فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:63
فهرست مطالب:
چکیده............................................................................................................................................. 1
مقدمه................................................................................................................................................3
فصل1.اصول آپ امپ های تمام تفاضلی ایده آل............................................................................4
1-1 :تعاریف سیگنالهای ورودی خروجی وپارامترهای بهره...........................................................4
1-2 :اصول مربوط به آپ امپ های تمام تفاضلی واقعی.................................................................5
1-3 :توصیف کلی مدار CMFB....................................................................................................7
1-4 :نکات مربوط به طراحی مدار CMFB...................................................................................9
1-5 :تقسیم بندی مدارهای CMFB ...........................................................................................10
فصل 2.لزوم استفاده از مدارهایCMFB ...................................................................................11
2-1 :مقدمه....................................................................................................................................11
2-2 :مدار CMFB با سنجش مقاومتی.........................................................................................14
2-2-1 :ایراد مدار CMFB با سنجش مقاومتی............................................................................14
2-3 :سنجش و کنترل سطح CM خروجی...................................................................................16
2-4 :استفاده از ترانزیستورهای تریودعمیق برای سنجش مد مشترک............................................17
2-4-1 :مشکلات استفاده از ترانزیستورهای تریود عمیق..............................................................19
2-4-2 :اصلاح مدار برای از بین بردن محدودیت سوئینگ...........................................................20
2-4-3 :اصلاح مدار برای از کاهش حساسیت نسبت به پارامترهای مدار.....................................20
2-4-4 :اصلاح مدار برای از بین بردن خطای مدولاسیون طول کانال...........................................22
فصل3 :مدارهای CMFBتقویت کننده تفاوت تفاضلی(DDA).................................................23
3-1 :معرفی مدار DDA CMFB...............................................................................................23
3-2 :ویژگی های مدار DDA......................................................................................................25
3-3:معرفی شیوه جدید پیاده سازی DDA..................................................................................27
فصل 4 :مدارهای CMFB سوئیچ خازنی.....................................................................................29
4-1 :معرفی مدارCMFB سوئیچ خازنی وویژگیهای آن..............................................................29
4-2:معرفی یک نوع مدار سوئیچ خازنی........................................................................................30
4-3 :مدار CMFB گیت شناور....................................................................................................32
فصل 5 : کاربرد مدار CMFBدر مدارهای سوئیچ آپ امپ.........................................................34
5-1 :مقدمه....................................................................................................................................34
5-2 :بررسی یک انتگرالگیر سوئیچ خازنی....................................................................................34
5-3 :مشکلات آپ امپ در ولتاژ پایین..........................................................................................35
5-4:بررسی سوئیچها......................................................................................................................36
5-5 :مشکل سوئیچ در ولتاژ پایین.................................................................................................37
5-6 :راه حل های ممکن برای پیاده سازی مدارهای SC با ولتاژ تغذیه پایین..............................38
5-7 :تکنیک سوئیچ آپ امپ........................................................................................................39
5-7-1 :معرفی اولین مدار سوئیچ آپ امپ پیشنهادی..................................................................39
5-7-1-1 :بررسی یک فیلترLow-Q biquad...........................................................................40
5-8 :مدارهای جدید سوئیچ آپ امپ...........................................................................................42
5-8-1 :آپ امپ قابل سوئیچ تمام تفاضلی...................................................................................42
5-8-1-1 :کاربرد مدار CMFB درمدار SO..............................................................................43
5-8-1-2 :بررسی مدار CMFB پیشنهادی برای SO تفاضلی...................................................44
