CC BY
216
УДК 62l.31.39
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ КОРОТКОКАНАЛЬНЫХ КМОП-ТЕХНОЛОГИЙ
А.В. Русанов, А.Ю. Ткачев, Ю.С. Балашов
Статья посвящена операционному усилителю на МОП-транзисторах, управляемых затвором и карманом одновременно. Представлены результаты схемотехнического моделирования в САПР Cadence IC и сравнительный анализ с характеристиками операционного усилителя аналога
Ключевые слова: операционный усилитель, МОП-транзистор, управляемый затвором и карманом
одновременно, низкое напряжение питания
Тенденции развития технологий
производства интегральных схем (ИС) состоят в снижении проектных норм и напряжения питания для каждого нового поколения технологического процесса [l]. Особенности работы цифровых схем позволяют разрабатывать новые устройства,
превосходящие своих предшественников, реализованных в длинноканальных
технологиях [2]. Разработка аналоговых схем с приемлемыми характеристиками в
современных субмикронных технологиях является весьма сложной задачей [3].
Существует ряд методов, позволяющих получить ее решение [4-6]. В статьях [1, 8] описан еще один метод, основанный на электрическом соединении затвора и кармана МОП-транзистора. Однако, разработанных на его основе аналоговых устройств пока не существует. Следовательно, создание
аналогового блока с применением транзистора, управляемого затвором и карманом одновременно, а также необходимость оценки эффективности применения нового метода на практике являются актуальными задачами. Решению которых посвящена данная статья.
Исследование проводилось на примере операционного усилителя. Разработка электрической схемы и топологии блока операционного усилителя проводилась в САПР Cadence IC, с использованием сертифицированных spice моделей и конструктивно-технологических требований технологии SMOS8MV кремниевой фабрики Freescale semiconductor (США).
В качестве устройства - аналога был выбран операционный усилитель [9], полная
Русанов Александр Валерьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: ralval @rambler.ru
Ткачев Александр Юрьевич - ВГУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: collapsar@mail.ru
Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: faddey52@mail.ru
электрическая модель которого изображена на рис. 1
Рис. 1. Модель операционного усилителя с широким диапазоном входного сигнала
Операционный усилитель выполнен по двухкаскадной архитектуре. Входной каскад состоит из двух дифференциальных пар МОП-транзисторов (Б401 и Б402) с разным типом проводимости. Токовые зеркала СМ407 и СМ408 задают ток дифференциальным парам Б401 и Б402 соответственно. Затворы п-канального транзистора М402
дифференциальной пары Б401 и р-канального транзистора М411 дифференциальной пары Б402 формируют вход Ш3 операционного усилителя. По аналогии затворы двух других транзисторов (М403 и М412) формируют вход Ш4. Нагрузкой дифференциальных пар являются входные транзисторы токовых зеркал СМ401, СМ402, СМ405, СМ404.
Второй каскад усиления образуют токовые зеркала СМ403, СМ406 и транзисторы М405, М406, М416 и М413. Выходной каскад
выполнен по схеме типа га11-1о-гаП.
Работа усилителя с широким диапазоном входного сигнала реализована использованием во входном каскаде усилителя две дифференциальные пары, построенные на транзисторах с разным типом проводимости [9]. Такой подход объясняет наличие в схеме
сразу
двух симметричных операционных усилителей. Первый состоит из дифференциальной пары Б401, токовых зеркал СМ401, СМ402, СМ403 и СМ407. Второй - из дифференциальной пары Б402, токовых зеркал СМ404, СМ405, СМ406 и СМ408. Ввиду их полной симметрии для проведения исследования можно ограничиться лишь одной из этих схем. На рис. 2 представлена упрощенная электрическая схема
операционного усилителя, построенного с применением р-канальных МОП-транзисторов, управляемых карманом и затвором одновременно
Рис. 2. Электрическая схема операционный усилитель на МОП-транзисторах, с электрическим соединением затвора и кармана
Expressions
Выбор транзисторов М2, М4, М7 и М9 обусловлен их наибольшим влиянием на характеристики устройства, что наиболее эффективно охарактеризует использование МОП-транзисторов, управляемых карманом и затвором, в аналоговых схемах.
