CMOS усилитель - CMOS amplifier

КМОП усилители (комплементарный металл – оксид – полупроводник усилители ) повсеместно аналоговые схемы используется в компьютеры, аудиосистемы, смартфоны, камеры, телекоммуникации системы, биомедицинский схемы и многие другие системы. Их производительность влияет на общие характеристики систем. Они получили свое название от использования МОП-транзисторы (полевые транзисторы металл – оксид – полупроводник) в отличие от биполярные переходные транзисторы (БЮТ). MOSFET проще в изготовлении и, следовательно, дешевле, чем BJT. усилители, по-прежнему обеспечивая достаточно высокий крутизна для создания схем с очень высокими характеристиками. В высокой производительности CMOS (дополнительный металл – оксид – полупроводник) схемы усилителя, транзисторы используются не только для усиления сигнала, но и в качестве активные нагрузки для достижения более высокого коэффициента усиления и выходного размаха по сравнению с резистивными нагрузками.[1][2][3]

Технология CMOS была представлена ​​в первую очередь для проектирования цифровых схем. В последние несколько десятилетий для улучшения скорости, энергопотребления, требуемой площади и других аспектов цифровых интегральные схемы (ICs) размер элемента MOSFET-транзисторов уменьшился (минимальная длина канала транзисторов уменьшается в новых технологиях CMOS). Это явление предсказано Гордон Мур в 1975 году, который называется Закон Мура, и заявляет, что примерно каждые 2 года количество транзисторов удваивается для той же площади кремния в ИС. Прогресс в разработке схем памяти - интересный пример того, как развитие процессов повлияло на требуемый размер и их производительность в последние десятилетия. В 1956 г. МБ Привод жесткого диска (HDD) весил более тонны,[4] в то время как в эти дни[когда? ] очень распространено иметь в 50000 раз большую емкость при весе в несколько десятков граммов.[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 уменьшение усиления короткоканальных транзисторов, которое влияет на общий коэффициент усиления усилителя. Новые методы, позволяющие достичь более высокого усиления, также создают новые проблемы, такие как стабильность усилителя для приложений с обратной связью. Ниже рассматриваются оба аспекта и резюмируются различные методы решения этих проблем.

Снижение внутреннего усиления в современных КМОП-технологиях

Максимальное усиление одиночного МОП-транзистора называется внутренним усилением и равно:

Где крутизна, а - выходное сопротивление транзистора. В первом приближении прямо пропорциональна 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 усилитель. пропускная способность. Длина канала транзистора меньше в современных КМОП-технологиях, что делает достижение высокого коэффициента усиления в однокаскадных усилителях очень сложной задачей. В литературе предлагается множество методов для достижения высокого усиления.[6][7][8] В следующих разделах рассматриваются различные топологии усилителей и их особенности.

Одноступенчатые усилители

Телескопические, гнутые каскадные (FC) или повторно используемые FC (RFC) являются наиболее распространенными одноступенчатыми усилителями. Все эти структуры используют транзисторы в качестве активных нагрузок, чтобы обеспечить более высокое выходное сопротивление (= более высокое усиление) и размах выходного сигнала. Телескопический усилитель обеспечивает более высокое усиление (из-за более высокого выходного сопротивления) и более широкую полосу пропускания (из-за меньшего недоминантного полюса в узле каскода). Напротив, он имеет ограниченный размах выходного сигнала и сложность в реализации буфера с единичным усилением. Хотя FC имеет меньшее усиление и полосу пропускания, он может обеспечить более высокий размах выходного сигнала, что является важным преимуществом современных технологий CMOS с пониженным напряжением питания. Кроме того, поскольку напряжение постоянного тока входных и выходных узлов может быть одинаковым, это больше подходит для реализации буфера с единичным усилением.[3] FC недавно используется для реализации интегратор в приложении датчика Bio-Nano.[9][10] Также его можно использовать как каскад в многокаскадных усилителях. Например, FC используется как входной каскад двухкаскадного усилителя при проектировании потенциостат цепь, которая предназначена для измерения активности нейронов или чувствительности ДНК.[11] Также с его помощью можно реализовать трансимпедансный усилитель (TIA). TIA может использоваться в амперометрических биосенсорах для измерения тока клеток или растворов для определения характеристик тестируемого устройства.[12] В последнее десятилетие разработчики схем предложили различные модифицированные версии схемы FC. RFC - одна из модифицированных версий усилителя FC, которая обеспечивает 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 использовался в матрице гибридных КМОП-графеновых датчиков для измерения субсекундных дофамин.[14] Он используется в качестве малошумящего усилителя для интегратора.