5-8-2 :آپ امپ قابل سوئیچ کلاس AB.....................................................................................45
5-8-2-1:مدار CMFB به کاررفته در آپ امپ قابل سوئیچ کلاس AB...................................45
5-8-3 : آپ امپ قابل سوئیچ تفاضلی بر اساس توپولوژی میلر .................................................46
5-8-3-1 : ویژگی های این آپ امپ قابل سوئچ.........................................................................46
5-8-3-2: مدار CMFB پیشنهادی برای این آپ امپ قابل سوئیچ.............................................47
5-8-4 :آپ امپ قابل سوئیچ با مدار CMFB پیشرفته................................................................47
5-8-4-1 : مدار CMFB پیشنهادی برای مدار SO....................................................................49
5-8-5 : نمونه ای دیگر آپ امپ قابل سوئیچ تمام تفاضلی ........................................................50
5-8-5-1 : بررسی مدارهای CMFB مربوط به این آپ امپ.....................................................51
فصل 6 : مدار CMFB پیوسته زمانی برای مدارهای سوئیچ آپ امپ ولتاژ پایین......................54
6-1 :مقدمه....................................................................................................................................54
6-2 : ویژگی های مدار CMFB سوئیچ خازنی..........................................................................54
6-3 :معرفی مدار CMFB زمان پیوسته جدید.............................................................................56
6-4 :استراتژی پیشنهادی...............................................................................................................57
6-5 :اندازه گیری ولتاژ خروجی....................................................................................................58
6-6 :تولید سیگنال خطای تقویت شده..........................................................................................59
6-7 :تزریق شارژ به گره های خروجی..........................................................................................61
فهرست مراجع...............................................................................................................................63
فهرست اشکال:
1-1 تعاریف سیگنالهای ورودی/خروجی برای آپ امپ تمام تفاضلی.......................................... 5 1-2 روابط سیگنال ورودی/خروجی برای آپ امپ تمام تفاضلی بدون CMFB..........................5
1-3 روابط سیگنال ورودی/خروجی برای آپ امپ تمام تفاضلی با CMFB................................7
1-4 بلوک دیاگرام کلی مدار CMFB ...........................................................................................8
1-5 آپ امپ آیینه جریان به همراه مدار CMFB..........................................................................9
2-1 (الف) زوج دیفرانسیل ساده...................................................................................................11
2-1 (ب) همان مدار با ورودی های متصل شده به خروجی........................................................11
2-2 (الف)زوج دیفرانسیل بهره بالا با ورودی های متصل به خروجی.........................................12
2-2 (ب) اثر عدم تطابق جریانها...................................................................................................12
2-3 مدل ساده شده تقویت کننده بهره بالا....................................................................................13
2-4 توپولوژی مفهومی فیدبک مد مشترک....................................................................................13
2-5 فیدبک مد مشترک با سنجش مقاومتی....................................................................................14
2-6 فیدبک مد مشترک با استفاده از سورس فالوئر.......................................................................15
2-7 کمبود جریان سورس فالوئرها در سوئینگ های بزرگ..........................................................15
2-8 سنجش و کنترل سطح CM خروجی...................................................................................16
2-9 روش دیگر برای کنترل سطح CM خروجی........................................................................17
2-10 سنجش مد مشترک خروجی با استفاده از MOSFET های تریود عمیق..........................17
2-11 CMFB با استفاده ازافزاره های تریودی............................................................................18
2-12 روش دیگر برای کنترل سطح CM خروجی.....................................................................20
2-13 اصلاح CMFB برای تعریف دقیق سطح CM خروجی...................................................21
2-14 اصلاح مدار برای رفع خطای ناشی از مدولاسین طول کانال...............................................22
3-1 پیاده سازی یک مدار DDA CMFB.................................................................................23
3-2 تقویت کننده تفاضلی Low-noise.....................................................................................26
3-3 یک مدار DDA CMFB متناوب.......................................................................................28
