усиления и равен

А в инт = г м г о , {\displaystyle Av_{\text{int}}=g_{m}r_{o},}

где - крутизна , а - выходное сопротивление транзистора. В первом приближении прямо пропорционально длине канала транзисторов. В однокаскадном усилителе можно увеличить длину канала, чтобы получить более высокое выходное сопротивление и усиление, но это также увеличивает паразитную емкость транзисторов, что ограничивает полосу пропускания усилителя . Длина канала транзистора меньше в современных технологиях КМОП, что делает достижение высокого усиления в однокаскадных усилителях очень сложной задачей. Для достижения высокого усиления в литературе предложено много методов. [6] [7] [8] В следующих разделах рассматриваются различные топологии усилителей и их особенности. г м {\displaystyle g_{м}} г о {\displaystyle r_{o}} г о {\displaystyle r_{o}}

Однокаскадные усилители

Телескопический, сложенный каскод (FC) или перерабатывающий FC (RFC) являются наиболее распространенными однокаскадными усилителями. Все эти структуры используют транзисторы в качестве активных нагрузок для обеспечения более высокого выходного сопротивления (= более высокого усиления) и выходного размаха. Телескопический усилитель обеспечивает более высокий коэффициент усиления (из-за более высокого выходного сопротивления) и более высокую пропускную способность (из-за меньшего недоминантного полюса в узле каскода). Напротив, он имеет ограниченный выходной размах и сложность в реализации буфера с единичным усилением. Хотя FC имеет более низкий коэффициент усиления и полосу пропускания, он может обеспечить более высокий выходной размах, что является важным преимуществом в современных технологиях КМОП с пониженным напряжением питания. Кроме того, поскольку постоянное напряжение входных и выходных узлов может быть одинаковым, он больше подходит для реализации буфера с единичным усилением. [3] FC недавно использовался для реализации интегратора в приложении био-нанодатчика. [9] [10] Кроме того, его можно использовать в качестве каскада в многокаскадных усилителях. Например, FC используется в качестве входного каскада двухкаскадного усилителя при проектировании схемы потенциостата , которая должна измерять нейронную активность или зондирование ДНК. [11] Также его можно использовать для реализации трансимпедансного усилителя (TIA). TIA 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 версии схемы FC. RFC является одной из модифицированных версий усилителя FC, которая обеспечивает более высокий коэффициент усиления, более высокую полосу пропускания, а также более высокую скорость нарастания по сравнению с FC (при той же потребляемой мощности). [13] Недавно усилитель RFC использовался в гибридной матрице датчиков CMOS– графен для субсекундного измерения дофамина . [14] Он используется в качестве малошумящего усилителя для реализации интегратора.

Стабильность

Частотная характеристика однокаскадного усилителя

Во многих приложениях усилитель управляет конденсатором в качестве нагрузки. В некоторых приложениях, таких как схемы 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 для всех возможных емкостных нагрузок, и конструктор должен учитывать этот вопрос при проектировании схемы. Конструктор должен гарантировать, что запас по фазе (PM) схемы достаточен для наихудшего случая. Чтобы иметь надлежащее поведение схемы и временную характеристику, конструкторы обычно рассматривают PM в 60 градусов. При более высоких значениях PM схема более стабильна, но выходному напряжению требуется больше времени, чтобы достичь своего конечного значения. [1] [2] [3] В телескопических и FC усилителях доминирующий полюс находится в выходных узлах. Кроме того, в каскодном узле есть недоминирующий полюс. [3] Поскольку емкостная нагрузка подключена к выходным узлам, ее значение влияет на местоположение доминирующего полюса. На этом рисунке показано, как емкостная нагрузка влияет на местоположение доминирующего полюса и устойчивость. Увеличение емкостной нагрузки перемещает доминирующий полюс к началу координат, и поскольку единичная частота усиления равна (усилению усилителя) раз, она также перемещается к началу координат. Следовательно, PM увеличивается, что улучшает стабильность. Таким образом, если мы обеспечиваем стабильность схемы для минимальной емкостной нагрузки, она остается стабильной и для больших значений нагрузки. [2] [3] Чтобы достичь более 60 градусов PM, недоминирующий полюс должен быть больше ( ω 1 ) {\textstyle (\omega _{1})} ( ω единство ) {\displaystyle (\omega _{\text{единство}})} А в {\displaystyle A_{v}} ω 1 , {\textstyle \omega _{1},} ( ω 2 ) {\textstyle (\omega _{2})} 1.7 ω единство . {\displaystyle 1.7\,\omega _{\text{единство}}.}

