CMOS -forsterker - CMOS amplifier

CMOS-forsterkere ( Complementary Metal Oxide-halvlederforsterkere ) er allestedsnærværende analoge kretser som brukes i datamaskiner , lydsystemer , smarttelefoner , kameraer , telekommunikasjonssystemer, biomedisinske kretser og mange andre systemer. Ytelsen deres påvirker systemets generelle spesifikasjoner. De tar navnet sitt fra bruk av MOSFET-er (metall-oksid-halvleder-felt-effekt-transistorer) i motsetning til bipolare kryss-transistorer (BJT-er). MOSFET -er er enklere å fremstille og derfor billigere enn BJT -forsterkere , og gir fremdeles tilstrekkelig høy transkonduktans til å tillate utforming av kretser med svært høy ytelse. I høyytelses CMOS (komplementære metall -oksid -halvleder) forsterkerkretser brukes transistorer ikke bare for å forsterke signalet, men brukes også som aktive belastninger for å oppnå høyere forsterkning og utgangssving i sammenligning med resistive belastninger.

CMOS -teknologien ble først og fremst introdusert for digital kretsdesign. I løpet av de siste tiårene, for å forbedre hastighet, strømforbruk, nødvendig område og andre aspekter ved digitale integrerte kretser (ICs), har funksjonsstørrelsen på MOSFET -transistorer krympet (minimum kanallengde på transistorer reduseres i nyere CMOS -teknologier). Dette fenomenet spådd av Gordon Moore i 1975, som kalles Moores lov , og sier at omtrent hvert annet år dobles antallet transistorer for det samme silisiumområdet til IC -er. Fremskritt i minnekretsdesign er et interessant eksempel for å se hvordan prosessfremgang har påvirket nødvendig størrelse og ytelse de siste tiårene. I 1956 veide en 5 MB harddisk (HDD) over tonn, mens det i disse dager er 50000 ganger mer kapasitet med en vekt på flere titalls gram veldig vanlig.

Selv om digitale IC -er har hatt fordeler av å krympe funksjonsstørrelsen, har analoge CMOS -forsterkere ikke oppnådd tilsvarende fordeler på grunn av de innebygde begrensningene til et analogt design - for eksempel innebygd forsterkningsreduksjon av kortkanaltransistorer, noe som påvirker den totale forsterkningsforsterkningen. Nye teknikker som oppnår høyere gevinst skaper også nye problemer, som forsterkerstabilitet for applikasjoner med lukket sløyfe. Følgende tar for seg begge aspektene, og oppsummerer forskjellige metoder for å overvinne disse problemene.

Egenskapsreduksjon i moderne CMOS -teknologier

Maksimal forsterkning for en enkelt MOSFET -transistor kalles egenforsterkning og er lik

hvor er transkonduktansen , og er utgangsmotstanden til transistoren. Som en tilnærming av første orden er den direkte proporsjonal med kanallengden til transistorer. I en en-trinns forsterker kan man øke kanallengden for å få høyere utgangsmotstand og forsterkning også, men dette øker også parasittkapasitansen til transistorer, noe som begrenser forsterkerens båndbredde . Transistorkanalens lengde er mindre i moderne CMOS-teknologier, noe som gjør det svært utfordrende å oppnå høy gevinst i en-trinns forsterkere. For å oppnå høy gevinst har litteraturen foreslått mange teknikker. De følgende avsnittene ser på forskjellige forsterker -topologier og deres funksjoner.

En-trinns forsterkere

Teleskopisk, brettet kaskode (FC) eller resirkulering FC (RFC) er de vanligste en-trinns forsterkere. Alle disse strukturene bruker transistorer som aktive belastninger for å gi høyere utgangsmotstand (= høyere forsterkning) og utgangssving. En teleskopisk forsterker gir høyere forsterkning (på grunn av høyere utgangsmotstand) og høyere båndbredde (på grunn av mindre ikke-dominerende pol ved kaskodeknuten). I kontrast har den begrenset utgangssving og vanskeligheter med å implementere enhetsforsterkningsbuffer. Selv om FC har lavere forsterkning og båndbredde, kan det gi en høyere utgangssving, en viktig fordel i moderne CMOS -teknologier med redusert forsyningsspenning. Siden DC-spenningen til inngangs- og utgangsnoder kan være den samme, er den også mer egnet for implementering av enhetsforsterkningsbuffer. FC brukes nylig for å implementere integrator i en bio-nanosensorapplikasjon. Den kan også brukes som et stadium i flertrinns forsterkere. Som et eksempel brukes FC som inngangstrinnet til en totrinns forsterker ved utformingen av en potensiostatkrets , som skal måle nevronaktiviteter eller DNA-sensing. Den kan også brukes til å realisere transimpedansforsterker (TIA). TIA kan brukes i amperometriske biosensorer for å måle strømmen til celler eller løsninger for å definere egenskapene til en enhet som testes I det siste tiåret har kretsdesignere foreslått forskjellige modifiserte versjoner av FC -krets. RFC er en av de modifiserte versjonene av FC -forsterkeren, som gir høyere forsterkning, høyere båndbredde og også høyere slew rate i forhold til FC (for samme strømforbruk). Nylig har RFC forsterker som brukes i hybrid CMOS- graphene sensorgruppe for subsecond måling av dopamin . Den brukes som en lydløs forsterker for å implementere integrator.

