CC BY
29
УДК 681.324.687
Радиотехника и связь
ВХОДНОЙ ПОЛНОМАСШТАБНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ КМОП-КОМПАРАТОРОВ И ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ
В.С. Кононов
Проведен анализ входного диапазона синфазных напряжений и переходных характеристик наиболее известных полномасштабных усилителей. Установлено, что при низких напряжениях питания 1,8 В ± 5% и типовых пороговых напряжениях около 0,9 В входной диапазон составляет всего 0,9-1,3 В в зависимости от типа усилителя. Показано, что полномасштабные усилители на основе двух дифференциальных пар РМОП и ММОП транзисторов фактически не имеют внутреннего участка шкалы с одинаковой переходной характеристикой, на котором РМОП и ММОП транзисторы одновременно активны. В полномасштабных усилителях другого типа с одной дифференциальной парой внутренний участок шкалы составляет около 400 мВ, что достигнуто ценой ухудшения входного сопротивления. В статье рассматривается новый полномасштабный усилитель с входным диапазоном, равным напряжению питания, и высоким входным сопротивлением. Предложено два варианта усилителя, которые отличаются наличием нейтрализатора помех в одном из этих вариантов. Усилители предназначены для использования при создании низковольтных компараторов и ОУ
Ключевые слова: КМОП, усилитель, диапазон, компаратор, ОУ
Входной диапазон синфазных напряжений (шкала) в большинстве современных низковольтных КМОП-компараторов и операционных усилителей (ОУ) с однополярным питанием обычно меньше напряжения питания, что в ряде случаев создает проблемы при проектировании таких изделий. Одним из таких случаев является двухсекционный безконденсатор-ный 12-разрядный КМОП-АЦП со складывающей архитектурой (по английски - folding), напряжением питания 1,8 В ± 5% и частотой преобразования 1 ГГц (рис. 1). В этом АЦП с 24 компараторами на входе каждой секции и ОУ на выходе 1 секции (на рис. 1 не показаны) при типичном коэффициенте усиления ОУ Ку ~ 4 входная шкала 1 секции, как нетрудно вычислить, должна составлять около 1,6 В, что близко к минимальному напряжению питания 1,71 В.
АС
Секционный 8-разрядный АЦП Секционный 5-разрядный АЦП
/ ' 8 / ' 5
Блок корректировки ошибок
^12
ЦС
АС ■
Рис.1. Блок-схема 12-разрядного КМОП-АЦП: ■ аналоговый сигнал; ЦС - цифровой сигнал
Кононов Владимир Сергеевич - ОАО «СКТБ ЭС», канд. техн. наук, науч. сотрудник, тел. 8(473)223-46-79
Понятно, что при таких условиях на входе 1 секции невозможно использовать не только обычные дифференциальные усилители, но и известные, так называемые, полномасштабные (по английски - гаП4о-гаП) каскады, как, например, каскад, показанный на рис. 2 [1]. Недостатки «полномасштабных» каскадов хорошо известны. Они характеризуются ухудшением линейности на краях входной шкалы, когда происходит резкое замедление переходной характеристики при переходе из внутренней части шкалы, в которой РМОП- и КМОП-транзисторы одновременно активны. Для высокочастотных каскадов типа (рис. 2) внутренняя часть шкалы отстоит от напряжения питания и «земли» примерно на и0. Здесь и0 - абсолютное значение пороговых напряжений РМОП- и КМОП-транзисторов. Отсюда следует, что при ип = 1,8 В и и0 ~ 0,9 В внутренняя часть шкалы фактически отсутствует.
Un
d
Вх+
d
Ь
1
. Вых1-- Вых^
— Вх-
-Вых2+ "Вых2-
Рис. 2. Типовой «полномасштабный» каскад
В каскаде, показанном на рис. 3 [2], обеспечивается некоторое расширение внутреннего участка шкалы за счет использования внутреннего ОУ на основе 4 МОП-транзисторов с общим истоком. Однако достигнутый таким образом выигрыш на практике не превышает ~ 200 мВ для каждого края шкалы.
Кроме того, как видно из рис. 3, входные цепи каскада содержат последовательно соединенные резисторы и МОП-транзисторы обоих типов. При таком подходе трудно обеспечить высокое входное сопротивление, которое необходимо для хорошего согласования этого каскада с другими схемами.
Рис. 3. Полномасштабный каскад с расширенной шкалой
Целью данной статьи является создание истинно полномасштабного усилительного каскада, свободного от недостатков каскадов (рис. 2, 3).
Наилучшим решением является истинно полномасштабный усилитель (рис. 4).
