CMOS yükseltici - CMOS amplifier

CMOS amplifikatörleri ( tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken amplifikatörler ), bilgisayarlarda , ses sistemlerinde , akıllı telefonlarda , kameralarda , telekomünikasyon sistemlerinde, biyomedikal devrelerde ve diğer birçok sistemde kullanılan her yerde bulunan analog devrelerdir . Performansları, sistemlerin genel özelliklerini etkiler. İsimlerini , bipolar bağlantı transistörlerinin (BJT'ler) tersi olarak MOSFET'lerin (metal-oksit-yarı iletken alan etkili transistörler) kullanımından alırlar . MOSFET'lerin üretilmesi daha basittir ve bu nedenle BJT amplifikatörlerinden daha ucuzdur , yine de çok yüksek performanslı devrelerin tasarımına izin vermek için yeterince yüksek bir iletkenlik sağlar. Yüksek performanslı CMOS (tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken) amplifikatör devrelerinde, transistörler yalnızca sinyali yükseltmek için kullanılmaz, aynı zamanda dirençli yüklere kıyasla daha yüksek kazanç ve çıkış salınımı elde etmek için aktif yükler olarak kullanılır .

CMOS teknolojisi öncelikle dijital devre tasarımı için tanıtıldı. Son birkaç on yılda, hızı, güç tüketimini, gerekli alanı ve dijital tümleşik devrelerin (IC'ler) diğer yönlerini iyileştirmek için MOSFET transistörlerinin özellik boyutu küçülmüştür (yeni CMOS teknolojilerinde transistörlerin minimum kanal uzunluğu azalır). Gordon Moore tarafından 1975'te tahmin edilen ve Moore yasası olarak adlandırılan bu fenomen , yaklaşık her 2 yılda bir, IC'lerin aynı silikon alanı için transistör sayısının iki katına çıktığını belirtir. Bellek devreleri tasarımındaki ilerleme, son yıllarda süreç ilerlemesinin gerekli boyutu ve performanslarını nasıl etkilediğini görmek için ilginç bir örnektir. 1956'da 5 MB'lık bir Sabit Disk Sürücüsü (HDD) bir tondan fazla ağırlığa sahipken, bu günlerde 50000 kat daha fazla kapasiteye ve onlarca gram ağırlığa sahip olmak çok yaygın.

Dijital IC'ler, özellik boyutunun küçülmesinden yararlanırken, analog CMOS yükselteçleri, bir analog tasarımın içsel sınırlamaları nedeniyle - örneğin, genel yükseltici kazancını etkileyen kısa kanal transistörlerinin içsel kazancının azaltılması gibi - ilgili avantajlar elde etmemiştir. Daha yüksek kazanç sağlayan yeni teknikler, kapalı döngü uygulamaları için amplifikatör kararlılığı gibi yeni sorunlar da yaratır. Aşağıdakiler her iki yönü de ele almakta ve bu sorunların üstesinden gelmek için farklı yöntemleri özetlemektedir.

Modern CMOS teknolojilerinde içsel kazanç azaltma

Tek bir MOSFET transistörünün maksimum kazancına içsel kazanç denir ve şuna eşittir:

burada bir iletkenliği ve transistörün çıkış direncidir. Birinci dereceden bir yaklaşım olarak, transistörlerin kanal uzunluğu ile doğru orantılıdır. Tek kademeli bir amplifikatörde, daha yüksek çıkış direnci ve kazanç elde etmek için kanal uzunluğu artırılabilir, ancak bu aynı zamanda amplifikatör bant genişliğini sınırlayan transistörlerin parazitik kapasitansını da arttırır . Transistör kanal uzunluğu, modern CMOS teknolojilerinde daha küçüktür, bu da tek kademeli amplifikatörlerde yüksek kazanç elde etmeyi çok zorlaştırır. Yüksek kazanç elde etmek için literatürde birçok teknik önerilmiştir. Aşağıdaki bölümler, farklı amplifikatör topolojilerine ve özelliklerine bakmaktadır.

