تقویت کننده ی شبه تفاضلی کلاس-AB برمبنای اینورتر CMOS برای کاربردهای HF A CMOS Inverter-Based Class-AB Pseudo Differential Amplifier for HF Applications



1- مقدمه

امروزه، یک مدار آنالوگ با کارکرد خوب _عمدتا بسبب پیشرفت ساختن مدار مجتمع فراوان با سیستم های مداری پیچیده، و نیاز به وسایل قابل حمل با منبع باطری_ بایسته شده است. اگرچه، کاهش منبع ولتاژ در مدارات آنالوگ باعث کاهش عملکرد زیادی می شود، و بنابراین، ترفندهای تازه ای برای طراحی نیاز است تا مدارات آنالوگ با پهنای باند، بهره، و خطی بودن کافی را بدست آورد.

(نیاز به دانلود ترجمه) تقویت کننده ی هدایت عرضی (OTA)، یکی از پایه ای ترین سلول ها _از آنجایی که OTA کاربرد زیادی در بسیاری از مدارات آنالوگ مانند تقویت کننده عملیاتی، مقایسه گرهای ولتاژ، مبدل های A-D و D-A و فیلترهای فرکانس بالا، دارد_ می باشد. روش های زیادی هم با استفاده از پیکربندی کاملن تفاضلی و هم با استفاده از پیکربندی شبه تفاضلی، برای طراحی OTA ولتاژ پایین [1-4] ارایه شده اند. FD بطور معمول، مبنی بر یک جفت تفاضلی با یک منبع جریان tail است، درحالی که PD مبنی بر دو اینورتر مستقل، بدون منبع جریان tail می باشد. می دانیم که افت ولتاژ در منبع جریان tail، دی یک ساختار PD، اجازه ی بازه های جریان ورودی و خروجی بزرگتری را می دهد، و ساختار آن را برای کاربردهای با منبع توان ضعیف جذاب می کند. اگرچه، ساختار PD به یک فیدبک حالت-مشترک اضافی برای دو منظور نیاز دارد: (نیاز به دانلود ترجمه) 1) تا ولتاژ حالت مشترک را در گره های با امپدانس بالا تصحیح کند، و 2) تا مولفه های سیگنال حالت-مشترک را خنثی کند. روش های زیادی برای دستیابی به CMFB پیشنهاد شدند[1-10]. مدار خازن متغیر، به منظور ساخت یک CMFB [1] ارایه شد، و مدار نتیجه شده دارای مصرف توان کمی می باشد. اگرچه، مدار CMFB، در طی خطا و ظرفیت خازنی بار، تغذیه-ساعت را معرفی می کند _ که از مقسم مقاومتی ساده برای حس ولتاژ دو گره ی مختلف استفاده کرده است_. در نتیجه نوسان ولتاژ CMFB محدود نشده است. اگرچه،این مقاومتها نه تنها نیاز به سطح سیلیکونی بزرگی داشته، بلکه امپدانس های خروجی را نیز تغذیه می کنند. [4] از شبکه ی مقاومتی MOS با روش CMFB تحریک حجمی، استفاده کرده است. اگرچه، مدار خروجی امپدانس کاملن ضعیفی با بهره ی مشترک بالا دارد. برای حل مساله، روش هایی که از ترانزیستورهای MOS استفاده می کنند _همانند مدار CMFB_ ارایه شده اند [5-6]. CMFB متشکل از آشکارساز CM و تقویت کننده تک حالته می باشد. در نتیجه، به ره های حالت مشترک بسیار بالا بوده، و به علاوه نوسانات خروجی محدود می باشند. [7 - 8] از ترانزیستورها و تقویت کننده های حالت مشترک دو حالته استفاده می کند. بهره ی حالت مشترک نتیجه شده پایین است. مشکل این ساختار این است که مدار دارای نوسان خروجی محدود و مسایل نوسانی حادی می باشد. [9 و 10] CMFB مکمل را، که می تواند هر دو بهره ی حالت مشترک پایین را با نوسانات خروجی خوب ارایه دهد، ارایه داده است. اگرچه، مدارات پیچیده و دارای مصرف توان بالایی هستند. [11 و12] روش فیدبک مثبت را برای افزایش بهره ی تفاضلی پیشنهاد کرده اند. اگرچه، مدار دارای گین حالت مشترک بسیار بالایی است (Acm= -6 dB)

(نیاز به دانلود ترجمه) در این مقاله، یک تقویت کننده ی شبه تفاضلی (PDA) کلاس-AB بر مبنای اینورتر CMOS، با استفاده از یک فیدبک حالت-مشترک جدید ارایه شده است. CMFB از یک آینه جریان (CM) و تقویت کننده ی امپدانس عرضی تشکیل شده است (TA) . بهره ی حالت مشترک به نظر می رسد که پایین باشد (-15 dB). فیدبک مثبت هم برای افزایش بهره ی حالت تفاضلی بکار رفته است. نوسان خروجی مدار 0.7 v است.

