Для магистратуры / CMOS_IC

110

каскод с усилителем (активный каскод), рис.10.8,в; свернутый каскод, рис.10.8,г;

каскод с отражателем тока (неинвертирующий каскод), рис.10.8,д.

Рис.10.8. Простейшие ОТУ: a – усилитель с общим истоком, б – простой каскод, в

– каскод с усилителем, г – свернутый каскод, д – каскод с отражателем тока.

Основные параметры простейших ОТУ приведены в Табл. 10.2

В качестве источников тока питания в простейших ОТУ, как правило, используется каскод, а у ОТУ с активным каскодом, в нагрузке тоже может быть активный каскод.

Дифференциальные однокаскадные ОТУ. Очень широкое применение находят дифференциальные однокаскадные ОУ. Их достоинство – небольшой фазовый сдвиг, что позволяет исключить цепь компенсации.

Обычный дифференциальный усилитель имеет недостаточно высокий коэффициент усиления и его входной диапазон сдвинут по отношению к выходному диапазону.

111

Телескопический каскодный дифференциальный усилитель, рис.10.9,а, обладает достаточно большим коэффициентом усиления, но имеет более узкий выходной, не совпадающий с входным диапазоном.

Рис.10.9. Дифференциальные однокаскадные ОТУ: а – телескопический, б – свернутый; в – активный каскод.

Свернутый каскодный дифференциальный усилитель, рис.10.9,б, обладает приемлемым выходным диапазоном, согласующимся с входным диапазоном. За это приходится платить возрастанием потребляемой мощности.

Основная идея свернутого каскодного дифференциального усилителя состоит в совмещении транзисторов с разными типами каналов в дифференциальной и каскодной цепях. На рис.10.10,б, в дифференциаль-

112

ной паре использованы n-МОП М1 и М2, а в качестве каскодных использованы p-МОП М3 и М4. В результате положительный сдвиг потенциала на дифференциальной паре компенсируется отрицательным сдвигом на каскодной паре, что и дает согласование входного и выходного диапазонов.

Поскольку при каскодном включении входные транзисторы нагружены на высокое сопротивление, коэффициент усиления схемы достаточно большой (может составлять несколько тысяч). Переход от дифференциального сигнала к несимметричному выходному осуществляется широкодиапазонным зеркалом на транзисторах М5, М6, М7, М8. Питание схемы должно быть от широкодиапазонного источника напряжения (раздел 9.2). Размеры транзисторов М9 (М10) должны выбираться с учетом суммарного тока от транзисторов М1 и М4 (М2 и М3).

Компенсация схемы осуществляется конденсатором нагрузки СL т.е. методом доминирующего полюса. При малой величине конденсатора нагрузки необходимо параллельно ему ввести дополнительный конденсатор.

Быстродействие схемы определяется процессами на емкости нагрузки. Предельная частота зависит от крутизны источника тока и составляет

Скорость нарастания выходного напряжения зависит от тока питания и равна

Активный каскодный дифференциальный усилитель, рис.10.10,в, обладает гораздо большим усилением, которое может достигать сотни тысяч, т.е не уступает по усилению двухкаскадному каскодному усилителю .

Сравнительные характеристики различных ОТУ приведены в

113

10.6. Полностью дифференциальные ОТУ

Полностью дифференциальные ОТУ (ПД-ОТУ) имеют не только дифференциальный вход, но и дифференциальный выход. Они широко используются в современных аналоговых интегральных схемах, поскольку имеют ряд принципиальных преимуществ перед обычными ОТУ (с одним выходом). ПД-ОТУ обладают большим выходным диапазоном, менее чувствительны к синфазным паразитным сигналам, ослабляют нелинейные искажения четного порядка. Недостатки ПД ОТУ проистекают из наличия двух симметричных выходов – каждый из них требует своей обратной связи и необходима специальная цепь обратной связи по синфазному сигналу для поддержания симметрии.

Рис.10.10 Полностью дифференциальные ОТУ; а – двухкаскадный линейный; б – свернутый каскодный; в – двухкаскадный в режиме АВ.