Tek kademeli amplifikatörler

Teleskopik, katlanmış kaskod (FC) veya geri dönüşüm FC (RFC) en yaygın tek kademeli amplifikatörlerdir. Tüm bu yapılar, daha yüksek çıkış direnci (= daha yüksek kazanç) ve çıkış salınımı sağlamak için aktif yükler olarak transistörleri kullanır. Teleskopik amplifikatör, daha yüksek kazanç (daha yüksek çıkış direnci nedeniyle) ve daha yüksek bant genişliği (kascode düğümündeki daha küçük baskın olmayan kutup nedeniyle) sağlar. Buna karşılık, birlik-kazanç tamponunun uygulanmasında sınırlı çıktı salınımı ve zorluğu vardır. FC daha düşük kazanç ve bant genişliğine sahip olmasına rağmen, daha yüksek bir çıkış salınımı sağlayabilir; bu, düşük besleme voltajına sahip modern CMOS teknolojilerinde önemli bir avantajdır. Ayrıca, giriş ve çıkış düğümlerinin DC voltajı aynı olabileceğinden, birlik kazanç tamponunun uygulanması için daha uygundur. FC son zamanlarda bir biyo-nano sensör uygulamasında entegratörü uygulamak için kullanılıyor. Ayrıca çok kademeli amplifikatörlerde bir kademe olarak kullanılabilir. Örnek olarak, FC, nöronal aktiviteleri veya DNA algılamayı ölçmek için bir potansiyostat devresinin tasarımında iki aşamalı bir amplifikatörün giriş aşaması olarak kullanılır . Ayrıca, transpedans amplifikatörünü (TIA) gerçekleştirmek için kullanılabilir . TIA, hücrelerin akımını ölçmek için amperometrik biyosensörlerde veya test edilen bir cihazın özelliklerini tanımlamak için çözümlerde kullanılabilir Son on yılda, devre tasarımcıları FC devresinin farklı değiştirilmiş versiyonlarını önerdiler. RFC, FC ile karşılaştırıldığında (aynı güç tüketimi için) daha yüksek kazanç, daha yüksek bant genişliği ve ayrıca daha yüksek dönüş hızı sağlayan FC amplifikatörün değiştirilmiş versiyonlarından biridir . Son zamanlarda, RFC amplifikatörü, dopaminin saniye altı ölçümü için hibrit CMOS- grafen sensör dizisinde kullanılmıştır . Entegratörü uygulamak için düşük gürültülü bir amplifikatör olarak kullanılır.

istikrar

Tek kademeli bir yükselticinin frekans yanıtı

Birçok uygulamada, bir amplifikatör yük olarak bir kapasitörü çalıştırır. Anahtarlamalı kapasitör devreleri gibi bazı uygulamalarda kapasitif yükün değeri farklı çevrimlerde değişir. Bu nedenle, çıkış düğümü zaman sabitini ve yükseltici frekans yanıtını etkiler . Tüm olası kapasitif yükler için amplifikatörün kararlı davranışı gereklidir ve tasarımcı devre tasarımı sırasında bu konuyu dikkate almalıdır. Tasarımcı , en kötü durum için devrenin faz marjının (PM) yeterli olduğundan emin olmalıdır . Uygun devre davranışına ve zaman yanıtına sahip olmak için tasarımcılar genellikle 60 derecelik bir PM düşünür. Daha yüksek PM değerleri için devre daha kararlıdır, ancak çıkış voltajının nihai değerine ulaşması daha uzun sürer. Teleskopik ve FC yükselteçlerde baskın kutup çıkış düğümlerindedir. Ayrıca, kaskod düğümünde baskın olmayan bir kutup vardır. Kapasitif yük çıkış düğümlerine bağlı olduğundan, değeri baskın kutbun konumunu etkiler. Bu şekil, kapasitif yükün baskın direğin yerini ve stabiliteyi nasıl etkilediğini göstermektedir . Artan kapasitif yük kökenli doğru baskın kutbu taşır ve birlik artış frekansı beri olduğu (amplifikatör kazanç) kez kökenli doğru zamanda hareket eder. Bu nedenle PM artar, bu da kararlılığı artırır. Bu nedenle, minimum kapasitif yük için bir devrenin kararlılığını sağlarsak, daha büyük yük değerleri için kararlı kalır. 60 dereceden fazla PM elde etmek için, baskın olmayan kutup daha büyük olmalıdır.