2- تقویت کننده ی شبه-تفاضلی ارایه شده

الف. (نیاز به دانلود ترجمه) OTA کلاس-AB قاراردادی

(نیاز به دانلود ترجمه) یک OTA کلاس AB قراردادی دی شکل 1 (a) نشان داده شده است. همان طور که پیداست، مدار بر مبنای اینورتر CMOS می باشد. روشن است که اینورتر CMOS دارای بهره ی بالا و مصرف توان کمتری است. همچنین، دارای هیچ گره ی داخلی نبوده، و ازین رو، دیگر عملکرد مدار با قطب های پارازیتی اضافی در فرکانس های بالا کاهش نمی یابد.

(نیاز به دانلود ترجمه) ساختار PD با استفاده از اینورتر CMOS در شکل 1 (b) نشان داده شده است. به خوبی پیداست که بهره ی حالت-تفاضلی (Adm) همانند بهره ی حالت مشترک (Acm) می باشد، که منجر به نسبت عدم پذیرش حالت مشترک برابر 1 می شود (CMRR= Adm/Acm). از انجا که Acm بزرگ می تواند منجر به تفاوت حالت مشترک بزرگ در خروجی شود [13]، بنابراین مدار فیدبک حالت مشترک (CMFB) مورد نیاز می باشد.

شکل 1. (نیاز به دانلود ترجمه) (a) OTA تک-پایانه اینورتری (b) OTA شبه-تفاضلی

ب. (نیاز به دانلود ترجمه) ساختار PDA ساخته شده

(نیاز به دانلود ترجمه) PDA ارایه شده بر مبنای پیکربندی نشان داده شده در شکل 2(a) می باشد. همان طور که می بینید، PDA از دو اینورتر CMOS جداگانه و تقویت کننده ی حالت مشترک، که به دو منظور 1) آشکارسازی سیگنال حالت مشترک در گره های خروجی ، و 2) تامین فیدبک مثبت (خط تیره ها) به منظور بالا بردن امپدانس خروجی و بهره ی تفاضلی ، تشکیل شده است.

شکل 2. (نیاز به دانلود ترجمه) PDA ارایه شده (a) ترکیب مدار (b) ساختار CMA

(نیاز به دانلود ترجمه) عملیات به گونه ی زیر می باشد. در مورد سیگنال خروجی حالت مشترک ، CMA ولتاژ V01,2 را تقویت کرده و منفی نتیجه را به ترمینال های حجمی (نیاز به دانلود ترجمه) فیدبک می کند تا ولتاژ خروجی حالت مشترک حذف شود. بطور عکس، CMA به سیگنال حالت تفاضلی پاسخ نمی دهد (V01= -V02)، یعنی خروجی CMA (Vcma) ثابت می ماند. ولتاژ حالت مشترک DC توسط Vc تنظیم می شود. باید توجه شود که بهره ی حالت-مشترک نیز می تواند در صورت فیدبک شدن Vcma به ترمینال های حجمی M1N,2N ، حذف شود. این عمل می تواند در فرآیند triple-well ممکن شود.

(نیاز به دانلود ترجمه) شکل 2(b) ساختار CMA ارایه شده را نشان می دهد. همان گونه که می بینید، CMA از دو مقاومت تطبیق یافته (R)، دو آینه جریان و تقویت کننده ی امپدانس عرضی (TA) تشکیل شده است. عملکرد CMA را می تواند به گونه ی زیر تشریح کرد. از آنجایی که ولتاژهای خروجی PDA سیگنال های تفاضلی هستند (سیگنال های توپر را ببینید)، این ولتاژها در طی مقاومت هایR به جریان تبدیل می شوند. این جریان ها که دارای دامنه ی یکسان ولی فازهای نابرابر هستند، در هر مقاومت جاری شده و به ترمینال های OUT2A و OUT2B آینه می شوند (با بهره ی جریان β). به سبب اینکه این جریان ها دارای دامنه های برابر ولی فازهای مخالف هستند، هیچ جریانی از ورودی تقویت کننده ی امپدانس عرضی(TA) عبور نخواهد کرد، و بنابراین اختلافتانسیلی در گره ی C وجود نخواهد داشت. همچنین، جریان های مقاومت های R به ترمینال های OUT1A و OUT1B آینه شده (با بهره ی جریان α)، با خلانت مثبت به خروجی PDA فیدبک می شوند، و ازین رو امپدانس خروجی و بهره ی تفاضلی سیستم را افزایش می دهند.