Стабильность

Амплитудно-частотная характеристика одноступенчатого усилителя

Во многих приложениях усилитель управляет конденсатором в качестве нагрузки. В некоторых приложениях, например переключаемый конденсатор схем, величина емкостной нагрузки изменяется в разных циклах. Следовательно, это влияет на выходной узел постоянная времени и усилитель частотный отклик. Необходимо стабильное поведение усилителя при всех возможных емкостных нагрузках, и разработчик должен учитывать этот вопрос при проектировании схемы. Дизайнер должен убедиться, что запас по фазе (PM) схемы достаточно для худшего случая. Чтобы обеспечить правильное поведение схемы и время отклика, разработчики обычно рассматривают PM в 60 градусов. для более высоких значений PM схема более стабильна, но требуется больше времени, чтобы выходное напряжение достигло своего конечного значения.[1][2][3] В телескопических усилителях и усилителях FC доминирующий полюс находится в выходных узлах. Кроме того, 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 единичного усиления является (усиление усилителя) время он также движется к началу координат. Следовательно, PM увеличивается, что улучшает стабильность. Таким образом, если мы обеспечиваем стабильность схемы при минимальной емкостной нагрузке, она остается стабильной при больших значениях нагрузки.[2][3] Чтобы достичь более 60 градусов PM, не доминирующий полюс должно быть больше, чем в 1,7 раза

Многокаскадные усилители

В некоторых приложениях, таких как переключаемые конденсаторные фильтры или интеграторы, а также различные типы аналого-цифровые преобразователи, необходимо иметь высокое усиление (70-80 дБ), а достижение необходимого усиления иногда невозможно с однокаскадными усилителями.[6] Это более серьезно в современных технологиях CMOS, транзисторы которых имеют меньшее выходное сопротивление из-за меньшей длины канала. Для достижения высокого коэффициента усиления, а также высокого размаха на выходе 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, 3 усилителя с общим источником могут быть соединены каскадом 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 источником с класс AB поведение может использоваться в качестве заключительного каскада в трехкаскадном усилителе не только для улучшения характеристик возбуждения, но и для улучшения усиления.[16] Усилитель класса AB может использоваться как драйвер колонки в ЖК-дисплеи.[17]

Стабильность в двухкаскадных усилителях

В отличие от одноступенчатых усилителей, многокаскадные усилители обычно имеют 3 или более полюса, и если они используются в сетях обратной связи, система с обратной связью, вероятно, будет нестабильной. Для стабильного поведения в многокаскадных усилителях необходимо использовать компенсационную схему. Основная цель компенсационной сети - изменить передаточную функцию системы таким образом, чтобы достичь достаточного количества PM.[2][3] Таким образом, используя схему компенсации, мы должны получить частотную характеристику, аналогичную той, что мы показали для одноступенчатых усилителей. В однокаскадных усилителях емкостная нагрузка подключена к выходному узлу, у которого там находится доминирующий полюс, и увеличение его значения улучшает PM.[3] Таким образом, он действует как компенсационный конденсатор (сетевой). Для компенсации многокаскадных усилителей обычно используется компенсационный конденсатор, чтобы переместить доминирующий полюс на более низкую частоту для достижения достаточного количества ФМ.