114

Простейшим ПД-ОТУ является симметричный дифференциальный усилитель (ДУ), рис.5.1. Однако, характеристики простого ДУ (низкий коэффициент усиления, несовпадение выходного диапазона с входным диапазоном) в большинстве случаев требуют улучшения. Поэтому в качестве ПД-ОТУ обычно используют более сложный усилитель с дифференциальным входом и двумя симметричными каналами от входа до выхода. В частности, подобным образом преобразуются в полностью симметричные ранее рассмотренные нами схемы:

двухкаскадный усилитель, рис.10.10,а; телескопический каскод, рис.10.10,б; свернутый каскод, рис.10.10,в; активный каскод, рис.10.9,в.

В ряде случаев (работа на большую емкостную нагрузку) в ПДОТУ целесообразно использовать режим класса АВ. Для чего в двухкаскадном ПД-ОТУ используют симметричный (парафазный) усилитель, пМОП, которого соединен с первым выходом ДУ, а рМОП через токовое зеркало со вторым выходом ДУ, рис.10.11.с.

Сравнительные параметры трех типов ПД-ОТУ приведены в Табл.10.4.

Обратная связь по синфазной составляющей. Выходные сиг-

налы ПД-ОТУ содержат синфазную составляющую, которая усиливается также, как и дифференциальный сигнал, т.е. коэффициент ее подавления равен 1 (0 дБ). При больших коэффициентах усиления даже небольшие отклонения синфазного сигнала (дрейф постоянного уровня источника входного сигнала, паразитные наводки и др.) или уход параметров самого усилителя (изменение входного режима ДУ) приведут к нарушению работы схемы (выходу за границы линейности выходного диапазона). Поэтому необходимо использовать отрицательную обратную связь по синфазной составляющей, которая отслеживает симметрию выходных сигналов от-

115

носительно некоторого опорного уровня. В качестве него может быть выбрана средина выходного диапазона. Если среднее значение выходных сигналов – их полусумма, выше (ниже) опорного уровня достаточно понизить (повысить) общий коэффициент усиления. Одновременно будет изменяться и дифференциальный (полезный) сигнал на выходе, но если частота и амплитуда (скорость) изменения синфазного сигнала малы, то влияние на выходной сигнал можно считать допустимым.

Из вышеизложенного вытекает структура схемы обратной связи по постоянной составляющей (СMFB), которая для ПД-ОТУ со свернутым каскодом приведена на рис.10.11. На симметричные входы CMFB поступают выходные сигналы ПД ОТУ: Vout+ и Vout-.

Рис.10.11. Схема обратной связи по синфазной составляющей.

Сама схема должна быть неинвертирующей, поскольку ее выходной сигнал Vcntrl поступает на инвертирующий вход регулируемого объекта. К схеме CMFB достаточно жесткие требования по симметрии и частотным свойствам. Но ее коэффициент усиления может быть даже меньше единицы, поскольку он входит в общий коэффициент усиления контура охваченного обратной связью. Именно общее усиление и определяет ошибку (асимметрию) выходных сигналов ПД-ОТУ.

Существуют различные схемы CMFB. В простейшем случае, соединив выходы ПД-ОТУ симметричным делителем напряжения, мы уже получим полусумму выходных напряжений в средней точке делителя. Этот сигнал можно использовать для регулирования ПД-ОТУ. Получение управляющего сигнала с помощью коммутируемого емкостного делителя используется в ПД-ОТУ, применяемых в схемах на переключаемых конденсаторах.

В обычных аналоговых схемах выходные напряжения подают в схему СMFB через развязку и сравнивают их (или их полусумму) с опорным напряжением, вырабатывая сигнал управления, как показано, на рис.10.12.

116

Рис.10.12 Схемы CMFB: а – с резистивным делителем, б – с дифференциальными каскадами.