(نیاز به دانلود ترجمه) از آنجا که خروجی های PDA، سیگنال های حالت مشترک هستند (خط های نقطه چین را ببینید)، جریان حالت مشترک از گره های A و B با دامنه و فاز برابر عبور می کند. در نتیجه، جمع این دو جریان، جمع جبری بوده و از تقویت کننده ی امپدانس عرضی(TA) می گذرند. ولتاژ خروجی Vcma تقویت شده با علامت منفی به ترمینال های حجمی M1P,2P فیدبک می شوند تا همان طور که پیش ازین مطرح شد، ولتاژ حالت مشترک را حذف کنند.

با یک تحلیل آسان و کوچک می توان Acm و Adm را به گونه ی زیر بدست آورد

که در آن (نیاز به دانلود ترجمه) هدایت عرضی اینورتر CMOS ، (نیاز به دانلود ترجمه) امپدانس خروجی PDA ، α و β بهره های جریان آینه جریان (CM)، و (نیاز به دانلود ترجمه) بهره ی امپدانس عرضی تقویت کننده ی امپدانس-عرضی(TA) می باشد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

از معادله ی 3، می توان دریافت که اگر بهره ی امپدانس عرضی(RF) بزرگ باشد، CMRR افزایش می یابد. به علاوه، بهره های جریان α و β مربوط به آینه های جریان A و B نقش مهمی در تعیین CMRR دارند.

شکل 3. تقویت کننده ی شبه تفاضلی کلاس-AB ارایه شده

ج. (نیاز به دانلود ترجمه) پیاده سازی مدار

(نیاز به دانلود ترجمه) پیاده سازی مدار شکل 2 در شکل 3 آورده شده است. (نیاز به دانلود ترجمه) تقویت کننده شبه-دیفرانسیلی ورودی بوده، در حالی که مدار CMFB با نوسان عریض می باشد. (نیاز به دانلود ترجمه) آینه جریان A را تشکیل داده، در حالی که M6N,P-M8N,P برای تشکیل آینه جریان B استفاده شده است. بهره ی جریران با نسبت های α و β را می توان بترتیب با تنظیم نسبت ابعاد (نیاز به دانلود ترجمه) (نیاز به دانلود ترجمه) و (نیاز به دانلود ترجمه) بدست آورد.

(نیاز به دانلود ترجمه) باید توجه شود که انتخاب α نیاز به دقت زیادی دارد. مقادیر بزرگ α می تواند منجر به بهره ی تفاضلی بزرگ شود. مقادیر بزرگ α همچنین می تواند باعث تحریک ناپایدار مدار شود. در عمل، α باید کمی بزرگتر از یک باشد، تا تلفات مبنی بر نقص آینه جریان _که قادر نیست بطور کامل جریان ورودی را به خروجی آینه کند_ را هم جبران کند. در این مقاله، α به 1.3 تنظیم شده است تا بهره تفاضلی و هم پایداری تفاضلی را تامین کند. مقدار β در تعیین بهره حالت مشترک تاثیر دارد، زیرا بخشی از مدار CMFB می باشد. همان طور که در معادله 2 می بینید، مقادیر زیاد β موجب بهره ی حالت مشترک کم می شود. اگرچه باید در نظر داشت که مقادیر زیاد β نیاز به ترانزیستورهای بزرگ، و بنابراین جریان آماده به کار زیاد و خازنهای پارازیتگیر بزرگ نیاز دارد، که می توانند عملکرد فرکانس سیستم را کاهش دهند. در اینجا β 3 در نظر گرفته شده است.

(نیاز به دانلود ترجمه) ترانزیستورهای (نیاز به دانلود ترجمه) و (نیاز به دانلود ترجمه) تقویت کننده ی امپدانس عرضی را تشکیل می دهند. بهره امپدانس عرضی مدار توسط مقاومت (نیاز به دانلود ترجمه) تنظیم می شود. تقویت کننده امپدانس عرضی در اینجا به منظور افزایش بهره تقویت کننده حالت مشترک (CMA) ،و در عین حال به منظور کاهش امپدانس های ورودی و خروجی (در گره های C و D) _بطوری که ثابت زمانی مربوط به این گره ها پایین باشد_ بکار رفته است.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.