Amplificador CMOS - CMOS amplifier

Amplificadores CMOS ( Complementary Metal-óxido-semicondutor amplificadores ) são ubíquos circuitos analógicos usados em computadores , sistemas de áudio , smartphones , câmaras , de telecomunicações sistemas, biomédicas circuitos, e em muitos outros sistemas. Seu desempenho afeta as especificações gerais dos sistemas. Eles receberam seu nome do uso de MOSFETs (transistores de efeito de campo de óxido de metal-semicondutor) em oposição aos transistores de junção bipolar (BJTs). Os MOSFETs são mais simples de fabricar e, portanto, menos caros do que os amplificadores BJT , ainda fornecendo uma transcondutância suficientemente alta para permitir o projeto de circuitos de desempenho muito alto. Em circuitos amplificadores CMOS (semicondutores de óxido metálico complementar) de alto desempenho , os transistores não são usados ​​apenas para amplificar o sinal, mas também são usados ​​como cargas ativas para obter maior ganho e oscilação de saída em comparação com cargas resistivas.

A tecnologia CMOS foi introduzida principalmente para o projeto de circuitos digitais. Nas últimas décadas, para melhorar a velocidade, o consumo de energia, a área necessária e outros aspectos dos circuitos integrados digitais (ICs), o tamanho do recurso dos transistores MOSFET diminuiu (o comprimento mínimo do canal dos transistores é reduzido nas tecnologias CMOS mais recentes). Esse fenômeno previsto por Gordon Moore em 1975, que é chamado de lei de Moore , e afirma que a cada 2 anos, o número de transistores dobra para a mesma área de silício dos CIs. O progresso no projeto de circuitos de memória é um exemplo interessante para ver como o avanço do processo afetou o tamanho necessário e seu desempenho nas últimas décadas. Em 1956, um disco rígido (HDD) de 5 MB pesava mais de uma tonelada, ao passo que hoje em dia ter 50.000 vezes mais capacidade com um peso de várias dezenas de gramas é muito comum.

Embora os ICs digitais tenham se beneficiado da redução do tamanho do recurso, os amplificadores CMOS analógicos não ganharam vantagens correspondentes devido às limitações intrínsecas de um design analógico - como a redução de ganho intrínseca de transistores de canal curto, que afeta o ganho geral do amplificador. Novas técnicas que alcançam maior ganho também criam novos problemas, como a estabilidade do amplificador para aplicações de loop fechado. O que segue aborda ambos os aspectos e resume os diferentes métodos para superar esses problemas.

Redução de ganho intrínseco em tecnologias CMOS modernas

O ganho máximo de um único transistor MOSFET é chamado de ganho intrínseco e é igual a

onde é a transcondutância e é a resistência de saída do transistor. Como uma aproximação de primeira ordem, é diretamente proporcional ao comprimento do canal dos transistores. Em um amplificador de estágio único, pode-se aumentar o comprimento do canal para obter maior resistência de saída e ganho também, mas isso também aumenta a capacitância parasita dos transistores, o que limita a largura de banda do amplificador . O comprimento do canal do transistor é menor nas tecnologias CMOS modernas, o que torna muito desafiador obter alto ganho em amplificadores de estágio único. Para obter alto ganho, a literatura sugere muitas técnicas. As seções a seguir examinam diferentes topologias de amplificador e seus recursos.

