CC BY
27УДК 621.382
КМОП-операционный усилитель с ^-канальными выходными повторителями, увеличенным коэффициентом усиления и малым временем установления
А.Б. Макаров
ООО «Альфачип» (г. Москва)
Исследован полностью дифференциальный каскодный операционный усилитель с коэффициентом усиления 100 дБ и малым временем установления выходного сигнала, разработанный на основе КМОП-процесса с проектной нормой 0,18 мкм, выходные каскады которого выполнены с использованием «-канальных истоковых повторителей. Операционный усилитель промоделирован в худших условиях при различных токах смещения основного и дополнительных усилителей. Минимальное время установления 4,5 нс получено при потребляемом токе 8 мА.
Ключевые слова: каскодный усилитель, коэффициент усиления, время установления, истоковый повторитель.
Быстродействие и точность - две наиболее важные характеристики аналоговых схем. Однако оптимизация схем по обоим параметрам приводит к противоречивым требованиям. В таких схемах, как фильтры на переключаемых конденсаторах, схемы выборки и хранения, сигма-дельта- и конвейерные АЦП, быстродействие и точность определяются временем установления выходного сигнала используемых операционных усилителей (ОУ). Быстрое установление требует от операционных усилителей высоких частот единичного усиления и однополюсного поведения при высоком коэффициенте усиления, необходимого для достижения высокой точности. Так, для 16-бит 100-МГц конвейерных АЦП время установления усилителя с интегральным коэффициентом усиления 2-3, амплитудой выходного дифференциального сигнала 1-2 В и точностью установления на уровне 10-5 должно быть примерно 5 нс.
Реализация КМОП-операционного усилителя с высоким коэффициентом усиления, большой частотой единичного усиления и малым временем установления является сложной и противоречивой задачей. Высокое усиление требует применения многокаскадных усилителей на основе транзисторов с большой длиной канала и малыми рабочими токами, в то время как высокие динамические характеристики достигаются с помощью короткоканальных транзисторов и больших рабочих токов.
Существует несколько способов решения сформулированной задачи. Известны каскодные схемы, которые позволяют достичь увеличения коэффициента усиления без существенного ухудшения частотных свойств. При этом удается достичь усиления 40-50 дБ, что в большинстве применений недостаточно [1].
Динамическое смещение усилителей [2, 3] позволяет достигать высокого усиления и быстродействия на определенном интервале времени преобразования, но на завершающем этапе процесс установления замедляется из-за уменьшения рабочего тока, что приводит к увеличению суммарного времени установления. В работе [4] предложен трехкаскадный каскодный усилитель, в котором запас по фазе обеспечивается за счет
© А.Б. Макаров, 2012
увеличения емкости нагрузки, что приводит к уменьшению частоты единичного усиления. Отметим, что с уменьшением проектной нормы удается достигать высоких частот единичного усиления, но при этом внутреннее усиление МОП-транзистора уменьшается и проблема увеличения коэффициента усиления остается актуальной [5, 6]. Известен способ увеличения усиления в каскодных схемах за счет использования дополнительных ОУ со 100%-ной отрицательной обратной связью [7]. Этот способ впервые был опубликован в 1979 г., но до сих пор до конца не изучен и не получил широкого распространения.
В настоящей работе исследуется усилитель с истоковым повторителем напряжения в качестве выходного каскада. Цель использования повторителя - приближение высокого уровня выходного сигнала к общей шине. Это позволяет использовать п-МОП-транзистор как ключ, отпираемый максимально возможным управляющим напряжением, равным напряжению питания. Последнее особенно необходимо, если сумма пороговых напряжений п- и р-МОП-транзисторов близка к напряжению питания. В этом случае комплементарный КМОП-ключ в районе середины напряжения питания имеет недопустимо высокое сопротивление и не может пропустить сигнал с приемлемым быстродействием. Применение п-МОП-транзисторов оправдано в случае, если диапазон рабочих сигналов не превышает половины напряжения питания и близок к потенциалу общей шины.