4-1یک مدار CMFB سوئیچ خازنی...........................................................................................30
4-2 آپ امپ تمام تفاضلی فیدبک دار به همراهSC CMFB......................................................30
4-3 پیاده سازی یک مدار SC CMFB......................................................................................31
4-4 مدار CMFB گیت شناور.....................................................................................................33
5-1 مدار SC به کاررفته در یک انتگرالگیر..................................................................................35
5-2 سوئیچ های NMOS,PMOS ...........................................................................................36
5-3 هدایت یک سوئیچ CMOS معمولی با Vdd=1v............................................................37
5-4 آپ امپ دو طبقه ساده...........................................................................................................37
5-5 اولین مدار سوئیچ آپ امپ پیشنهادی....................................................................................40
5-6 فیلتر Low-Q Biquad پیاده سازی شده بامدار SC .........................................................41
5-7 فیلتر Low-Q Biquad که از مدارSO استفاده شده..........................................................41
5-8 نحوه کار مدار SO ...............................................................................................................42
5-9 نمونه ای از آپ امپ قابل سوئیچ تمام تفاضلی.....................................................................43
5-10 مدار CMFB پیشنهادی برای مدار شکل(5-9 )................................................................44
5-11 آپ امپ قابل سوئیچ کلاس AB ......................................................................................45
5-12 آپ امپ قابل سوئیچ تفاضلی بر مبنای میلر.........................................................................46
5-13 مدار CMFB برای آپ امپ شکل(5-12).........................................................................47
5-14 آپ امپ قابل سوئیچ با مدارCMFB پیشرفته....................................................................48
5-15 مدار CMFB برای SO پیشنهادی جدید..........................................................................49
5-16 مدار CMFB وقتی آپ امپ سوئیچ شونده خاموش است................................................49
5-17 مدار CMFB وقتی آپ امپ سوئیچ شونده روشن است...................................................50
5-18 نمونه دیگی از آپ امپ قابل سوئیچ تفاضلی.......................................................................51
5-19 روش متناوب برای اعمال CMFB به طبقه اول................................................................52
5-20 مدار CMFB پسیو............................................................................................................53
5-21 مدار CMFB داینامیک......................................................................................................53
6-1 یک مدار SC CMFB جدید..............................................................................................55
6-2 پیاده سازی یک سوئیچ آپ امپ ولتاژ پایین.........................................................................56
6-3 (a) طبقه خروجی یک آپ امپ معمول................................................................................57
6-3 (b ) نمایش بلوک دیاگرام CMFB پیشنهادی.....................................................................57
6-4 (a ) استفاده از یک NMOS به عنوان حسگر ولتاژ.............................................................58
6-4 ((b نمونه بهبود یافته با استفاده از NMOS,PMOS.........................................................58
6-5 THD مربوط به سیگنال خروجی بر حسب VDBB.........................................................59
6-6 ((a تقویت کننده Low-voltage........................................................................................60
6-6 (( b تقویت کننده اصلاح شده..............................................................................................60
6-7 شکل کلی مدار CMFB پیشنهادی......................................................................................62
چکیده:
با توجه به اینکه آپ امپ یکی از اصلی ترین و پرکاربردترین عناصر در مدارهای آنالوگ به شمار می رود و در نظر گرفتن مزایای تقویت کننده تمام تفاضلی, استفاده از آپ امپ های تمام تفاضلی در تمام مدارهای آنالوگ بسار رایج است.
از طرفی برای تثبیت سطح مد مشترک خروجی ها , وجود مدار اضافه ای به نام مدار فیدبک مد مشترک(CMFB) ضروری است.
در این پژوهش, به بررسی لزوم استفاده از مدار CMFB و معرفی انواع مدارهای CMFB , بررسی نحوه عملکرد و بیان معایب و مزایای هر یک پرداخته شده است.
در آخر, مقاله ای که شیوه جدیدی برای پیاده سازی مدار CMFB ولتاژ پایین پیوسته زمانی بیان می کند , معرفی شده است.
مقدمه:
با پیشرفت تکنولوژی های فرآیند CMOS در حوزه UDSM و بالا رفتن عمومیت سیستم های الکترونیکی قابل حمل با توان پایین , نیاز به طراحی مدارهای آنالوگ ولتاژ پایین بیشتر شده است.
