مقاله ترجمه شده طراحی تقویت کننده عملیاتی با ولتاژ پایین و قدرت کم

توضیحات

 عنوان فارسی: طراحی تقویت کننده عملیاتی با ولتاژ پایین و قدرت کم

عنوان انگلیسی مقاله:

Design of Low Voltage Low Power Operational Amplifier

چکیده:

باتوجه به تقاضا برای کاربردهایی با قدرت کم، مدارهای در حال اجرا با کاهش ولتاژ تغذیه می توانند مزیت بزرگی باشند. طراحان مدار مجتمع با یک سد قدرت به عنوان سخت ترین محدودیت در تکنولوژی جدید مواجه شدند و توسعه مدار با سنجش عوامل این پروسه شروع نشد، بلکه با فرایند بسته بندی و خنک کردن، موانع و سدهایی ایجاد شد. تقاضا برای مدارها با کاهش مصرف انرژی و بازار در حال رشد بسیار سریع از تجهیزات الکترونیکی قابل حمل، علاقه به مدارهای مجتمع با قدرت بسیار کم را افزایش داده است. با این حال، طراحی مدارات مجتمع بسیار کم قدرت نیاز به کاهش ولتاژ منبع تغذیه داخلی و حداقل کردن پارازیت در انتقال داخلی را دارد، همچنانکه اینها پارامترهای مهم مربوط به تلفات قدرت هستند.

به منظور حفظ عملکرد مورد نیاز، کاهش منبع ولتاژ دلالت بر کاهش ولتاژ آستانه ترانزیستور دارد، که یک سری از مشکلات هم در تکنولوژی و هم طراحی مدار به ارمغان می آورد. حاشیه برای خطا چنان کوچک می شود، که هر عدم قطعیت در پارامترهای دستگاه یا مدار ممکن است به طور چشمگیری عملکرد تراشه های ساخته شده  واقعی را کاهش دهد. همچنانکه طراحی مدار به صورت حیاتی متکی به شبیه سازی است، تنها امکان، برای غلبه بر این مشکلات استفاده از ابزار بسیار دقیق برای شبیه سازی هر دو روند ساخت و رفتار مدار است.

به این نکته پی برده می شود که ابزارهای طراحی مدار های معمولی نمی توانند بسیار طولانی برای پیش بینی دقیق رفتار مدار از یک محیط شبیه سازی یکپارچه که در آن همه تلاش ها برای رسیدن به حداکثر دقت است، مورد استفاده قرار گیرند. این ابزار ECAD را با شبیه سازهای دقیق پیدا شده در چارچوب TCAD ارتباط می دهد. دستگاه های فعال با شبیه سازی دستگاه و شبیه سازی مدار مبتنی بر جدول که برای جلوگیری از اشتباهات معرفی شده توسط روش پارامترهای فیت شده در مدل های فشرده استفاده می شود، مشخص می شوند. خازن سه بعدی و شبیه سازی استخراج مقاومت، پارامترهای پارازیتی ایجاد شده در سیم های اتصال توسط شبیه سازی توپوگرافی سه بعدی را کمی می کند. به این ترتیب، ممکن است به صورت جهانی پارامترهای مدار و تکنولوژی بهینه سازی شوند و بهترین راه حل برای یک برنامه داده شده به دست آید. در این مطالعه تکنولوژی مناسب برای منبع تغذیه 5/0 ولتی توسعه داده شده است، و چند مدار دیجیتال و آنالوگ با قدرت بسیار کم به عنوان نمونه داده شده اند، که شامل تقویت کننده عملیاتی جدید هستند که قادر به انجام عملیات در کمتر از نیم ولت است.