Stabilitet

Frekvensrespons av en etappeforsterker

I mange applikasjoner driver en forsterker en kondensator som en belastning. I noen applikasjoner, som koblede kondensatorkretser , endres verdien av kapasitiv belastning i forskjellige sykluser. Derfor er det påvirker utgangsknutepunkt tidskonstant og forsterker frekvensrespons . Forsterkerens stabile oppførsel for alle mulige kapasitive belastninger er nødvendig, og designeren må vurdere dette problemet under utformingen av kretsen. Designer bør sørge for at fasemarginen (PM) for kretsen er nok i verste fall. For å ha riktig kretsatferd og tidsrespons, vurderer designere vanligvis en PM på 60 grader. For høyere PM -verdier er kretsen mer stabil, men det tar lengre tid før utgangsspenningen når sin endelige verdi. I teleskopiske og FC -forsterkere er den dominerende polen ved utgangsnodene. Det er også en ikke-dominerende pol ved kaskodnoden. Siden kapasitiv belastning koblet til utgangsnoder, påvirker dens verdi plasseringen av den dominerende polen. Denne figuren viser hvordan kapasitiv belastning påvirker plasseringen av dominerende pol og stabilitet. Økende kapasitiv belastning beveger den dominerende polen mot opprinnelsen, og siden enhetsforsterkningsfrekvensen er (forsterkerforsterkning) ganger , beveger den seg også mot opprinnelsen. Derfor øker PM, noe som forbedrer stabiliteten. Så hvis vi sikrer stabilitet i en krets for en minimum kapasitiv belastning, forblir den stabil for større lastverdier. For å oppnå mer enn 60 grader PM, må den ikke-dominerende polen være større enn

Fler-trinns forsterkere

I noen applikasjoner, som koblede kondensatorfiltre eller integratorer, og forskjellige typer analog-til-digital-omformere , er det nødvendig med høy forsterkning (70-80 dB), og det er umulig å oppnå den nødvendige forsterkningen noen ganger med ett-trinns forsterkere. Dette er mer alvorlig i moderne CMOS -teknologier, som transistorer har mindre utgangsmotstand på grunn av kortere kanallengde. For å oppnå høy forsterkning så vel som høy utgangssving, har flertrinns forsterkere blitt oppfunnet. For å implementere to-trinns forsterker kan man bruke FC-forsterker som det første trinnet og en felles forsterker som det andre trinnet. For å implementere firetrinns forsterker kan 3 vanlige kildeforsterker også kaskades med FC-forsterker. Det bør nevnes at utgangstrinnet skal være klasse AB for å drive store kapasitive eller små resistive belastninger. For eksempel kan felles kildeforsterker med klasse AB- oppførsel brukes som det siste trinnet i tretrinns forsterker for ikke bare å forbedre driftsevnen, men også gevinsten. Klasse AB -forsterker kan brukes som en kolonnedriver på LCD -skjermer .

Stabilitet i totrinnsforsterkere

I motsetning til en-trinns forsterkere, har flertrinns forsterkere vanligvis tre eller flere poler, og hvis de brukes i tilbakemeldingsnettverk, er sannsynligvis lukket sløyfe-system ustabilt. For å ha stabil oppførsel i flertrinns forsterkere, er det nødvendig å bruke kompensasjonsnettverk. Hovedmålet med kompensasjonsnettverket er å endre systemets overføringsfunksjon på en slik måte at man oppnår nok PM. Så ved bruk av kompensasjonsnettverk bør vi få frekvensrespons som ligner på det vi viste for en-trinns forsterkere. I en-trinns forsterkere er kapasitiv belastning koblet til utgangsnoden, hvilken dominerende pol skjer der, og økning av verdien forbedrer PM. Så det fungerer som en kompensasjonskondensator (nettverk). For å kompensere flertrinns forsterkere, brukes vanligvis kompensasjonskondensator for å flytte dominerende pol til lavere frekvens for å oppnå nok PM.