Çok aşamalı amplifikatörler

Anahtarlamalı kapasitör filtreleri veya entegratörleri gibi bazı uygulamalarda ve farklı türde analogdan dijitale dönüştürücüler gibi , yüksek kazanç (70-80 dB) değerine ihtiyaç duyulur ve gereken kazancı elde etmek bazen tek kademeli amplifikatörlerle imkansızdır. Bu, transistörlerin daha kısa kanal uzunluğu nedeniyle daha küçük çıkış direncine sahip olduğu modern CMOS teknolojilerinde daha ciddidir. Yüksek kazanç ve yüksek çıkış salınımı elde etmek için çok aşamalı amplifikatörler icat edilmiştir. İki aşamalı amplifikatör uygulamak için, birinci aşama olarak FC amplifikatörü ve ikinci aşama olarak ortak bir kaynak amplifikatörü kullanılabilir. Ayrıca, dört aşamalı amplifikatör uygulamak için, FC amplifikatörü ile 3 ortak kaynak amplifikatörü basamaklandırılabilir. Büyük kapasitif yükleri veya küçük dirençli yükleri sürmek için çıkış aşamasının AB sınıfı olması gerektiği belirtilmelidir. Örneğin, AB sınıfı davranışa sahip ortak kaynak amplifikatör, yalnızca sürücü kapasitesini iyileştirmekle kalmayıp aynı zamanda kazanç sağlamak için üç aşamalı amplifikatörde son aşama olarak kullanılabilir. AB sınıfı amplifikatör, LCD'lerde sütun sürücüsü olarak kullanılabilir .

İki aşamalı amplifikatörlerde kararlılık

Tek kademeli amplifikatörlerin aksine, çok kademeli amplifikatörler genellikle 3 veya daha fazla kutba sahiptir ve geri besleme ağlarında kullanılıyorlarsa kapalı döngü sistemi muhtemelen kararsızdır. Çok kademeli yükselteçlerde kararlı davranışa sahip olmak için kompanzasyon ağının kullanılması gerekir. Kompanzasyon ağının temel amacı, sistemin transfer fonksiyonunu yeterli PM elde edecek şekilde değiştirmektir. Dolayısıyla, kompanzasyon ağı kullanarak, tek kademeli amplifikatörler için gösterdiğimize benzer bir frekans yanıtı almalıyız. Tek kademeli yükselteçlerde, kapasitif yük, baskın kutbun orada olduğu çıkış düğümüne bağlanır ve değerinin arttırılması PM'yi iyileştirir. Böylece bir kompanzasyon kondansatörü (ağ) gibi davranır. Çok aşamalı amplifikatörleri telafi etmek için, yeterli PM elde etmek için baskın kutbu daha düşük frekansa taşımak için genellikle dengeleme kapasitörü kullanılır.

Tam diferansiyel ve tek uçlu iki aşamalı amplifikatörlerin blok şeması

Aşağıdaki şekil, tam diferansiyel ve tek uçlu modlarda iki aşamalı bir amplifikatörün blok şemasını göstermektedir. İki aşamalı bir amplifikatörde, giriş aşaması Teleskopik veya FC amplifikatör olabilir. İkinci aşama için aktif yüke sahip ortak kaynak amplifikatörü ortak bir seçimdir. Birinci kademenin çıkış direnci ikinci kademeye göre çok daha büyük olduğu için baskın kutup birinci kademenin çıkışındadır.