В работе [8] показано, что использование дополнительных ОУ со 100%-ной обратной связью приводит к появлению дуплета полюс - ноль в частотной характеристике ОУ, который в некоторых случаях может вызвать увеличение времени установления. Предложено использовать дополнительные усилители с большей частотой единичного усиления, чем полоса пропускания основного усилителя с учетом коэффициента обратной связи, но не более частоты, соответствующей второму полюсу основного усилителя. Отсюда следует, что дополнительные усилители должны быть достаточно быстрыми, чтобы обеспечивать рабочий режим каскодных транзисторов. С целью исследования поведения ОУ с малым временем установления и высоким коэффициентом усиления разработана его практическая реализация с использованием КМОП-технологии ХС018 компании ХРАВ с проектной нормой 0,18 мкм.
Исследуемый операционный усилитель. На рис. 1 представлена упрощенная схема дифференциального усилителя с добавленными истоковыми повторителями и схемой задания режима по синфазному выходному сигналу. Усилитель содержит две пары дополнительных усилителей ора_р и ора_п, которые увеличивают выходное сопротивление каскодной цепи за счет стабилизации напряжения стоков токозадающих транзисторов. Упрощенные электрические схемы дополнительных ОУ ора_р, ора_п приведены на рис.2 соответственно. Усилитель ора_р имеет входную дифференциальную пару на основе р-МОП-транзисторов и используется для работы с входными и выходными синфазными сигналами, близкими к шине земли. Усилитель ора_п используется для работы с входными и выходными синфазными сигналами, близкими к шине питания, поэтому имеет входную дифференциальную пару на основе п-МОП-транзисторов. Ис-токовые повторители, включенные между выходами каскодов и нагрузкой, уменьшают емкостную составляющую нагрузки каскодов, увеличивая его полосу пропускания. При этом выходное сопротивление истокового повторителя 1/^т и емкость нагрузки Сь^ формируют дополнительной полюс С^/^т, который уменьшает запас по фазе операционного усилителя в целом. Для обеспечения однополюсного режима работы операционного усилителя приходится использовать цепь частотной коррекции СсЯс. Схема задания режима по синфазному выходному сигналу выполнена на основе однокаскад-ного дифференциального усилителя, на один вход которого подается опорное напряжение (в рассматриваемом случае 0,35 В), а на другой вход - алгебраическая сумма вы-
ходных сигналов оШр и оШп, которая сравнивается с опорным напряжением. При этом на выходах оШр и оШп формируется статическое синфазное напряжение равное 0,35 В при равных входных сигналах ОУ. С целью уменьшения влияния синфазных сигналов оШр и оШп на дифференциальный выходной сигнал оШр-оШп дифференциальный усилитель работает в микрорежиме, выполняя функцию фильтра нижних частот. Сумматор выполнен на основе резисторов, которые совместно с конденсатором создают дополнительный фильтр нижних частот.
Рис.1. Упрощенная схема исследуемого операционного усилителя
Рис. 2. Упрощенная схема операционного усилителя ора_р (а) и ора_п (б)
Коэффициент усиления ОУ А с дополнительными усилителями примерно равен произведению коэффициентов усиления каскодного и дополнительных ОУ [8]:
А = АьАам,
где Аь - коэффициент усиления основного ОУ; АаМ - коэффициент усиления дополнительных ОУ.
Время установления выходного сигнала традиционного каскодного ОУ складывается из двух составляющих [9] : времени перезарядки емкости нагрузки током выходного каскада tsr; времени успокоения tis.
Время перезарядки вычисляется по формуле [9]
tr = Vout /SR = VoutCc I,
где Vout - перепад выходного напряжения; SR - скорость нарастания выходного напряжения; I1 - ток одного плеча входного дифференциального каскада; Cc - эквивалентная емкость каскодного узла.