Blokkdiagram over fullt differensielle og en-endede totrinns forsterkere

Den følgende figuren viser blokkdiagrammet til en totrinns forsterker i full differensial- og enkeltslutningsmodus. I en totrinns forsterker kan inngangstrinnet være en teleskopisk eller FC-forsterker. For den andre fasen er felles kildeforsterker med aktiv belastning et vanlig valg. Siden utgangsmotstanden i det første trinnet er mye større enn det andre trinnet, er dominerende pol ved utgangen til det første trinnet.

Uten kompensasjon er forsterkeren ustabil, eller har i det minste ikke nok PM. Lastekapasitansen er koblet til utgangen fra det andre trinnet, hvilken ikke-dominerende pol skjer der. Derfor, i motsetning til en-trinns forsterkere, øker kapasitiv belastning den ikke-dominerende polen til lavere frekvens og forringes PM. Mesri et al. foreslo to-trinns forsterkere som oppfører seg som en-trinns forsterkere, og forsterkere forblir stabile for større verdier av kapasitive belastninger. For å oppnå riktig oppførsel må vi kompensere to-trinns eller fler-trinns forsterkere. Den enkleste måten for kompensasjon av totrinns forsterker, som vist i diagrammet til venstre i figuren nedenfor, er å koble kompensasjonskondensatoren ved utgangen til det første trinnet, og flytte dominerende pol til lavere frekvenser. Men realisering av kondensator på silisiumbrikke krever betydelig areal. Den vanligste kompensasjonsmetoden i totrinnsforsterkere er Miller-kompensasjon (midtblokkdiagram i figuren nedenfor. I denne metoden plasseres en kompensasjonskondensator mellom inngangs- og utgangsnode i det andre trinnet. I dette tilfellet vises kompensasjonskondensatoren ganger større ved utgangen fra det første trinnet, og skyver den dominerende polen så vel som enhetsforsterkningsfrekvensen til lavere frekvenser. På grunn av polspaltende effekt flytter den også den ikke-dominerende polen til høyere frekvenser. Derfor er det en god kandidat til å gjøre forsterkeren stabil.Hovedfordelen med Miller-kompensasjonsmetoden er å redusere størrelsen på den nødvendige kompensasjonskondensatoren med en faktor Problemet som tas opp fra Miller-kompensasjonskondensatoren er å innføre høyre-halvplan (RHP) null, noe som reduserer PM. Forhåpentligvis har forskjellige metoder foreslått å løse dette problemet. Som et eksempel, for å avbryte effekten av RHP -null, kan nullmotstand brukes i serie med kompensasjonskondensator (høyre b låsediagram over figuren nedenfor). Basert på motstandsverdien kan vi skyve RHP null til høyere frekvens (for å avbryte effekten på PM), eller flytte den LHP (for å forbedre PM), eller til og med fjerne den første ikke-dominerende polen for å forbedre båndbredde og PM. Denne kompensasjonsmetoden brukes nylig i forsterkerdesign for potensiostatkrets. På grunn av prosessvariasjon kan motstandsverdien endres mer enn 10%, og påvirker derfor stabiliteten. Å bruke gjeldende buffer eller spenningsbuffer i serie med kompensasjonskondensator er et annet alternativ for å få bedre resultater.