Блок-схема полностью дифференциальных и несимметричных двухкаскадных усилителей

На следующем рисунке показана блок-схема двухкаскадного усилителя в полностью дифференциальном и несимметричном режимах. В двухкаскадном усилителе входной каскад может быть телескопическим или FC-усилителем. Для второго каскада обычным выбором является усилитель с общим источником 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 хотя бы не хватает ФМ. Емкость нагрузки подключена к выходу второй ступени, у которой не доминирует полюс. Следовательно, в отличие от однокаскадных усилителей, увеличение емкостной нагрузки перемещает недоминантный полюс на более низкую частоту и ухудшает PM.[3] Mesri et al. предложены двухкаскадные усилители, которые ведут себя как одноступенчатые усилители, причем усилители остаются стабильными при больших значениях емкостных нагрузок.[6][7]Для правильного поведения нам необходимо 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 помещается между входным и выходным узлами второй ступени. В этом случае появляется компенсационный конденсатор. раз больше на выходе первого каскада, и сдвигает доминирующий полюс, а также частоту единичного усиления на более низкие частоты. Более того, из-за расщепление полюсов эффект, он также перемещает не доминирующий полюс на более высокие частоты. Следовательно, это хороший кандидат для стабилизации усилителя. Основным преимуществом метода компенсации Миллера является уменьшение размера требуемого компенсационного конденсатора в несколько раз. Проблема, поднятая конденсатором компенсации Миллера, заключается в вводе нуля в правой полуплоскости (RHP), что снижает PM. Надеюсь, что для решения этой проблемы были предложены разные методы. В качестве примера, чтобы отменить эффект нуля RHP, можно использовать обнуляющий резистор последовательно с компенсационным конденсатором (правая блок-схема на рисунке ниже). Основываясь на значении резистора, мы можем переместить ноль RHP на более высокую частоту (чтобы отменить его влияние на PM), или переместить его в LHP (для улучшения PM), или даже удалить первый не доминирующий полюс, чтобы улучшить полосу пропускания и PM. Этот метод компенсации в последнее время используется в конструкции усилителя для цепи потенциостата.[11] Из-за изменения процесса значение резистора может измениться более чем на 10%, что влияет на стабильность. Использование токового буфера или буфера напряжения последовательно с компенсационным конденсатором - еще один вариант для получения лучших результатов.[2][3][8]