Как видно из этого рисунка, в каждом плече усилителя используются две пары РМОП- и NМОП-транзисторов, одни из которых соединены с входами Вх+, Вх_, а другие - с входом Вхссн. Такое соединение транзисторов позволяет плавно перераспределять токи между транзисторами в каждой паре при изменении входных напряжений от 0 до ип. Когда один из транзисторов отсекается, например, РМОП-
транзистор в верхней паре левого плеча усилителя при ип - ивх+ < и0, другой транзистор из этой пары «забирает» на себя весь ток, протекающий в левом плече при ивх+ > ип - и0. Аналогичным образом происходит перераспределение тока между нижними NМОП-транзисторами при ивх+ < и0.
Благодаря плавному перераспределению токов переходная характеристика усилителя (рис. 4) сохраняется практически одинаковой на всех участках шкалы, где оба транзистора, подключенные к входу Вх+ или Вх-, активны или активен только один из них.
Несмотря на очевидные достоинства, усилитель (рис. 4) имеет один недостаток, который не позволяет обеспечивать подавление входных помех как это осуществляет обычный дифференциальный усилитель. В самом деле, если посмотреть на электрическую схему (рис. 4), то можно увидеть, что предложенный усилитель фактически представляет собой комбинацию двух инвертирующих усилителей, практически автономных по отношению друг к другу.
Рис. 4. Электрическая схема истинно полномасштабного усилителя:
Вхссн - вход стабилизации синфазного напряжения на выходе усилителя
Для устранения отмеченного недостатка такой усилитель целесообразно использовать совместно с дифференциальным усилителем на его выходе, который будет выполнять функцию нейтрализатора помех и, при необходимости, обеспечивать дополнительное усиление полезного сигнала (рис. 5).
Как показали исследования, общее усиление двухкаскадного усилителя (рис. 5) без обратной связи может достигать 20-36 дБ при использовании транзисторов с минимальной длиной каналов 0,18-0,2 мкм. В этом случае полоса частот единичного усиления составляет около 1,8-2,2 ГГц. При увеличении длины каналов в
2-3 раза усиление возрастает до 40-80 дБ, что, одновременно, приводит к уменьшению полосы единичного усиления практически во столько же раз.
Выводы.
1. Предложенный усилитель имеет истинно полномасштабную шкалу и линейную переходную характеристику, благодаря плавному перераспределению токов между транзисторами. Однако прямое использование усилителя не
ип
Вх+
обеспечивает подавление внешних помех.
2. Для подавления внешних помех предложенный усилитель целесообразно использовать совместно с обычным дифференциальным усилителем на его выходе, добавление которого приводит к образованию полноценного двухкаскадного усилителя с истинно полномасштабным входом.
Вых+
Рис. 5. Двухкаскадный усилитель с входным истинно полномасштабным каскадом
Литература
1. Кестер У. Аналого-цифровое преобразование [Текст] : монография / У. Кестер; пер. с англ. Е.Б. Володина. - М.: Техносфера, 2007. - 1016 с.
2. Duque-Carrillo J.F. 1-V Rail-to-Rail Operational Amplifiers in Standard CMOS Technology [Text] / J.F. Duque-Carrillo and el // IEEE JSSC. - 2000. - Vol. 35. - №>. 1. - P. 33-44.
ОАО «Специализированное конструкторско-технологическое бюро электронных систем», г. Воронеж
INPUT RAIL-TO-RAIL AMPLIFIER FOR CMOS-COMPARATORS AND OPERATIONAL AMPLIFIERS WITH LOW SUPPLY VOLTAGE
V.S. Kononov, Candidate of Technical Sciences, Research Officer, JSC SKTB ES, Voronezh, Russian Federation, email: casandra1983@mail.ru
Analysis of input common-mode voltage range and transfer functions of well-known rail-to-rail amplifiers is done. It is found, that at low supply voltage of 1,8 ± 5% and typical threshold voltages of 0,9 V, input voltage range is 0,9-1,3 V depending on type of amplifier. It is shown, that rail-to-rail amplifiers based on two differential pairs of PMOS and NMOS transistors, don't have internal scale area with similar transfer function, where PMOS and NMOS transistors are simultaneously in active region. In rail-to-rail amplifiers with one differential pair internal scale area is about 400 mV, which is achieved at the cost of input resistance reduction. New rail-to-rail amplifier with input voltage range equal to supply voltage and high input resistance is considered in this paper. Two versions are offered, one of which has noise neutralizer. Amplifiers are intended for use in low-voltage comparators and operational amplifiers
Key words: CMOS, amplifier, range, comparator, operational amplifier
References
1. Kester W. Analogo-cifrovoe preobrazovanie [Analog-Digital Conversion] / W. Kester - Moscow. - Techno-sphera, 2007. - 1016 p.
2. Duque-Carrillo J.F. 1-V Rail-to-Rail Operational Amplifiers in Standard CMOS Technology [Text] / J.F. Duque-Carrillo and el // IEEE JSSC. - 2000. - Vol. 35. - №. 1. - P. 33-44.