Kompanzasyon olmadan, amplifikatör kararsızdır veya en azından yeterli PM'ye sahip değildir. Yük kapasitansı, orada baskın olmayan kutbun gerçekleştiği ikinci aşamanın çıkışına bağlanır. Bu nedenle, tek kademeli yükselteçlerden farklı olarak, kapasitif yükün artması, baskın olmayan kutbu daha düşük frekansa taşır ve PM'yi bozar. Mesri et al. tek aşamalı amplifikatörler gibi davranan iki aşamalı amplifikatörler önerdi ve amplifikatörler daha büyük kapasitif yük değerleri için sabit kalır. Doğru davranışa sahip olmak için iki aşamalı veya çok aşamalı amplifikatörleri telafi etmemiz gerekir. Aşağıdaki şekilde sol blok diyagramda gösterildiği gibi iki aşamalı amplifikatörün kompanzasyonu için en basit yol, kompanzasyon kondansatörünü birinci kademenin çıkışına bağlamak ve baskın kutbu daha düşük frekanslara taşımaktır. Ancak silikon çip üzerinde kondansatörün gerçekleştirilmesi önemli bir alan gerektirir. İki kademeli yükselteçlerde en yaygın kompanzasyon yöntemi Miller kompanzasyonudur (aşağıdaki şekilde orta blok diyagramdır. Bu yöntemde ikinci kademenin giriş ve çıkış düğümü arasına bir kompanzasyon kondansatörü yerleştirilir. Bu durumda kompanzasyon kondansatörü kez görünür. ilk kademenin çıkışında daha büyüktür ve birim kazanç frekansının yanı sıra baskın kutbu daha düşük frekanslara iter.Ayrıca kutup bölme etkisi nedeniyle baskın olmayan kutbu da daha yüksek frekanslara taşır.Bu nedenle iyi bir amplifikatörü kararlı hale getirmeye aday Miller kompanzasyon yönteminin ana avantajı, gerekli kompanzasyon kondansatörünün boyutunu bir faktör kadar azaltmaktır. Umarım, bu sorunu çözmek için farklı yöntemler önerilmiştir.Örnek olarak, RHP sıfırın etkisini iptal etmek için, sıfırlayıcı direnç, kompanzasyon kapasitörlü seri olarak kullanılabilir (sağ b aşağıdaki şeklin kilit şeması). Direnç değerine bağlı olarak, RHP'yi daha yüksek frekansa (PM üzerindeki etkisini iptal etmek için) veya LHP'yi hareket ettirmek (PM'yi iyileştirmek için) veya hatta Bant Genişliğini ve PM'yi iyileştirmek için ilk baskın olmayan kutbu kaldırabiliriz. Bu kompanzasyon yöntemi son zamanlarda potansiyostat devresi için amplifikatör tasarımında kullanılmaktadır. Proses değişkenliği nedeniyle direnç değeri %10'dan fazla değişebilir ve bu nedenle kararlılığı etkiler. Kompanzasyon kondansatörü ile seri olarak akım tamponu veya voltaj tamponu kullanmak daha iyi sonuçlar almak için başka bir seçenektir.

