طراحي و شبيه سازي يك تقويت كننده ابزاردقيق حالت جرياني برمبناي ناقل هاي جريان تمام تفاضلي نسل دوم

كارشناسي ارشد

چكيده موضوع اين پژوهش طراحي تقويت¬كننده ابزار دقيق حالت جرياني (CMIA) مي¬باشد. به منظور رفع نياز به بلوك¬هاي همجور و ايجاد قابليت دريافت هر دو نوع سيگنال¬هاي ورودي ولتاژي و جرياني، طراحي پيش¬رو بر پايه ناقل جريان تمام تفاضلي نسل دوم (FDCCII) انجام يافته است. طراحي FDCCII نيز به منظور استفاده از آن به عنوان (CMIA)بانسبت رد حالت مشترك (CMRR) بهبود يافته بر پايه حلقه تراخطي و آينه ¬جريان¬هاي ستوني نوسان¬بلند انجام گرفته است. اين مدار با استفاده از تكنولوژي ترانزيستورهاي MOSFET طراحي شده و جانمايي مدار توسط نرم‌افزار CADENCE و با رعايت قوانين جانمايي ترسيم شده است. بررسي عملكرد مدار CMIA طراحي شده قبل از جانمايي توسط هر دو نرم‌افزار HSPICE و CADENCE (با دو طراحي متفاوت)، و بعد از جانمايي توسط نرم¬افزار CADENCE و با استفاده از فايل كتابخانه¬اي تكنولوژي 0.18 µm شركت TSMS انجام شده است. لازم به يادآوري است كه در تمامي سطوح شبيه¬سازي و در هر دو نرم¬افزار، تحليل مونت¬كارلو انجام گرفته است. اضافه مي¬نماييم كه در شرايطي كه ساخت مدارهاي مجتمع به هرعلت مقدور نيست، عامه جهانيان تركيب پساجانمايي با مونت¬كارلو را بعنوان نزديكترين و شبيه¬ترين جايگزين ساخت قبول دارند. علاوه بر طراحي FDCCII براي كاربرد CMIA ، كارهاي مرتبط ديگري از جمله استفاده از بلوك تفريق¬كننده جريان در خروجي FDCCII و همچنين افزودن مدار پس¬خور حالت مشترك (CMFB) به مدار CMIA براي بهبود مقدار و پهناي¬باند CMRR تقويت¬كننده طراحي شده، انجام پذيرفته است. شبيه¬سازي¬هاي قبل و بعد از جانمايي (بااستخراج RC )CMIA در نرم¬افزار CADENCE HSPICE) ( و در بارمقاومتيRL=1KΩ (RL=1KΩ) و (RX=1.4KΩ) RX=1.42KΩ به ترتيب نتايج زير را حاصل مي¬كنند: توان مصرفي قبل و بعد از جانمايي 522.2 μW, 521.7 μW 348µW) ( در ولتاژهاي تغذيه ±1V (±1V) مي¬باشد. پهناي باند 3dBبهره تفاضلي اين تقويت¬كننده براي ورودي¬هاي ولتاژي قبل و بعد از جانمايي به ترتيب8.35MHz, 8.42MHz (9.08MHz) وبراي ورودي جرياني8.86MHz, 9.02MHz (10.5 MHz) مي¬باشد. مقدار CMRR تقويت¬كننده براي ورودي ولتاژي قبل و بعد ازجانمايي به ترتيب219.9dB, 224.9dB (227.4dB) وبراي ورودي هاي جرياني نيز 99.5dB, 104dB (186dB) با پهناي باند3dB به ترتيب برابر با7.2KHz , 6.95KHz (8.98 KHz) براي تقويت¬كننده ولتاژ و0.92KHz, 0.94KHz (38KHz) براي تقويت¬كننده جريان مي¬باشد. مقادير PSRR+ براي تقويت¬كننده قبل و بعد از جانمايي به ترتيب 108.8dB,110dB (101.6dB) و PSRR- نيز به ترتيب 92.25dB, 92.70dB (84dB) مي¬باشد. همچنين نتايج مونت كارلو براي پهناي باند 3dBبهره تفاضلي اين تقويت¬كننده براي ورودي¬هاي ولتاژي قبل و بعد از جانمايي به ترتيب8.37MHz, 8.25MHz وبراي ورودي جرياني8.62MHz, 8.91MHz مي¬باشد و نتايج مونت كارلو براي مقدار CMRR تقويت¬كننده براي ورودي ولتاژي قبل وبعدازجانمايي به ترتيب213dB, 219.4dB (228.68 dB) وبراي ورودي هاي جرياني نيز 95.3dB, 98.3dB (186.06dB) با پهناي باند3dB به ترتيب برابر با6.83 KHz , 7.12 KHz (8.68KHz) براي تقويت¬كننده ولتاژ و0.9KHz, 0.95KHz (37.7KHz) براي تقويت¬كننده جريان مي¬باشد. همچنين مقدارامپدانس تفاضلي ورودي جرياني(rx) نيزقبل و بعد از جانمايي به ترتيب113.1Ω, 111.7Ω (160Ω) باپهناي باند3dB برابر با 5.9MHz, 6MHz مي¬باشد. نزديكي خوب مقادير هر پارامتر در شبيه¬سازي¬هاي مختلف از مقاومت زياد CMIA به تغييرات PVT (فرايند، منبع تغذيه و گرما) خبر مي¬دهد. ولتاژآف-ست خروجي نيز برابر با 2.21µv (2.23µv) مي¬باشد. جانمايي در مساحتي به مقدار 63.4 μm *87 μm طراحي شده است. همچنين نتايج تكميلي براي اين تقويت¬كننده در نرم افزار HSPICE بدست آمده¬اند كه ازجمله: محدوده پوياي سيگنال¬هاي تفاضلي ورودي 240 uA- تا240 uA براي ورودي¬هاي جرياني و-180 mV تا 180 mV براي ورودي¬هاي ولتاژي ، THDV (sin-1kHz,1mV)=0.219% براي ورودي ولتاژي و THDI (sin-1kHz-1uA)=0.209% براي ورودي جرياني، SRV+/SRV- = 0.135(V/us) / -0.589 (V/us) براي ورودي ولتاژي وSRI+/SRI- = 32.4(uA/us) / -24.4 (uA/us) براي ورودي جرياني مي¬باشند. شبيه¬سازي براي تقويت¬كننده جريان پهن¬باند در نرم¬افزار HSPICE نتايج زير را مي¬دهد: توان مصرفي369µW در ولتاژهاي تغذيه ±1V و RL=1KΩ و RX=30KΩ مي¬باشد. پهناي باند 3dBبهره مقاومتي تفاضلي اين تقويت¬كننده براي ورودي جرياني 38.4MHz مي¬باشد. مقدار CMRR تقويت¬كننده براي ورودي جرياني 185.2dBبا پهناي باند3dB برابر با139KHz مي¬باشد. مقادير PSRR+ و PSRR- نيز به ترتيب 98dB, 131dB مي¬باشد.

190123

دانشگاه علم و صنعت ايران

الكترونيك

دكتر سيد جواد ازهري