Многокаскадные усилители

В некоторых приложениях, таких как фильтры с переключаемыми конденсаторами или интеграторы, а также различные типы аналого-цифровых преобразователей , требуется высокий коэффициент усиления (70-80 дБ), а достижение требуемого коэффициента усиления иногда невозможно с помощью однокаскадных усилителей. [6] Это более серьезно в современных технологиях КМОП, транзисторы которых имеют меньшее выходное сопротивление из-за более короткой длины канала. Чтобы достичь высокого коэффициента усиления, а также большого выходного размаха, были изобретены многокаскадные усилители. Для реализации двухкаскадного усилителя можно использовать усилитель FC в качестве первого каскада и усилитель с общим источником в качестве второго каскада. Кроме того, для реализации четырехкаскадного усилителя можно каскадировать 3 усилителя с общим источником с усилителем FC. [15] Следует отметить, что для управления большими емкостными нагрузками или малыми резистивными нагрузками выходной каскад должен быть класса AB. [2] Например, усилитель с общим источником с поведением класса AB может использоваться в качестве конечного каскада в трехкаскадном усилителе, чтобы не только улучшить возможности управления, но и усиление. [16] Усилитель класса AB может использоваться в качестве драйвера столбцов в ЖК-дисплеях . [17]

Устойчивость в двухкаскадных усилителях

В отличие от однокаскадных усилителей, многокаскадные усилители обычно имеют 3 или более полюсов, и если они используются в сетях обратной связи, замкнутая система, вероятно, нестабильна. Чтобы иметь стабильное поведение в многокаскадных усилителях, необходимо использовать компенсационную сеть. Основная цель компенсационной сети — изменить передаточную функцию системы таким образом, чтобы достичь достаточного PM. [2] [3] Таким образом, используя компенсационную сеть, мы должны получить частотную характеристику, похожую на ту, что мы показали для однокаскадных усилителей. В однокаскадных усилителях емкостная нагрузка подключена к выходному узлу, доминирующий полюс которого там оказывается, и увеличение ее значения улучшает PM. [3] Таким образом, она действует как компенсационный конденсатор (сеть). Для компенсации многокаскадных усилителей компенсационный конденсатор обычно используется для перемещения доминирующего полюса на более низкую частоту, чтобы достичь достаточного PM.

Структурная схема полностью дифференциальных и однотактных двухкаскадных усилителей

На следующем рисунке показана структурная схема двухкаскадного усилителя в полностью дифференциальном и однотактном режимах. В двухкаскадном усилителе входной каскад может быть телескопическим или усилителем FC. Для второго каскада обычным выбором является усилитель с общим источником и активной нагрузкой. Поскольку выходное сопротивление первого каскада намного больше, чем второго каскада, доминирующий полюс находится на выходе первого каскада.

Без компенсации усилитель нестабилен или, по крайней мере, не имеет достаточного количества ПМ. Емкость нагрузки подключена к выходу второго каскада, где находится недоминирующий полюс. Поэтому, в отличие от однокаскадных усилителей, увеличение емкостной нагрузки перемещает недоминирующий полюс на более низкую частоту и ухудшает ПМ. [3] Месри и др. предложили двухкаскадные усилители, которые ведут себя как однокаскадные усилители, и усилители остаются стабильными при больших значениях емкостных нагрузок. [6] [7] Чтобы иметь надлежащее поведение, нам нужно компенсировать двухкаскадные или многокаскадные усилители. Самый простой способ компенсации двухкаскадного усилителя, как показано на левой блок-схеме рисунка ниже, — это подключить компенсационный конденсатор на выходе первого каскада и переместить доминирующий полюс на более низкие частоты. Но 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 компенсационный конденсатор размещается между входным и выходным узлом второго каскада. В этом случае компенсационный конденсатор оказывается в разы больше на выходе первого каскада и сдвигает доминирующий полюс, а также частоту единичного усиления на более низкие частоты. Более того, из-за эффекта расщепления полюсов он также сдвигает недоминирующий полюс на более высокие частоты. Поэтому он является хорошим кандидатом для обеспечения стабильности усилителя. Основным преимуществом метода компенсации Миллера является уменьшение размера требуемого компенсационного конденсатора в раз Проблема, поднятая в связи с компенсационным конденсатором Миллера, заключается в введении нуля правой полуплоскости (RHP), что снижает PM. Надеемся, что были предложены различные методы решения этой проблемы. Например, чтобы отменить эффект нуля RHP, можно использовать обнуляющий резистор последовательно с компенсационным конденсатором (правая блок-схема на рисунке ниже). На основе 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 пропускную способность и PM. Этот метод компенсации недавно использовался в конструкции усилителя для схемы потенциостата. [11] Из-за изменения процесса значение резистора может измениться более чем на 10%, и, следовательно, повлиять на стабильность. Использование буфера тока или буфера напряжения последовательно с компенсационным конденсатором является еще одним вариантом для получения лучших результатов. [2] [3] [8] 1 + | А в 2 | {\displaystyle 1+|A_{v2}|} 1 + | А в 2 | . {\displaystyle 1+|A_{v2}|.}