İki aşamalı amplifikatörler için telafi teknikleri

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b Razavi, Behzad (2013). Mikroelektronik Temelleri (2. baskı). John Wiley ve Oğulları. ISBN'si 9781118156322. 13 Haziran 2018'de alındı .
  2. ^ a b c d e f g Sansen, Willy (2006). Analog Tasarım Temelleri . Springer. ISBN'si 978-0-387-25747-1. 13 Haziran 2018'de alındı .
  3. ^ a b c d e f g h i j Razavi, Behzad (2001). Analog CMOS Entegre Devrelerin Tasarımı (1. baskı). McGraw-Hill Eğitimi. ISBN'si 978-0070529038.
  4. ^ "İşte 1956'da 5MB'lık bir IBM Sabit Diskini Taşımak Ne Kadar Zordu (Not: Forklift Gereklidir)" . zihin çemberi . 2016-12-12 . 13 Haziran 2018'de alındı .
  5. ^ "2018'in en iyi USB flash sürücüleri" . techradar . 13 Haziran 2018'de alındı .
  6. ^ a b c Mesri, Alireza; Mahdipur Pirbazari, Mahmud; Hadidi, Hayrullah; Khoei, Abdullah (2015). "Pozitif kapasitif geri besleme kompanzasyonu ile yüksek kazançlı iki aşamalı amplifikatör" . IET Devreleri, Cihazları ve Sistemleri . 9 (3): 181–190. arXiv : 1411.3506 . doi : 10.1049/iet-cds.2014.0139 . S2CID  1864848 . 13 Haziran 2018'de alındı .
  7. ^ a b Mesri, Alireza; Mahdipur Pirbazari, Mahmud; Javidan, Javad (2015). "Gelişmiş performansa sahip iki aşamalı bir amplifikatörün analizi ve tasarımı". Mikroelektronik Dergisi . 46 (12–A): 1304–1312. doi : 10.1016/j.mejo.2015.10.002 .
  8. ^ a b c Leung, Ka Nang; KT Mok, Philip (2001). "Çok Kademeli Amplifikatör-Frekans Telafisinin Analizi". Devreler ve Sistemler Üzerinde IEEE İşlemleri I: Temel Teori ve Uygulamalar . 48 (9): 1041-1056. doi : 10.1109/81.948432 . S2CID  17715486 .
  9. ^ S. Ghoreishizadeh, Sara; Taurino, Irene; De Micheli, Giovanni; Carrara, Sandro; Georgiou, Pantelis (2017). "Amperometrik Algılama için Biyo-Nano Sensörlerin Heterojen Entegrasyonu ile Bir Diferansiyel Elektrokimyasal Okuma ASIC" (PDF) . Biyomedikal Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri . 11 (5): 1148–1159. doi : 10.1109/TBCAS.2017.2733624 . hdl : 10044/1/50264 . PMID  28885160 . S2CID  20125742 .
  10. ^ A. Al Mamun, Khandaker; K. İslam, Seyid; K. Hensley, Dale; McFarlane, Nicole (2016). "CMOS Potansiyostat ve Dikey Olarak Hizalanmış Karbon Nanolifleri Kullanan Bir Glikoz Biyosensörü". Biyomedikal Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri . 10 (4): 807-816. doi : 10.1109/TBCAS.2016.2557787 . PMID  27337723 . S2CID  21193815 .
  11. ^ a b Giagkoulovits, Christos; Chong Cheah, Boon; A. Al-Rawhani, Muhammed; Acarino, Claudio; Busche, Christoph; P. Grant, James; RS Cumming, David (2018). "Eşzamanlı Elektrokimyasal Ölçümler için 16 × 16 CMOS Amperometrik Mikroelektrot Dizisi" (PDF) . Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri I: Normal Kağıtlar . PP (99): 2821–2831. doi : 10.1109/TCSI.2018.2794502 . S2CID  3626625 .
  12. ^ Mazhab Caferi, Hamed; Genov, Roman (2013). "Elektrokimyasal Amperometrik Biyosensörler için Kıyıcı Stabilize Çift Yönlü Akım Toplama Devreleri". Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri I: Normal Kağıtlar . 60 (5): 1149–1157. doi : 10.1109/TCSI.2013.2248771 . S2CID  272483 .
  13. ^ S. Esad, Rıza; Silva-Martinez, Jose (2009). "Katlanmış Cascode Geri Dönüşümü: Katlanmış Cascode Amplifikatöründe Genel Bir Geliştirme". IEEE Katı Hal Devreleri Dergisi . 44 (9): 2535–2542. Bibcode : 2009IJSSC..44.2535A . doi : 10.1109/JSSC.2009.2024819 . S2CID  43995423 .
  14. ^ Nasri, Bayan; Wu, Ting; Alharbi, Abdullah; Sen, Kae-Dyi; Gupta, Mayank; P Sebastian, Sunit; Kiani, Roozbeh; Shahrjerdi, Davood (2017). "Saniye Altı Dopamin Tespiti için Hibrit CMOS-Grafen Sensör Dizisi" . Biyomedikal Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri . 11 (6): 1192–1203. doi : 10.1109/TBCAS.2017.2778048 . PMC  5936076 . PMID  29293417 .
  15. ^ Grasso, Alfio Dario; Palumbo, Gaetano; Salvatore, Pennisi (2015). "Büyük Kapasitif Yükler için Uygun Yüksek Performanslı Dört Aşamalı CMOS OTA". Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri I: Normal Kağıtlar . 62 (10): 2476–2484. doi : 10.1109/TCSI.2015.2476298 . S2CID  206650634 .
  16. ^ Cabrera-Bernal, Elena; Pennisi, Salvatore; Dario Grasso, Alfio; Torralba, Antonio; Gonzalez Carvajal, Ramon (2016). "0.7-V Üç Aşamalı AB Sınıfı CMOS Operasyonel İletkenlik Amplifikatörü". Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri I: Normal Kağıtlar . 63 (11): 1807-1815. doi : 10.1109/TCSI.2016.2597440 . S2CID  3049557 .
  17. ^ Grasso, AD; Palumbo, G.; Pennisi, S. (2018). "Düz panel ekranlar için çift itme-çekme yüksek hızlı raydan raya CMOS tampon amplifikatörü". Devreler ve Sistemlerde IEEE İşlemleri II: Ekspres Özetler . 65 (12): 1879–1883. doi : 10.1109/TCSII.2018.2817261 . S2CID  53733509 .