Если предположить, что tsr = 1 нс, Cc = 1пФ, Vout = 1 В, то оценка для тока I1 составит 1 мА. Это означает, что для обеспечения быстрой перезарядки емкости нагрузки ток каждого плеча дифференциального каскада должен быть не менее 1 мА.
Время успокоения традиционного операционного усилителя, не содержащего дополнительных ОУ и истоковых повторителей, вычисляется по формуле [9]:
ts = (CcVdsar /(2fl1))ln(/eVoUt/Vdsar) ,
где f - коэффициент обратной связи; s - точность установления; Vdsat - напряжение насыщения транзистора дифференциальной пары. Обе составляющие времени установления традиционного каскодного ОУ пропорциональны Сс и обратно пропорциональны I1.
В исследуемом варианте ОУ присутствуют дополнительные ОУ и истоковые повторители, которые приводят к изменению второго полюса и появлению дополнительного полюса, которые уменьшают запас по фазе ОУ и существенным образом влияют на время успокоения [10]. С целью минимизации этого влияния ток истока повторителя выбран таким, чтобы запас по фазе исследуемого ОУ не опускался ниже 50° в диапазоне токов смещения дополнительных ОУ 10-25 мкА. Сложный характер поведения времени установления обусловил использование методов численного моделирования для исследования влияния дополнительных ОУ.
Результаты моделирования. В табл.1 и 2 приведены результаты моделирования динамических параметров ОУ при различных токах смещения. Здесь и далее pXY и nXY обозначают токи смещения величиной XY мкА для ОУ opa_p и opa_n соответственно, Fu - частота единичного усиления, Ph - запас по фазе, Ab, Aadd - коэффициенты усиления, 1в, Iadd - токи потребления в статическом режиме основного и дополнительного ОУ.
Таблица 1
Параметры дополнительных ОУ при различных токах смещения
Операционный усилитель
Параметр opa_p opa_n
p25 p20 p15 p10 n25 n20 n15 n10
Fu, МГц 792 625 424 229 713 572 368 194
Ph, град 56 63 72 80 60 66 73 79
Aadd, дБ 52 53 53 53 54 55 55 55
Iadd, мА 0,9 0,72 0,54 0,36 0,9 0,72 0,54 0,36
Таблица 2
Параметры основного ОУ при различных токах смещения и отключенных дополнительных ОУ
Параметр Ток смещения ора_р_Ьоо81;_а, мкА
25 20 15 10
МГц 464 369 295 210
Рь, град 91 91 89 87
Ль, дБ 40 41 43 44
1ь, мА 6,9 5,6 4,3 2,9
Для анализа влияния параметров дополнительных ОУ на характеристики основного ОУ выбраны токи смещения основного ОУ 15 и 20 мкА, которые позволяют обеспечить частоты единичного усиления 295 и 369 МГц соответственно при запасе по фазе не менее 53°. Моделирование проводилось при напряжении питания 1,6 В, температуре окружающей среды 125 °С и худшем отклонении технологического процесса. Схема моделирования приведена на рис.3. Вид синфазных и дифференциальных выходных сигналов приведен на рис.4. В табл.3 приведены результаты моделирования динамических параметров основного ОУ при токе смещения 20 мкА и различных токах смещения дополнительных ОУ. В табл.4 приведены аналогичные результаты моделирования при токе смещения основного ОУ 15 мкА. В таблицах использованы следующие обозначения: 7в/, Твь - время установления низкого и высокого уровня соответственно; ¡вир - ток потребления в статическом режиме. Отметим, что время установления измерялось при коэффициенте обратной связи 1/2, точности установления 0,1%, перепаде выходного синфазного сигнала 400 мВ и емкости нагрузки 3 пФ. При перепаде выходного сигнала более 400 мВ возникают нелинейные эффекты, связанные с наличием ис-токового повторителя.