Amplificadores de estágio único

Telescópico, cascode dobrado (FC) ou FC de reciclagem (RFC) são os amplificadores de estágio único mais comuns. Todas essas estruturas usam transistores como cargas ativas para fornecer maior resistência de saída (= maior ganho) e oscilação de saída. Um amplificador telescópico fornece maior ganho (devido à maior resistência de saída) e maior largura de banda (devido ao pólo não dominante menor no nó cascode). Em contraste, ele limitou a oscilação de saída e a dificuldade na implementação do buffer de ganho unitário. Embora o FC tenha menor ganho e largura de banda, ele pode fornecer uma maior oscilação de saída, uma vantagem importante nas tecnologias CMOS modernas com tensão de alimentação reduzida. Além disso, uma vez que a tensão DC dos nós de entrada e saída pode ser a mesma, é mais adequado para a implementação de buffer de ganho unitário. O FC foi recentemente usado para implementar o integrador em uma aplicação de sensor bio-nano. Além disso, pode ser usado como um estágio em amplificadores de vários estágios. Como exemplo, o FC é usado como o estágio de entrada de um amplificador de dois estágios no projeto de um circuito potenciostático , que mede as atividades neuronais, ou detecção de DNA. Além disso, pode ser usado para realizar amplificador de transimpedância (TIA). O TIA pode ser usado em biossensores amperométricos para medir a corrente de células ou soluções para definir as características de um dispositivo em teste. Na última década, os projetistas de circuitos propuseram diferentes versões modificadas do circuito FC. RFC é uma das versões modificadas do amplificador FC, que fornece maior ganho, maior largura de banda e também maior taxa de variação em comparação com FC (para o mesmo consumo de energia). Recentemente, o amplificador RFC foi usado em matriz de sensor híbrido CMOS– grafeno para medição de dopamina em subsegundos . É usado como um amplificador de baixo ruído para implementar o integrador.

Estabilidade

Resposta de frequência de um amplificador de estágio único

Em muitas aplicações, um amplificador aciona um capacitor como uma carga. Em algumas aplicações, como circuitos de capacitores comutados , o valor da carga capacitiva muda em diferentes ciclos. Portanto, afeta a constante de tempo do nó de saída e a resposta de frequência do amplificador . É necessário um comportamento estável do amplificador para todas as cargas capacitivas possíveis, e o projetista deve considerar essa questão durante o projeto do circuito. O projetista deve garantir que a margem de fase (PM) do circuito seja suficiente para o pior caso. Para ter um comportamento de circuito e resposta de tempo adequados, os projetistas geralmente consideram um PM de 60 graus. Para valores PM mais altos, o circuito é mais estável, mas leva mais tempo para a tensão de saída atingir seu valor final. Em amplificadores telescópicos e FC, o pólo dominante está nos nós de saída. Além disso, há um pólo não dominante no nó do cascode. Como a carga capacitiva está conectada aos nós de saída, seu valor afeta a localização do pólo dominante. Esta figura mostra como a carga capacitiva afeta a localização do pólo dominante e a estabilidade. O aumento da carga capacitiva move o pólo dominante em direção à origem e, como a frequência de ganho da unidade é (ganho do amplificador) vezes, ela também se move em direção à origem. Portanto, o PM aumenta, o que melhora a estabilidade. Portanto, se garantimos a estabilidade de um circuito para uma carga capacitiva mínima, ele permanece estável para valores de carga maiores. Para atingir mais de 60 graus PM, o pólo não dominante deve ser maior que

Amplificadores multiestágios

Em algumas aplicações, como filtros de capacitor chaveado ou integradores e diferentes tipos de conversores analógico-digital , é necessário ter alto ganho (70-80 dB), e alcançar o ganho necessário às vezes é impossível com amplificadores de estágio único. Isso é mais sério nas tecnologias CMOS modernas, cujos transistores têm resistência de saída menor devido ao comprimento de canal mais curto. Para obter alto ganho, bem como alta oscilação de saída, foram inventados amplificadores de vários estágios. Para implementar o amplificador de dois estágios, pode-se usar o amplificador FC como o primeiro estágio e um amplificador de fonte comum como o segundo estágio. Além disso, para implementar o amplificador de quatro estágios, 3 amplificadores de fonte comum podem ser conectados em cascata com o amplificador FC. Deve ser mencionado que para acionar grandes cargas capacitivas ou pequenas cargas resistivas, o estágio de saída deve ser classe AB. Por exemplo, um amplificador de fonte comum com comportamento de classe AB pode ser usado como o estágio final em um amplificador de três estágios para não apenas melhorar a capacidade do drive, mas também o ganho. O amplificador Classe AB pode ser usado como um driver de coluna em LCDs .

