تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS

تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

طراحی تقویت کننده هدایت انتقالی عملیاتی تمام دیفرانسیل CMOS برای مدولاتورهای دلتا – سیگما

 چکیده

در این مقاله، ما اقدام به طراحی ۴ تقویت کننده هدایت انتقالی عملیاتی تمام دیفرانسیل / تفاضلی برای مدولاتورهای دلتا – سیگما با توجه به فناوری µm 35/0 CMOS و با استفاده از ابزارهای طراحی Mentor Graphics Eldo نموده ایم. ما از فناوری های طراحی کلیدی برای پیاده سازی عملی تقویت کننده های عملیاتی دو مرحله ای و یک مرحله ای تمام دیفرانسیل در مدولاتورهای دلتا – سیگما استفاده نمودیم. تقویت کننده های تمام دیفرانسیل در مقایسه با تقویت کننده های تک مرحله ای با توجه به نسبت بالای حذف منبع تغذیه، پیشرفت های حاصله ۶ dB در محدوده دینامیکی، نسبت حذف مود مشترک مناسب و حذف اعوجاج هارمونیک زوج انتخاب شدند. پارامترهای عملکرد مهم برای مدولاتورهای دلتا – سیگما، نظیر بهره حلقه باز، سرعت تغییرات خروجی، زمان استقرار، نویز حرارتی و f/1، نوسان خروجی، اتلاف توان و اعوجاج مورد بررسی قرار گرفته و تکنیک های بهینه سازی طراحی برای تقویت کننده های یک و دو مرحله ای ارائه شده اند.

کلمات کلیدی: مبدل های آنالوگ به دیجیتال، مدولاتورهای دلتا – سیگما، تقویت کننده های عملیاتی دیفرانسیل.

طراحی تقویت کننده هدایت انتقالی عملیاتی تمام دیفرانسیل CMOS برای مدولاتورهای دلتا – سیگما

۱- مقدمه

تقویت کننده های عملیاتی به عنوان بلوک های اصلی آنالوگ با گستردگی استفاده فراوان در سیستم های سیگنال ترکیبی – آنالوگ بشمار می آیند. اجزای آنالوگ می بایست در تطابق با عملکرد مدارهای دیجیتال با دقت بالا با توجه به فناوری های جدید و پیشرفته مد نظر باشند. ضروریت های مرتبط با هزینه پایین، چگالی بالا و میزان اتلاف اندک توان سیستم های VLSI با دقت بالا سبب می شوند تا به مدارهای آنالوگ دارای عملکرد بالا نیاز داشته باشیم. بر این مبنا، لازم است در ارتباط با طراحی تقویت کننده های عملیاتی، برای حصول عملکرد منطقی برحسب سیستم های سخت افزاری، میزان مصرف برق و کارایی ادوات، به منظور تولید خروجی با تاثیرات غیر ایده آل حداقلی، توجه کافی را مبذول داشت. تقویت کننده های عملیاتی عمدتاً به دو دسته خروجی تک سر و خروجی بصورت تفاضلی / یا دیفرانسیل تقسیم می شوند. خروجی بصورت دیفرانسیل آپ امپ ها / آمپی فایرهای عملیاتی (op-amps) که همچنین تحت عنوان تقویت کننده های عملیاتی تمام دیفرانسیل یا تمام تفاضلی نیز خوانده می شوند، دارای مزیت های زیادی در مقایسه با آپ امپ های خروجی تک سر می باشند و بنابراین در این مقاله تاکید بر روی این نوع از تقویت کننده ها می باشد. برخی از مزیت های تقویت کننده های تمام دیفرانسیل، در مقایسه با طرح های تک سر، ولتاژ مود مشترک ورودی ثابت، کاهش اعوجاج هارمونیک، مضاعف سازی نوسان ولتاژ خروجی و متوقف سازی مشکلات نویز جفتی به واسطه خطوط برق و مسایل زیر لایه می باشد.