Методы компенсации для двухкаскадных усилителей

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Razavi, Behzad (2013). Основы микроэлектроники (2-е изд.). John Wiley & Sons. ISBN 9781118156322. Получено 13 июня 2018 г.
  2. ^ abcdefg Сансен, Вилли (2006). Основы аналогового проектирования. Спрингер. ISBN 978-0-387-25747-1. Получено 13 июня 2018 г.
  3. ^ abcdefghij Разави, Бехзад (2001). Проектирование аналоговых КМОП-интегральных схем (1-е изд.). McGraw-Hill Education. ISBN 978-0070529038.
  4. ^ «Вот как трудно было переместить жесткий диск IBM емкостью 5 МБ в 1956 году (Примечание: требовался вилочный погрузчик)». themindcircle . 2016-12-12 . Получено 13 июня 2018 г.
  5. ^ "Лучшие USB-флешки 2018 года". techradar . Получено 13 июня 2018 г. .
  6. ^ abc Mesri, Alireza; Mahdipour Pirbazari, Mahmoud; Hadidi, Khayrollah; Khoei, Abdollah (2015). "Двухступенчатый усилитель с высоким коэффициентом усиления и компенсацией положительной емкостной обратной связи". IET Circuits, Devices & Systems . 9 (3): 181– 190. arXiv : 1411.3506 . doi : 10.1049/iet-cds.2014.0139. S2CID  1864848. Архивировано из оригинала 9 марта 2017 г. Получено 13 июня 2018 г.
  7. ^ ab Mesri, Alireza; Mahdipour Pirbazari, Mahmoud; Javidan, Javad (2015). «Анализ и проектирование двухкаскадного усилителя с улучшенными характеристиками». Microelectronics Journal . 46 (12–A): 1304– 1312. doi :10.1016/j.mejo.2015.10.002.
  8. ^ abc Leung, Ka Nang; KT Mok, Philip (2001). «Анализ многокаскадного усилителя – частотная компенсация». Труды IEEE по схемам и системам I: фундаментальная теория и приложения . 48 (9): 1041– 1056. doi :10.1109/81.948432. S2CID  17715486.
  9. ^ 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 . doi :10.1109/TBCAS.2017.2733624. hdl : 10044/1/50264 . PMID  28885160. S2CID  20125742.
  10. ^ A. Al Mamun, Khandaker; K. Islam, Syed; K. Hensley, Dale; McFarlane, Nicole (2016). «Биосенсор глюкозы с использованием потенциостата CMOS и вертикально выровненных углеродных нановолокон». Труды IEEE по биомедицинским схемам и системам . 10 (4): 807– 816. doi : 10.1109/TBCAS.2016.2557787 . PMID  27337723. S2CID  21193815.
  11. ^ ab Giagkoulovits, Christos; Chong Cheah, Boon; A. Al-Rawhani, Mohammed; Accarino, Claudio; Busche, Christoph; P. Grant, James; RS Cumming, David (2018). "A 16 × 16 CMOS Amperometric Microelectrode Array for Simultaneous Electrochemical Measurements" (PDF) . IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers . PP (99): 2821– 2831. doi :10.1109/TCSI.2018.2794502. S2CID  3626625.
  12. ^ Mazhab Jafari, Hamed; Genov, Roman (2013). «Chopper-Stabilized Двунаправленные схемы сбора тока для электрохимических амперометрических биосенсоров». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers . 60 (5): 1149– 1157. doi :10.1109/TCSI.2013.2248771. S2CID  272483.
  13. ^ S. Assaad, Rida; Silva-Martinez, Jose (2009). «Повторная переработка сложенного каскодного усилителя: общее усовершенствование сложенного каскодного усилителя». IEEE Journal of Solid-State Circuits . 44 (9): 2535– 2542. Bibcode : 2009IJSSC..44.2535A. doi : 10.1109/JSSC.2009.2024819. S2CID  43995423.
  14. ^ Насри, Баян; Ву, Тин; Альхарби, Абдулла; Ты, Кае-Дий; Гупта, Маянк; П. Себастьян, Сунит; Киани, Рузбе; Шахрджерди, Давуд (2017). «Гибридная матрица КМОП-графеновых датчиков для субсекундного обнаружения дофамина». Транзакции IEEE в биомедицинских схемах и системах . 11 (6): 1192–1203 . doi :10.1109/TBCAS.2017.2778048. ПМК 5936076 . ПМИД  29293417. 
  15. ^ Грассо, Альфио Дарио; Палумбо, Гаэтано; Сальваторе, Пенниси (2015). «Высокопроизводительная четырехкаскадная КМОП OTA, подходящая для больших емкостных нагрузок». Труды IEEE по схемам и системам I: Регулярные статьи . 62 (10): 2476– 2484. doi :10.1109/TCSI.2015.2476298. S2CID  206650634.
  16. ^ 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 . doi : 10.1109/TCSI.2016.2597440. S2CID  3049557.
  17. ^ Grasso, AD; Palumbo, G.; Pennisi, S. (2018). «Двойной двухтактный высокоскоростной rail-to-rail буферный усилитель CMOS для дисплеев с плоским экраном». IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs . 65 (12): 1879– 1883. doi : 10.1109/TCSII.2018.2817261. S2CID  53733509.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=CMOS_amplifier&oldid=1249368047"