Estabilidade em amplificadores de dois estágios

Ao contrário dos amplificadores de um estágio, os amplificadores de vários estágios geralmente têm 3 ou mais pólos e, se forem usados ​​em redes de feedback, o sistema de loop fechado é provavelmente instável. Para ter um comportamento estável em amplificadores multiestágios, é necessário usar a rede de compensação. O principal objetivo da rede de compensação é modificar a função de transferência do sistema de forma a obter PM suficiente. Portanto, pelo uso da rede de compensação, devemos obter uma resposta de frequência semelhante ao que mostramos para amplificadores de estágio único. Em amplificadores de estágio único, a carga capacitiva é conectada ao nó de saída, cujo pólo dominante ocorre ali, e aumentar seu valor melhora o PM. Então, ele atua como um capacitor de compensação (rede). Para compensar amplificadores de vários estágios, o capacitor de compensação é geralmente usado para mover o pólo dominante para a frequência mais baixa para obter PM suficiente.

Diagrama de blocos de amplificadores de dois estágios totalmente diferenciais e de terminação única

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos de um amplificador de dois estágios nos modos totalmente diferencial e de terminação única. Em um amplificador de dois estágios, o estágio de entrada pode ser um amplificador telescópico ou FC. Para o segundo estágio, o amplificador de fonte comum com carga ativa é uma escolha comum. Como a resistência de saída do primeiro estágio é muito maior do que o segundo estágio, o pólo dominante está na saída do primeiro estágio.

Sem compensação, o amplificador fica instável ou pelo menos não tem PM suficiente. A capacitância de carga é conectada à saída do segundo estágio, onde ocorre o pólo não dominante. Portanto, ao contrário dos amplificadores de estágio único, o aumento da carga capacitiva move o pólo não dominante para a frequência mais baixa e deteriora o PM. Mesri et al. sugeridos amplificadores de dois estágios que se comportam como amplificadores de um único estágio, e os amplificadores permanecem estáveis ​​para valores maiores de cargas capacitivas. Para ter um comportamento adequado, precisamos compensar os amplificadores de dois ou vários estágios. A maneira mais simples de compensação de amplificador de dois estágios, conforme mostrado no diagrama de bloco esquerdo da figura abaixo, é conectar o capacitor de compensação na saída do primeiro estágio e mover o pólo dominante para frequências mais baixas. Mas, a realização do capacitor no chip de silício requer uma área considerável. O método de compensação mais comum em amplificadores de dois estágios é a compensação de Miller (diagrama de blocos do meio na figura abaixo. Neste método, um capacitor de compensação é colocado entre os nós de entrada e saída do segundo estágio. Neste caso, o capacitor de compensação aparece vezes maior na saída do primeiro estágio, e empurra o pólo dominante, bem como a frequência de ganho de unidade para frequências mais baixas. Além disso, por causa do efeito de divisão de pólos , ele também move o pólo não dominante para frequências mais altas. Portanto, é um bom candidato para tornar o estável amplificador. a principal vantagem do método de compensação Miller, é para reduzir o tamanho do condensador de compensação requerida por um factor de a questão levantada da Miller condensador de compensação está introduzindo direito do plano de meia (RHP) nula, o que reduz PM. Felizmente, diferentes métodos têm sugerido para resolver este problema. Por exemplo, para cancelar o efeito de RHP zero, o resistor de anulação pode ser usado em série com o capacitor de compensação (direita b diagrama de bloqueio da figura abaixo). Com base no valor do resistor, podemos empurrar RHP zero para uma frequência mais alta (para cancelar seu efeito no PM), ou movê-lo LHP (para melhorar o PM), ou até mesmo remover o primeiro pólo não dominante para melhorar a largura de banda e o PM. Este método de compensação é usado recentemente no projeto de amplificador para circuito de potenciostato. Por causa da variação do processo, o valor do resistor pode mudar mais de 10% e, portanto, afeta a estabilidade. Usar buffer de corrente ou buffer de tensão em série com capacitor de compensação é outra opção para obter melhores resultados.

Técnicas de compensação para amplificadores de dois estágios

Veja também

Referências

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