¡¡I
г—^Л^—Т-
Рис.3. Схема моделирования времени установления
Рис.4. Выходные синфазные и дифференциальный сигналы
Параметры исследуемого ОУ при токе смещения 20 мкА и различных токах смещения дополнительных ОУ
Таблица 3
Параметр р25/п25 р25/п20 р25/п15 р25/п10 р20/п25 р20/п20 р20/п15 р20/п10
МГц 456 390 390 359 483 440 390 367
Рь, град 53 71 71 76 62 65 70 75
Тэ1, нс 4,66 4,73 4,53 8,02 4,65 4,72 4,44 8,50
Ть, нс 4,76 4,82 4,63 8,12 4,75 4,82 4,55 8,60
9,1 8,74 8,38 8,06 8,74 8,38 8,06 7,66
Параметр р15/п25 р15/п20 р15/п15 р15/п10 р10/п25 р10/п20 р10/п15 р10/п10
МГц 468 433 414 353 391 387 368 356
Рь, град 56 60 63 73 61 61 61 64
Рь нс 4,67 5,43 6,47 9,41 7,69 8,28 9,326 11,22
Ть, нс 4,77 5,53 6,57 9,52 7,78 8,38 9,34 11,32
^-.зир 8,38 8,06 7,66 7,3 8,06 7,66 7,3 6,94
Из приведенных результатов следует, что минимальное время установления 4,5 нс достигается при токе смещения основного ОУ равном 20 мкА и сочетании токов смещения дополнительных ОУ р20/п15. Увеличение токов смещения дополнительных ОУ не приводит к уменьшению времени установления. Это связано с тем, что время установления лимитируется фазочастотными характеристиками основного ОУ. При токе смещения основного ОУ 15 мкА минимальное значение времени установления равно 5,7 нс при сочетании токов смещения дополнительных ОУ р25/п25. Уменьшение токов смещения дополнительных ОУ сопровождается увеличением времени установления. Таким образом, меньшему току смещения основного ОУ соответствует большее время установления.
Таблица 4
Параметры исследуемого ОУ при токе смещения 15 мкА и различных токах смещения дополнительных ОУ
Параметр р25/п25 р25/п20 р25/п15 р25/п10 р20/п25 р20/п20 р20/п15 р20/п10
Я,, МГц 456 390 390 359 483 440 390 367
Ри, град 53 71 71 76 62 65 70 75
Та, нс 5,68 6,58 6,93 7,75 6,06 6,58 7,11 8,01
Тл, нс 5,78 6,69 7,03 7,86 6,16 6,69 7,21 8,10
¡вир 9,1 8,74 8,38 8,06 8,74 8,38 8,06 7,66
Параметр р15/п25 р15/п20 р15/п15 р15/п10 р10/п25 р10/п20 р10/п15 р10/п10
Яи, МГц 468 433 414 353 391 387 368 356
Ри, град 56 60 63 73 61 61 61 64
Та, нс 7,04 7,11 7,58 8,63 8,00 8,28 8,76 10,3
Ти, нс 7,14 7,21 7,69 8,72 8,10 8,38 8,86 10,38
ир 8,38 8,06 7,66 7,3 8,06 7,66 7,3 6,94
Коэффициент усиления и скорость нарастания дифференциального сигнала основного ОУ слабо зависят от токов смещения дополнительных ОУ и при токе смещения основного ОУ 20 мкА составляют 95-96 дБ и 390-410 В/мкс соответственно. При работающих дополнительных ОУ коэффициент усиления по напряжению возрастает с 40-44 до 95-96 дБ, а запас по фазе уменьшается с 87-91° до 53-75°. С уменьшением токов смещения дополнительных ОУ запас по фазе основного ОУ увеличивается. Зависимость времени установления от токов смещения носит сложных характер, но в основном время установления увеличивается с их уменьшением. Увеличение токов смещения дополнительных ОУ выше определенного предела не всегда приводит к уменьшению времени установления, которое ограничивается динамическими свойствами основного ОУ.
В результате проведенного исследования можно сделать следующие выводы.