به علاوه سعی برای کاهش هزینه های سیستم باعث یکی شدن مدار های آنالوگ و دیجیتال روی یک بستر واحد شده که هر دوی این تغییرات اثار مضری در عملکرد مدارهای آنالوگ دارد. با کاهش ولتاژ تغذیه , کاهش هم در حداکثر SNR و هم در داینامیک رنج مدار آنالوگ خواهیم داشت.
یکی شدن بستر مدارهای آنالوگ و دیجیتال باعث کاهش بیشتر عملکرد مدار آنالوگ خواهد شد که به دلیل تزریق نویز از طریق یک منبع تغذیه و یا یک شبکه توزیع توان مشترک و کوپلاژ خازنی بین هادیها است.
روش های طراحی جدید آنالوگ طوری برنامه ریزی شدند که کارایی بالایی در پردازش سیگنال آنالوگ در دنیای امروزی داشته باشد.
پردازش سیگنال آنالوگ به صورت تمام تفاضلی روشی است که بسیار گسترده شده , زیرا هم مشکلات مربوط به سوئینگ سیگنال و هم کوپلاژ نویز را کاهش می دهد. استفاده از یک روش طراحی تفاضلی به طور موثری حداکثر سوئینگ سیگنال در مدار را 2 برابر می کند, برای مثال اگر گردش سیگنال در یک مدار آنالوگ محدود به 1v+/- باشد ,یک سیگنال تک سر دارای رنج2vp-p خواهد بود در حالیکه یک سیگنال تفاضلی می تواند 4vp-p تغییرات اشته باشد. همچنین تمام منابع نویز خارجی که به طور مشابه روی هر دو مسیر سیگنال یک سیستم تفاضلی متعادل اثر می گذارند , با یک تقریب مرتبه اول حذف خواهند شد.
این امر ناشی از این حقیقت است که در یک سیستم تفاضلی ,سیگنال مورد نظر, تفاضل بین سیگنال های دو مسیر سیگنال است.بنابر این هر نویز مشترک دردو مسیر از هم کم خواهند شد. به دلیل مشابه , کل اعوجاج هارمونیک THD)) مدار که به دلیل المان های غیر خطی است ,نیز کاهش می یابد.هر مولفه اعوجاجی در یک فرکانس که هارمونیک زوج فرکانس سیگنال اصلی باشد , از سیگنال تفاضلی کم خواهد شد زیرا در هر دو مسیر سیگنال مشترک است.
آپ امپ که رایج ترین بلوک سازنده مدار های آنالوگ است, باید طوری تنظیم شود که در شرایط ولتاژ پایین و پر نویز امروزی به خوبی عمل کند.با توجه به تمام مزایای گفته شده در رابطه با ساختارهای تفاضلی , و اینکه علاوه بر داشتن سوئینگ بالا, قطب آیینه ای ندارد و در نتیجه سرعت حلقه بسته بالاتری خواهد داشت ,اصول طراحی تمام تفاضلی برای آپ امپ به کار گرفته می شود.
وقتی آپ امپ تمام تفاضلی به صورت فیدبک دار استفاده می شود , بهره تفاضلی بالای تقویت کننده تمام تفاضلی, سیگنال های مد تفاضلی را در تقویت کننده پایدار می سازد, اما بهره مد مشترک خروجی مربوط به حلقه فیدبک خارجی کوچک است و روی سیگنال های مد مشترک اثری ندارد. پس ولتاژ مد مشترک در مدارهای تمام تفاضلی به دقت تعریف نشده و بدون کنترل صحیح , ولتاژ مد مشترک VCM در اثر تغییرات ولتا ژ تغذیه, تغییرات فرآیند , آفست و غیره تمایل به رانش به طرف خطوط تغذیه دارد. به این دلیل نیاز است مدار اضافه ای به نام مدار فیدبک مد مشترک یا مدار CMFB , به تقویت کننده اضافه شود تا بهره حلقه مد مشترک تقویت کننده را بالا ببرد و سیگنال های مد مشترک را روی یک مقدارمعینی تثبیت کند.