Компенсационные методы для двухкаскадных усилителей

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Разави, Бехзад (2013). Основы микроэлектроники (2-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN  9781118156322. Получено 13 июн 2018.
  2. ^ а б c d е ж грамм Сансен, Вилли (2006). Основы аналогового дизайна. Springer. ISBN  978-0-387-25747-1. Получено 13 июн 2018.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j Разави, Бехзад (2001). Разработка аналоговых КМОП интегральных схем (1-е изд.). McGraw-Hill Education. ISBN  978-0070529038.
  4. ^ «Вот как тяжело было переместить жесткий диск IBM емкостью 5 МБ в 1956 году (примечание: требовался вилочный погрузчик)». их. 2016-12-12. Получено 13 июн 2018.
  5. ^ «Лучшие флешки 2018 года». техрадар. Получено 13 июн 2018.
  6. ^ а б c Месри, Алиреза; Махдипур Пирбазари, Махмуд; Хадиди, Хайроллах; Хоэй, Абдолла (2015). «Двухкаскадный усилитель с высоким коэффициентом усиления и компенсацией положительной емкостной обратной связи». Схемы, устройства и системы ИЭПП. 9 (3): 181–190. arXiv:1411.3506. Дои:10.1049 / iet-cds.2014.0139. S2CID  1864848. Получено 13 июн 2018.
  7. ^ а б Месри, Алиреза; Махдипур Пирбазари, Махмуд; Джавидан, Джавад (2015). «Анализ и конструкция двухкаскадного усилителя с улучшенными характеристиками». Журнал микроэлектроники. 46 (12 – A): 1304–1312. Дои:10.1016 / j.mejo.2015.10.002.
  8. ^ а б c Леунг, Ка Нанг; К. Т. Мок, Филипп (2001). «Анализ многокаскадного усилителя - частотная компенсация». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications. 48 (9): 1041–1056. Дои:10.1109/81.948432. S2CID  17715486.
  9. ^ С. Гхорейшизаде, Сара; Таурино, Ирэн; Де Микели, Джованни; Каррара, Сандро; Георгиу, Пантелис (2017). "Дифференциальный электрохимический считывающий ASIC с гетерогенной интеграцией био-нано-сенсоров для амперометрического измерения" (PDF). IEEE Transactions по биомедицинским схемам и системам. 11 (5): 1148–1159. Дои:10.1109 / TBCAS.2017.2733624. HDL:10044/1/50264. PMID  28885160. S2CID  20125742.
  10. ^ А. Аль Мамун, Хандакер; К. Ислам, Сайед; К. Хенсли, Дейл; Макфарлейн, Николь (2016). «Биосенсор глюкозы с использованием потенциостата CMOS и вертикально ориентированных углеродных нановолокон». IEEE Transactions по биомедицинским схемам и системам. 10 (4): 807–816. Дои:10.1109 / TBCAS.2016.2557787. PMID  27337723. S2CID  21193815.
  11. ^ а б Гиагкуловиц, Христос; Чонг Чеа, Бун; А. Аль-Рухани, Мохаммед; Аккарино, Клаудио; Буше, Кристоф; П. Грант, Джеймс; Р. С. Камминг, Дэвид (2018). «Амперометрическая микроэлектродная матрица CMOS 16 × 16 для одновременных электрохимических измерений» (PDF). IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. PP (99): 2821–2831. Дои:10.1109 / TCSI.2018.2794502. S2CID  3626625.
  12. ^ Мажаб Джафари, Хамед; Генов, Роман (2013). "Стабилизированные прерывателем двунаправленные схемы приема тока для электрохимических амперометрических биосенсоров". IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 60 (5): 1149–1157. Дои:10.1109 / TCSI.2013.2248771. S2CID  272483.
  13. ^ С. Ассаад, Рида; Сильва-Мартинес, Хосе (2009). «Рециркуляция сложенного каскода: общее усовершенствование усилителя сложенного каскода». Журнал IEEE по твердотельным схемам. 44 (9): 2535–2542. Bibcode:2009IJSSC..44.2535A. Дои:10.1109 / JSSC.2009.2024819. S2CID  43995423.
  14. ^ Насри, Баян; Ву, Тинг; Альхарби, Абдулла; Ты, Каэ-Дьи; Гупта, Маянк; П. Себастьян, Сунит; Киани, Рузбех; Шахрджерди, Давуд (2017). «Гибридная матрица датчиков CMOS-графена для субсекундного обнаружения дофамина». IEEE Transactions по биомедицинским схемам и системам. 11 (6): 1192–1203. Дои:10.1109 / TBCAS.2017.2778048. ЧВК  5936076. PMID  29293417.
  15. ^ Грассо, Альфио Дарио; Паламбо, Гаэтано; Сальваторе, Пенниси (2015). «Высокопроизводительный четырехкаскадный CMOS OTA, подходящий для больших емкостных нагрузок». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 62 (10): 2476–2484. Дои: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 на 0,7 В класса AB». IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 63 (11): 1807–1815. Дои:10.1109 / TCSI.2016.2597440. S2CID  3049557.
  17. ^ Grasso, A.D .; Palumbo, G .; Пенниси, С. (2018). «Двойной двухтактный высокоскоростной буферный КМОП-усилитель Rail-to-Rail для плоских дисплеев». IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs. 65 (12): 1879–1883. Дои:10.1109 / TCSII.2018.2817261. S2CID  53733509.