1. Динамические характеристики исследуемого ОУ определяются динамическими свойствами всех составляющих его ОУ. При частоте единичного усиления основного ОУ 386 МГц время установления на уровне 4,5 нс достигается при токах смещения дополнительных ОУ р20 и и 15, которым соответствуют следующие частоты единичных усилений дополнительных ОУ: 625 МГц для ора_р и 368 МГц для ора_п.
2. Увеличение токов смещения дополнительных ОУ не приводит к существенному уменьшению времени установления. При этом ток потребления основного ОУ вместе с истоковыми повторителями составляет 5,6 мА, а дополнительных ОУ - 2,56 мА.
3. При минимальном напряжении питания 1,6 В максимальный перепад выходного синфазного напряжения, соответствующего линейной области характеристик, составляет 400 мВ и определяется падением напряжения затвор-исток истокового повторителя, работающего в режиме большого выходного тока и обеспечивающего требуемую скорость нарастания выходного сигнала.
Таким образом, использование дополнительных ОУ и истоковых повторителей позволяет достичь усиления 90 дБ, времени установления 4,5 нс при ограниченном диапазоне выходного сигнала и увеличении тока потребления примерно на 45%.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы (ГК№ 01.426.11.0018).
Литература
1. Laber C.A., Gray P.R. A positive-feedback transconductance amplifier with applications to high-frequency, high-Q CMOS switched-capacitor filters // IEEE J. Solid-Slate Circuits. - 1988. - Vol. 23, N 6, Dec. - P. 1370-1378.
2. Copeland M.A., Rabaey J.M. Dynamic amplifier for MOS technology // Electron. Lett. - 1979. -Vol. 15, May. - P. 301-302.
3. Degrauwe M.G., Rijmenants J., Vittoz E.A., DeMan H.J. Adaptive biasing CMOS amplifiers // IEEE J. Solid-State Circuits. - 1982. - Vol. SC-17. June. - 1982. - P. 522-528.
4. A CMOS programmable self-calibrating 13-bit eight-channel data acquisition peripheral / H. Ohara et al. // IEEE J. Solid-State Circuits. - 1987. - Vol. SC-22, Dec. - P. 930-938.
5. Wong S., Salama C.A.T. Impact of scaling on MOS analog performance // IEEE J. Solid-State Circuits. - 1983. - Vol. SC-18, № 1, Feb. - P. 106-114.
6. Макаров А.Б. Технологическая миграция КМОП аналоговых блоков // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010: сб. науч. тр. IV Всероссийской науч.-техн. конф. (Подмосковье, 4-8 октября 2010 г.). - М.: ИППМ РАН, 2010. - С. 553-558.
7. Hosticka B.J. Improvement of the gain of MOS amplifiers // IEEE J. Solid-State Circuits. - 1979. -Vol. SC-14, № 6, Dec. - P. 1111-1114.
8. Bult K., Geelen G. J.G.M. A fast-settling CMOS Op Amp for SC Circuits with 90-dB DC gain // IEEE J. Solid-State Circuits. - 1990. - Vol. 25, N 6, Dec. - P. 1379-1384.
9. Hayati M., Karami B. Design of fully differential CMOS amplifier for clipping control circuit // World Applied Sciences J. - 2008. - 3 (1): 110-113.
10. Jiang X., Seo S., Lu Y. A CMOS single stage fully differential OP-Amp with 120 dB DC gain // EECS 413 Fall 2003 Final Project Report.
Статья поступила 12 августа 2011 г.
Макаров Александр Борисович - начальник отдела ООО «Альфачип» (г. Москва). Область научных интересов: микроэлектроника, твердотельная электроника, технология микроэлектронных устройств. E-mail: amak@alphachip.ru
Г \
Вниманию читателей журнала
«Известия высших учебных заведений. Электроника»
Оформить годовую подписку на электронную
версию журнала можно на сайте
Научной Электронной Библиотеки:
www.elibrary.ru