Gray و همکاران [۱] یک نوع بررسی مشخص را در ارتباط با تقویت کننده های عملیاتی تک سر انجام دادند. این مقاله راجع به پیچیدگی های مربوط به طراحی و ویژگی های طراحی تمام دیفرانسیل با توجه به عملکرد آن نمی باشد. Gregorian [2] معماری های تقویت کننده عملیاتی مختلف را تشریح نموده و تأثیرات غیرایده آل و ضروریات طراحی را خاطرنشان ساخته است. Razavi جزئیاتی را در کتاب خود در  ارتباط با تقویت کننده های عملیاتی ذکر نموده  است [۳]. Nakamura و همکاران [۴] مقاله ای در خصوص تقویت کننده های عملیاتی چند لایه تمام دیفرانسیل ارتقا یافته را ارائه نمودند که قابلیت ارتقای بهره DC بدون قربانی سازی سرعت تغییرات خروجی را داشته است. در مقاله انتشار یافته به وسیله Hernes و همکاران [۵] آنها بر روی تقویت کننده های یک مرحله ای، دو مرحله ای و سه مرحله ای بر مبنای اعوجاج غیرخطی تأکید داشته اند. اطلاعات تفصیلی در خصوص نویز ۱/f در ترانزیستورهای MOS نیز به وسیله Jakobson و همکاران ارائه شده است [۶].

هدف این مقاله تشریح معماری های مختلف تقویت کننده هدایت انتقالی عملیاتی تمام دیفرانسیل (OTA) و تأثیر ویژگی های عملکرد آن بر روی طراحی کلی مدولاتورهای دلتا ـ سیگما می باشد. ادامه این مقاله به شرح ذیل سازماندهی شده است. بخش ۲ تشریح کننده ضروریات و تکنیک هایی جهت ارتقای عملکرد OTAها می باشد. در بخش ۳، آمپلی فایرهای دو مرحله ای تمام دیفرانسیل تشریح می شوند و برخی از مشاهدات کلیدی در این باره مشخص می گردند. بخش ۴ و ۵ در ارتباط با طراحی تقویت کننده کاسکود تلسکوپی تمام دیفرانسیل تک مرحله ای، کاسکود چند مرحله ای، و کاسکود تقویت گین می باشند. بخش ۶ تشریح کننده مدارهای بازخورد مود مشترک خازن سوئیچ شده (CMFB) با توجه به مزیت ها و معایب آن می باشد. خلاصه ای بر مبنای طراحی این OTA ها نیز در بخش ۷ ارائه می شود.

تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS

۲- ویژگی های عملکرد

تقویت کننده های عملیاتی ذکر شده در این مقاله در طراحی مدولاتورهای دلتا ـ سیگمای خازن سوئیچ شده (SC) بکار گرفته شده و میزان باری که تقویت کننده های عملیاتی حاصل می آورند در حد چندین پیکوفاراد می باشد. بنابراین، تقویت کننده های عملیاتی که در این مقاله مورد بحث قرار می گیرند شامل OTA بدون بافرهای خروجی هستند. پارامترهای عملکرد مهم تقویت کننده ها برای طراحی مدولاتورهای دلتا ـ سیگمای گسسته دارای عملکرد بالا به صورت بهره حلقه باز، سرعت تغییرات خروجی، زمان استقرار، ۱/f و نویز حرارتی، اتلاف توان، نوسان خروجی و اعوجاج می باشند. پارامترهایی مانند ضریب حذف مود مشترک (CMRR)، ضریب حذف منبع تغذیه (PSRR)، و ولتاژ افست ورودی به واسطه طبیعت دیفرانسیل این تقویت کننده به طور قابل توجهی کاهش می یابند.