При использовании в CMFB истокового повторителя, рис.10.12,а, полусумма выходных напряжений ПД-ОТУ получается на резистивном делителе (R1 и R2) , который шунтируют фильтрующими конденсаторами (С1 и C2) . Напряжение VA с выхода деителя подается на неинвертирующий вход ДУ на рМОП, где сравнивается с опорным напряжением Vref . Нагрузкой ДУ являются пМОП транзисторы в диодном включении, выходное напряжение которых Vcntrl пригодно для управления пМОП нагрузок свернутого каскода. Возможен вариант управления по источнику тока ДУ самого ОТУ, для чего в CMFB придется поменять тип проводимости МОП транзисторов.

В некоторых случаях использовать резисторы недопустимо. Тогда целесообразно отклонение выходных напряжений от опорного уровня преобразовать в токи, сложить их и полученный суммарный ток преобразовать с управляющее напряжение. Подобные операции производит схема, приведенная на рис.10.12,б. На двух ДУ производится сравнение выходных сигналов Vout+ и Vout- с опорным уровнем, и сумма токов на М5 создает управляющее напряжение Vcntrl.

117

Часть 2. Цифровые КМОП ИС

Глава 1. Введение в проектирование цифровых КМОП ИС

В цифровых схемах используется двоичное кодирование информации – сигналы имеют два значения: логической единицы и логическогонуля. В КМОП-схемотехнике за единицу принимают высокий уровень напряжения VH, близкий к уровню напряжения питания VDD, за нуль – низкий уровень напряжения VL близкий к нулю.

Цифровые логические КМОП-элементы выполняют логические функции над входными двоичными сигналами и должны формировать на выходе двоичные сигналы.

Выполняемая логическая функция описывается таблицей истинности, которая каждой комбинации входных сигналов ставит в соответствие определенный выходной сигнал.

1.1. Переключательная модель МОП-транзистора

Во многих применениях МОП-транзисторы могут рассматриваться как ключи, управляемые входными напряжениями на затворе G,

рис.1.1,а.

Рис.1.1. МОП-транзистор: а – условное обозначение; б – модель закрытого МОП;

в– модель открытого МОП

Вотсутствие входного сигнала, ключ разомкнут (рис.1.1,б). При наличии входного отпирающего напряжения подвижные носители движутся от истока S к стоку D, ключ замкнут (рис.1.1в), и величина протекающего тока определяется выходным сопротивлением прибора R0.

Вn-МОП носителями являются электроны и они движутся от истока к стоку, если сток находится под более положительным потенциалом, чем исток. Для открывания (включения) n-МОП напряжение между затвором и истоком VGS должно быть больше порогового Vt.

118

В p-МОП носителями являются дырки, а напряжение на стоке более отрицательно, чем на истоке. Для включения p-МОП напряжение между затвором и истоком VGS должно быть меньше порогового Vt.

Иногда напряжение между выходными электродами МОП меняет знак, в этих случае можно или не различать электроды (они обычно конструктивно одинаковы, а сам МОП симметричен), или считать, что сток и исток меняются местами.

1.2. КМОП-ключи

Простейшая цифровая схема – это двоичный ключ, обеспечивающий управляемую передачу двоичного сигнала

Поскольку МОП-транзисторы могут быть в открытом и закрытом состоянии, то на их основе можно построить и двоичные ключи. Однако и n-МОП и p-МОП по отдельности не являются идеальными ключами по отношению к двоичным сигналам.

Рис.1.2.Простые ключи на МОП и условия их включения: а – n-МОП ключ; б – n- МОП выключен; в – n-МОП включен; г – p-МОП ключ; д – p-МОП включен, е – p- МОП выключен.

В n-МОП-транзисторе (рис.1.2,а) исток (электрод с меньшим потенциалом) электрически соединен со стоком, если напряжение на затворе больше напряжения на истоке на величину порогового напряжения, и разомкнут в противном случае. Возможны три ситуации:

1)если на входном затворе нулевое напряжение, то ключ между источником сигнала X и выходным узлом Q, разомкнут (рис.1.2,б) и в узле Q сохранится напряжение, которое было перед размыканием ключа;

2)если на входном затворе единичное напряжение (рис.1.2,в), а источник сигнала X поддерживает нулевое напряжение (электрод X явля-