Kompensasjonsteknikker for totrinnsforsterkere

Se også

Referanser

  1. ^ a b Razavi, Behzad (2013). Fundamentals of Microelectronics (2. utg.). John Wiley & Sons. ISBN 9781118156322. Hentet 13. juni 2018 .
  2. ^ a b c d e f g Sansen, Willy (2006). Analog Design Essentials . Springer. ISBN 978-0-387-25747-1. Hentet 13. juni 2018 .
  3. ^ a b c d e f g h i j Razavi, Behzad (2001). Design av analoge CMOS integrerte kretser (1. utg.). McGraw-Hill Education. ISBN 978-0070529038.
  4. ^ "Her var hvor vanskelig det var å flytte en 5 MB IBM -harddisk i 1956 (Merk: Obligatorisk nødvendig)" . sirkelen . 2016-12-12 . Hentet 13. juni 2018 .
  5. ^ "De beste USB -flash -stasjonene i 2018" . techradar . Hentet 13. juni 2018 .
  6. ^ a b c Mesri, Alireza; Mahdipour Pirbazari, Mahmoud; Hadidi, Khayrollah; Khoei, Abdollah (2015). "To-trinns forsterker med høy forsterkning med positiv kapasitiv tilbakemeldingskompensasjon" . IET -kretser, enheter og systemer . 9 (3): 181–190. arXiv : 1411.3506 . doi : 10.1049/iet-cds.2014.0139 . S2CID  1864848 . Hentet 13. juni 2018 .
  7. ^ a b Mesri, Alireza; Mahdipour Pirbazari, Mahmoud; Javidan, Javad (2015). "Analyse og design av en to-trinns forsterker med forbedret ytelse". Microelectronics Journal . 46 (12 – A): 1304–1312. doi : 10.1016/j.mejo.2015.10.002 .
  8. ^ a b c Leung, Ka Nang; KT Mok, Philip (2001). "Analyse av flertrinns forsterker - frekvenskompensasjon". IEEE -transaksjoner på kretser og systemer I: Fundamental Theory and Applications . 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). "En differensiell elektrokjemisk avlesning ASIC med heterogen integrering av bio-nanosensorer for amperometrisk sensing" (PDF) . IEEE -transaksjoner på biomedisinske kretser og systemer . 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). "En glukosebiosensor ved bruk av CMOS Potentiostat og vertikalt justerte karbon -nanofibre". IEEE -transaksjoner på biomedisinske kretser og systemer . 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, Mohammed; Accarino, Claudio; Busche, Christoph; P. Grant, James; RS Cumming, David (2018). "En 16 × 16 CMOS amperometrisk mikroelektrodeoppstilling for samtidige elektrokjemiske målinger" (PDF) . IEEE -transaksjoner på kretser og systemer I: Vanlige papirer . PP (99): 2821–2831. doi : 10.1109/TCSI.2018.2794502 . S2CID  3626625 .
  12. ^ Mazhab Jafari, Hamed; Genov, Roman (2013). "Hakkerstabiliserte toveis strømoppkjøpskretser for elektrokjemiske amperometriske biosensorer". IEEE -transaksjoner på kretser og systemer I: Vanlige papirer . 60 (5): 1149–1157. doi : 10.1109/TCSI.2013.2248771 . S2CID  272483 .
  13. ^ S. Assaad, Rida; Silva-Martinez, Jose (2009). "The Recycling Folded Cascode: En generell forbedring av den foldede Cascode -forsterkeren". IEEE Journal of Solid-State Circuits . 44 (9): 2535–2542. Bibcode : 2009IJSSC..44.2535A . doi : 10.1109/JSSC.2009.2024819 . S2CID  43995423 .
  14. ^ Nasri, Bayan; Wu, Ting; Alharbi, Abdullah; Du, Kae-Dyi; Gupta, Mayank; P Sebastian, Sunit; Kiani, Roozbeh; Shahrjerdi, Davood (2017). "Hybrid CMOS-grafensensorarray for deteksjon av dopaminoppdagelse" . IEEE -transaksjoner på biomedisinske kretser og systemer . 11 (6): 1192–1203. doi : 10.1109/TBCAS.2017.2778048 . PMC  5936076 . PMID  29293417 .
  15. ^ Grasso, Alfio Dario; Palumbo, Gaetano; Salvatore, Pennisi (2015). "Høytytende firetrinns CMOS OTA egnet for store kapasitive belastninger". IEEE -transaksjoner på kretser og systemer I: Vanlige papirer . 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, Ramón (2016). "0,7-V tre-trinns klasse-AB CMOS operasjonell transkonduktansforsterker". IEEE -transaksjoner på kretser og systemer I: Vanlige papirer . 63 (11): 1807–1815. doi : 10.1109/TCSI.2016.2597440 . S2CID  3049557 .
  17. ^ Grasso, AD; Palumbo, G .; Pennisi, S. (2018). "Dual push-pull høyhastighets skinne-til-skinne CMOS-bufferforsterker for flatskjerm". IEEE -transaksjoner på kretser og systemer II: Express Briefs . 65 (12): 1879–1883. doi : 10.1109/TCSII.2018.2817261 . S2CID  53733509 .