Схема для проведения характеризации операционного усилителя представлена на рис. 3
операционного усилителя
Как видно из представленного рисунка, на инверсный вход операционного усилителя подано постоянное напряжение Уёе, величина которого составляет 900 мВ. Прямой вход усилителя соединен с генератором синусоидального сигнала, с частотой 10кГц, амплитудой 1мВ и постоянной составляющей 900 мВ. Напряжение питания Уэб схемы составляет 2.5 В.
Transient Response
а) б)
Рис. 4. а) ФЧХ и АЧХ модели операционного усилителя б) переходные характеристики модели операционного усилителя.
Результаты моделирования операционного усилителя на МОП-транзисторах, управляемых карманом и затвором одновременно представлены на рис. 4. В таблице сведены основные характеристики операционного усилителя аналога и исследуемой схемы.
Характеристики упрощенной модели операционного усилителя
№ п/п Наименование параметра Характеристики аналога Характеристики новой схемы
1. Коэффициент усиления, дБ 27 З5
2. Полоса пропускания (-3дБ), МГц 62 25
З. Запас по фазе, град. 27 19
4. Ток потребления, мкА 142 145
5. Напряжение питания, В 2,5 2,5
5. Диапазон вх. синфазного напряжения, В O -1,1 O -1,З
6. Размах выходного напряжения, В 1,4 1,6
Представленный в статье операционный усилитель, выполненный по КМОП технологии, отличается от известных аналогов применением в своей структуре МОП-транзисторов, управляемых карманом и затвором одновременно. Сравнительный анализ разработанного усилителя с аналогом показал улучшение критичных для низковольтных технологий характеристик (размах выходного сигнала и диапазон входного синфазного напряжения). В то же время, были выявлены
существенные недостатки метода: сужение
полосы пропускания и запаса по фазе. Обнаруженные недостатки могут стать серьезным ограничением для использования предлагаемого нестандартного включения МОП-транзисторов в ВЧ и широкополосных применениях. Следовательно, для низкосреднечастотных применений,
разрабатываемых по КМОП-технологиям с низкими проектными нормами и напряжением питания, можно рекомендовать использовать МОП-транзисторы, управляемые карманом и затвором одновременно.
Литература
1. Красников Г Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов.— Москва: Техносфера, 2002. — 416 с.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Pentium
3. Русанов, А. В. Влияние уменьшения напряжения питания на характеристики аналоговых блоков АЦП [Текст] / А. В. Русанов, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т.7. - № 1. - С. 74-76
4. Yang Wang, “Low voltage single-stage amplifier with wide output range”, in 4th international conference of ASIC, pages 285-288, October 2001.
5. Benjamin J. Blalock, Philip E. Allen, Fellow, IEEE, and Gabriel A. Ricon-Mora, “Designing 1-V Op Amps Using Standard Digital CMOS Technology”, IEEE transactions on circuits and systems II: Analog and digital Processing, Vol. 45, No.7, July 1998.
6. Chong-Gun Yu and Randall L. Geiger, “Very Low Voltage Operational Amplifiers Using Floating Gate MOS Transistors”, IEEE international Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 1993.
7. Русанов, А. В. МОП-транзистор с управлением карманом и затвором одновременно [Текст] / А. В. Русанов, А. Ю. Ткачев, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т 8. - № 8. - С. 151-154.
8. Русанов, А. В. Физические основы работы МОП-транзистора с управлением карманом и затвором одновременно [Текст] / А. В. Русанов, А. Ю. Ткачев, Ю. С. Балашов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2012. - Т. 8. - № 11. - С. 116-118.
9. Hirohisa Abe, “Differential amplifier method and apparatus operable with a wide range input voltage”, Patent number US 7183852B2, Feb. 27, 2007.
Воронежский государственный технический университет Воронежский государственный университет
OPAMP MOSFET, CONTROLLED BULK AND GATE A.V. Rusanov, A.Yu. Tkachev, Yu.S. Balashov
The article is devoted to opamp MOSFET controlled gate and bulk. The results of circuit simulation in Cadence IC and comparative analysis of the characteristics of the opamp analog
Key words: operational amplifier, the MOS transistor control gate and the bag at the same time, a low supply voltage