در بیشتر کاربردها, فرکانس بهره واحد و slew rate مربوط به حلقه CMFBباید قابل مقایسه با پارامترهای مربوط به حلقه تفاضلی باشد تا از اعوجاج سیگنال خروجی که به دلیل نشست آرام ولتاژ CM خروجی است, جلوگیری کند.
تعداد قطب های پارازیتی در حلقه CMFB باید به حداقل برسد , همچنین بهره حلقه CMFB باید به طور موثری بزرگ باشد تا ولتاژ CM را با دقت مورد نظر, ثابت نگه دارد.در عمل , حلقه CMFB نباید به حلقه تفاضلی بار قابل توجهی اضافه کند. برای داشتن پایداری خوب , حلقه CMFB باید با تضمین حاشیه فاز خوب وپاسخ پله با زمان نشست سزیع , جبرانسازی شود.
حداقل کردن تعداد گره ها در مسیر CM , جبرانسازی را بدون محدود کردن سرعت ساده می کند.
فصل 1 :اصول آپ امپ های تمام تفاضلی ایده آل:
1-1: تعاریف سیگنالهای ورودی و خروجی وپارامترهای بهره:
تعاریف سیگنالهای ورودی و خروجی در یک آپ امپ در شکل* نشان داده شده است.
یک آپ امپ تفاضلی دارای 2 سیگنال ورودی Vi1,Vi2 و 2 سیگنال خروجی Vo1,Vo2است. گرچه سیگنال های ورودی و خروجی مورد نظر در این سیستم, به ترتیب تفاضل 2 ترمینال ورودی و 2 ترمینال خروجی است. تفاضل بین این سیگنالها, ورودی مد تفاضلی وخروجی مد تفاضلی یا به ترتیب و نامیده می شوند.
اگر یک سیستم متعادل با ورودی های متعادل باشد, سیگنال های ورودی و خروجی می توانند با یک ولتاژ مد مشترک, یا ولتاژ متوسط, و مقایسه شوند. اگر ولتاژ مد مشترک با زمین آنالوگ تنظیم شود,همانطور که در اغلب موارد اینطور است, در این صورت رابطه : V1=(-V2) بر قرار است.
رابطه بین سیگنالهای ورودی و خروجی یک آپ امپ تمام تفاضلی در شکل * نشان داده شده است.
4 پارامتر بهره مورد نظر وجود دارد. بهره , سیگنال خروجی تفاضلی , و سیگنال ورودی تفاضلی را به هم مرتبط می سازد. این مهمترین پارامتر بهره برای یک آپ امپ تفاضلی است و در حالت ایده آل ,∞, است. این پارامتر بهره تفاضلی بالا, همان چیزی است که وقتی آپ امپ در حالت فیدبک منفی استفاده می شود, بین ترمینالهای Vi1,Vi2 اتصال کوتاه مجازی ایجاد می کند.
بهره سیگنال خروجی تفاضلی , وسیگنال ورودی مد مشترک , ,را به هم مرتبط می سازد. در حالت ایده آل و به هم ربطی ندارند , بنابراین تقریبا صفر است.
نسبت به , نسبت رد مد مشترک یا CMRR مربوط به آپ امپ نامیده می شود.
هر چه CMRR بالاتر باشد , بهتر است و در حالت ایده آل به بینهایت میل می کند.
بهره , و را به هم مرتبط می سازد. در حالت ایده آل , سیگنال خروجی مد مشترک هیچ ربطی به سیگنال تفاضلی ورودی ندارد , بنا براین به صفر میل می کند.
بهره , و را به هم مرتبط می سازد . نباید ارتباطی بین خروجی مد مشترک و ورودی مد مشترک وجود داشته باشد , پس در حالت ایده آل , به صفر میل می کند.
پایان نامه بررسی مدارهای فیدبک مد مشترک(CMFB)