۲ـ۱٫ بهره DC حلقه باز

بهره DC حلقه باز را می توان از طریق افزایش هدایت انتقالی ترانزیستورهای ورودی امپدانس خروجی ارتقا داد. در صورتی که یک جریان درین ثابت مهیا شود، بهره به واسطه افزایش طول به بهای ظرفیت ورودی بالا افزایش می یابد. این بهره به صورت معکوس در تناسب با جذر جریان درین می باشد، و  جریان درین نیز در تناسب با مربع ولتاژ اوردرایو است، البته در صورتی که پهنا و طول بدون تغییر باقی بماند. در صورتی که سرعت مد نظر نباشد، بهره را  می توان متعاقباً از طریق بکارگیری ترانزیستور MOS در ناحیه زیر آستانه ارتقا داد، که در آن ترانزیستور MOS به عنوان یک ترانزیستور دو قطبی عمل می نماید. از تحقیقات قبلی Brandt و همکاران [۷] مشخص شده است که یک بهره متوسط در حدود ۶۰ dB برای تقویت کننده های عملیاتی در حالت سیستم های کاربردی مدولاتور دلتا ـ سیگمای SC دارای عملکرد بالا کفایت خواهد داشت.

۲ـ۲٫ سرعت تغییرات خروجی و زمان استقرار

سرعت تغییرات خروجی (SR) به عنوان جریان در دسترس برای خازن موجود در خروجی آمپلی فایر به شمار می آید. سرعت تغییرات خروجی همانند (۱) تعریف می شود.

که در آن I_bias  جریان بایاس و C_L  ظرفیت بار خروجی می باشد. SR را می توان همانند (۲) تشریح نمود.

که در آن V_ov ولتاژ اوردرایو و w پهنای باند بهره واحد می باشد. در صورتی که پهنای باند بهره واحد به صورت ثابت در نظر گرفته شود، سرعت تغییرات خروجی ولتاژ از طریق افزایش ولتاژ اوردرایو ارتقا خواهد یافت. SR را نیز می توان متعاقباً با استفاده از طول های بزرگتر یا کاهش هدایت انتقالی از طریق حفظ جریان و پهنای بهره به صورت ثابت ارتقا داد. این موضوع نیز توصیه می شود که SR می بایست پنج برابر بسامد نمونه برداری سیستم باشد.

۲ـ۳٫ نویز حرارتی و ۱/f

نویز حرارتی ابزارهای MOS برحسب (۵) مشخص می شود.

هدایت انتقالی ترانزیستورهای ورودی با استفاده از نسبت W/L بزرگ افزایش می یابد. در صورتی که W/L بسیار بزرگتر از ترانزیستورهای بار باشد، نویز رجوعی ورودی بواسطه ترانزیستورهای ورودی خواهد بود. نویز حرارتی غالبا بعنوان یک عامل غالب در مدولاتورهای دلتا – سیگمای خازن سوئیچ شده بشمار می آید. ترانزیستورهای NMOS را می توان بجای ترانزیستورهای ورودی PMOS بکار گرفت چرا که آنها دارای هدایت انتقالی بیشتری در مقایسه با همتایان PMOS خود می باشند. نویز رجوعی- ورودی ۱/f در ترانزیستورهای نوعی MOS در (۶) مشخص شده است.

۲ـ۴٫ اتلاف توان

اتلاف توان در تقویت کننده های عملیاتی عمدتاً منوط به تعدادی از شاخه های جریان در آمپلی فایر می باشد. عامل دیگری که مشخص کننده اتلاف توان است مقدار جریان مورد نیاز جهت شارژ خازن بار می باشد. خازن بار می بایست شارژ گردد و خروجی می بایست در محدوده دقت مشخصی قرار داشته و در عین حال قابلیت حاصل آوردن حد مکفی فاز به منظور تحصیل ثبات را داشته باشد. تقویت کننده های عملیاتی دیفرانسیل که در مدولاتورهای دلتا ـ سیگمای خازن سوئیچ شده بکار گرفته می شوند از یک بازخورد مود مشترک دینامیکی برای حاصل آوردن میزان اتلاف اندک توان بهره می جویند.