کلمات کلیدی: تقویت کننده عملیاتی، CMOS، LVLP

مقدمه

نیاز به مدارهای ولتاژ پایین با قدرت کم

بسیاری از عوامل محرک نیازمند ولتاژ برق پایین در مدارهای یکپارچه CMOS هستند. همچنانکه طول کانال تکنولوژی CMOS کاهش می یابد، حداکثر ولتاژ مجاز نیز کاهش خواهد یافت. همچنین، چنانکه اجزای بیشتری در سطح یکسان از مدارهای مجتمع شامل شوند، اتلاف قدرت افزایش می یابد. در نهایت، نیاز به لوازم الکترونیکی قابل حمل که اشاره به عملکرد باتری دارند، به نفع مدارهای ولتاژ پایین با قدرت کم است. این عوامل و عوامل دیگر باعث شده است که اجرای مدارات ترکیبی آنالوگ دیجیتال آتی با استفاده از استاندارد CMOS که تامین کننده برق  1.5 یا کمتر از 5/1 ولت است پیشنهاد شود، عامل مهم در مورد مدارات آنالوگ آن است که کاهش ولتاژ آستانه از تکنولوژی های استاندارد CMOS آتی کمتر از آن چه هم اکنون در دسترس است، پیش بینی نشود[1،2]. لازم است که منبع تغذیه آنالوگ حداقل برابر مجموع مقادیر آستانه از کانال n و کانال p باشد. این به معنی این است که مدارات آنالوگ ولتاژ پایین با روند آتی تکنولوژی CMOS ناسازگار هستند. راه های غلبه بر این ناسازگاری به منظور توسعه فن آوری با آستانه پایین تر، افزایش ولتاژ پایین تر بر روی تراشه مبدل DC-DC، و یا توسعه تکنیک های مداری سازگار با روند تکنولوژی استاندارد آتی CMOS، است[3].

رویکرد سوم، تکنیک های توسعه مدار آنالوگ سازگار با تکنولوژی CMOS آتی است. چندین مزیت مهم برای این رویکرد وجود دارد. اولا، نیاز به توسعه تکنولوژی های گران  CMOSبا ولتاژ آستانه پایین تر مورد اجتناب قرار گرفته است. ثانیا، راندمان بالا مبدل DC-DC لازم نیست. ثالثا، تکنیک های مدار که فعالیت در ولتاژ پایین با آستانه های بزرگ را میسر می کنند پتانسیلی برای استفاده بیشتر از این فن آوری در ولتاژهای بالاتر و پایین تر ارائه می کنند اگر، در واقع، تکنولوژی آستانه پایین را تبدیل به تکنولوژی استاندارد کند. در این مقاله به اختصار بخشی از محدودیت های مدارات آنالوگ در ولتاژ پایین مرور شده است. سپس، روش های مدار با استفاده از تکنولوژی CMOS موجود، مجوز عملکرد مدار آنالوگ در ولتاژ پایین را شرح خواهند داد. هر کدام از این روش ها به تنهایی نمی تواند مشکل را حل کند اما به همراه هم راه حل های جذابی را ارائه خواهند کرد. یکی از این روش ها که در این مقاله منحصر به فرد است کانال JFET و عملکرد و خصوصیات آن است که همراه با جزئیات ارائه شده است. سپس، چگونگی استفاده از این روش برای پیاده سازی بلوک های ساختمانی مدار آنالوگ مانند منابع جریان، تقویت کننده های تفاضلی و جریان آینه ای نشان داده شده است. در نهایت، بلوک هایی برای ایجاد تقویت کننده عملیاتی 1 ولتی که در تکنولوژی های استاندارد CMOS ساخته می شوند و ولتاژ آستانه 8/0 ± ولتی دارند، استفاده می شوند.

مدارهای ولتاژ پایین مورد نیاز هستند چرا که:

1- همچنانکه طول کانال دستگاه به اندازه میکرون کوچک و ضخامت گیت اکسید تنها چند نانومتر می شود، ولتاژ تغذیه به منظور تضمین قابلیت اطمینان دستگاه باید کاهش یابد. با فرآیندهایی با عمق زیر میکرون که در حال حاضر در دسترس هستند، حداکثر ذخیره ولتاژ مجاز از 5V به 3V و حتی به 2V در حال کاهش است.

2- افزایش تراکم اجزا در تراشه، قدرت کم را دیکته می کند. یک تراشه سیلیکونی تنها می تواند میزان قدرت محدود در واحد سطح پراکنده کند. از آنجا که افزایش تراکم قطعات، توابع الکترونیکی بیشتری در واحد سطح را مجاز می کند، قدرت در هر تابع الکترونیکی باید به منظور جلوگیری از گرم شدن بیش از حد کاهش یابد.

3- تجهیزات تامین شده با باطری قابل حمل نیاز به قدرت کم دارند تا یک دوره عملکرد قابل قبول از یک باتری را تضمین کنند و منبع تغذیه ولتاژ باید تا جای ممکن کم باشد تا تعداد باتری های مورد استفاده را کاهش دهد[4،5].

توجه:

• برای دانلود فایل word کامل ترجمه از گزینه افزودن به سبد خرید بالا استفاده فرمایید.
• لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.