۲ـ۵٫ اعوجاج

Hernes و همکاران [۵] اقدام به بررسی اعوجاج غیرخطی در تقویت کننده های یک، دو و سه مرحله ای نموده اند. از مشاهدات آنها اینگونه مشخص شد که تقویت کننده تک مرحله ای در فرکانس بالا از عملکرد بهتری برخوردار می باشد و تقویت کننده دو مرحله ای نیز به عنوان بهترین مورد برای محدود متوسط فرکانس در نظر گرفته شده است. به منظور کاهش اعوجاج در تقویت کننده های تک مرحله ای، ولتاژ درین ـ سورس می بایست به طور قابل توجهی بیشتر از ولتاژ اوردرایو حداقلی V_ov باشد تا قابلیت حفظ ترانزیستورهای خروجی در حالت اشباع را داشته باشد. عامل های اصلی اعوجاج غیرخطی در تقویت کننده های تک و دو مرحله ای ترانزیستورهای ورودی و خروجی هستند. ترانزیستورهای خروجی دارای قویترین تعامل در بسامدهای پایین می باشند و ترانزیستورهای دیفرانسیل ورودی بر روی فرکانس های بالا تأثیرگذار می باشند.

تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS

۳- تقویت کننده دو مرحله ای دیفرانسیل

ما برخی از تقویت کننده های دیفرانسیل که در مدولاتورهای دلتا ـ سیگما بکار گرفته شده اند را مورد بررسی قرار می دهیم. این تقویت کننده ها بر مبنای پارامترهای مهمی نظیر پهنای باند بهره، بهره حلقه باز، اتلاف توان، نویز مشخص ورودی، نوسان خروجی و سرعت تغییرات خروجی طبقه بندی شده اند. یک تقویت کننده عملیاتی مناسب را می توان پس از بررسی این ملاحضات انتخاب نمود. شکل ۱ نشان دهنده طراحی OTA جبرانی میلر دو مرحله ای همانگونه که در [۳] مشخص شده است می باشد.

طراحی تقویت کننده هدایت انتقالی عملیاتی تمام دیفرانسیل CMOS برای مدولاتورهای دلتا – سیگما

۴- آمپلی فایر کاسکود تلسکوپی دیفرانسیل

یک OTA کاسکود تلسکوپی در شکل ۲ نشان داده شده است. هدایت انتقالی ترانزیستورهای کاسکود M3 و M4 همراه با خازن های پارازیتی ترانزیستورهای ورودی M1 و M2 اقدام به ایجاد یک قطب ثانویه غیرغالب می نمایند. بهره ولتاژ این طراحی بسیار بالا می باشد که علت آن را می توان مقاومت خروجی بالا دانست. تنها دو شاخه جریان وجود دارد، که به طور قابل توجهی مصرف توان را افزایش می دهد. عیب اصلی این طراحی آن است که نوسان خروجی نسبتاً اندک می باشد که علت آن را می توان تعداد ابزارها در خروجی دانست. به علاوه، سطح نویز نیز افزایش می یابد، و قابلیت حاصل آوردن ویژگی تفکیکی مناسب در ولتاژهای کمتر از ۵/۲ ولت نیز مشکل است. نقص دیگر OTA کاسکود تلسکوپی آن است که سطح مود مشترک ورودی را می بایست بطور دقیق تنظیم نمود و با سطح مود مشترک خروجی تطبیق داد. ولتاژ مود مشترک ورودی و خروجی کاهش یافته متعاقباً سبب بروز مشکل در محدوده خطی عملیات خواهد شد. سرعت تغییرات خروجی ولتاژ منوط به جریان بایاس و ظرفیت بار خروجی است. این میزان می تواند بهتر از تقویت کننده دو مرحله ای باشد. در تقویت کننده عملیاتی کاسکود تلسکوپی، ترانزیستورهای ورودی M1 و M2 و ترانزیستورهای بایاس M6 و M8 به عنوان منبع اصلی نویز عمل می نمایند. ابزارهای کاسکود دارای بهره بالا می باشند و این مورد سبب به حداقل رسانی ویژگی مرتبط آنها در برابر نویز خواهد شد. تقویت کننده های عملیاتی تلسکوپی برای بکارگیری یک بافر بهره واحد مناسب نیستند که علت آن را می توان کاهش در محدوده ولتاژ خواند که بیشتر از ولتاژ آستانه نخواهد بود.

تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS

۵- تقویت کننده کاسکود تا شده دیفرانسیل

کاسکود تا شده OTA که در شکل ۳ نشان داده شده است مشابه با کاسکود OTA تلسکوپی می باشد و دارای بهره ای می باشد که به وسیله ضرب هدایت انتقالی ترانزیستور ورودی به امپدانس خروجی به دست می آید. کاسکود تا شده OTA دارای نوسان سیگنال خروجی ارتقا یافته تر در مقایسه با کاسکود OTA تلسکوپی می باشد، چرا که این مورد دارای ترانزیستورهای کمتری در مرحله خروجی است. مزیت دیگر در مقایسه با طراحی قبلی آن است که ولتاژ مود مشترک ورودی و خروجی به صورت یکسان نمی باشد. بنابراین، محدوده دینامیکی خروجی ارتقا می یابد. از آنجایی که چنین موردی به عنوان یک آپ امپ تک مرحله ای می باشد، ظرفیت خازنی خروجی به عنوان یک خازن جبرانی جهت حفظ ثبات عمل نموده و به هیچ خازن اضافه یا MOSFETS نیاز نیست. با وجود آنکه هر دو تکنیک جبران قابلیت حفظ ثبات در مود بازخوردی عملیات را خواهند داشت، موردی که از ظرفیت خروجی استفاده می نماید سبب افزایش سرعت عملیات در مقایسه با خازن جبرانی دو مرحله ای OTA می شود. کاسکود OTA تا شده دارای میزان مصرف توان بیشتری می باشد و از نویز ورودی بیشتری در مقایسه با طراحی تلسکوپی برخوردار است. در کاسکود تا شده، سیر جریان در امتداد ترانزیستورهای بایاس PMOS ـ M4 و M5 می بایست به میزان اندکی بیشتر از جریان بایاس در امتداد M3  برای حاصل آوردن عملیات مناسب وضعیت آیینه ای یا بازتابی کاسکود باشد.

تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS

۶- مدارهای بازخورد مود مشترک (CMFB)

عیب معماری دیفرانسیل نیاز برای یک بازخورد مود مشترک (CMFB) به منظور تثبیت دو خروجی تقویت کننده به یک ولتاژ مشترک می باشد. ترانزیستورهای PMOS و NMOS در مرحله خروجی نوعی توازن در ولتاژ مود مشترک خروجی را ایجاد می نمایند. CMFB فراهم آورنده یک بازخورد منفی می باشد و سیر جریان در امتداد ترانزیستورهای خروجی را کنترل می نماید. این مورد سبب تثبیت خروجی به یک ولتاژ مشترک می گردد. در اینجا با دو نوع CMFBs رو به رو هستیم. خازن سوئیچ شده CMFB به عنوان پیکربندی دینامیکی مدنظر است و صرفا از میزان اتلاف اندک برق برخوردار می باشد.

۷- نتیجه گیری

ما در سیستم Mentor Graphics چهار تقویت کننده عملیاتی CMOS مختلف را برای مدولاتورهای دلتا ـ سیگما طراحی نمودیم. ما پارامترهای مهم عملکرد برای حاصل آوردن عملیات بصورت موفق و با عملکرد سطح بالای مدولاتورهای دلتا ـ سیگما را توضیح دادیم. از نقطه نظر مشاهداتی، ما مشخص ساختیم که این آمپلی فایرها بر مبنای پارامترهای عملکرد کاملاً از مزیت ها و معایبی در ارتباط با هر معماری برخوردار هستند. این مقاله یک رویکرد عملی برای طراحی تقویت کننده هدایت انتقالی عملیاتی را در بر دارد.

تقویت کننده هدایت انتقالی تمام دیفرانسیل CMOS