Влияние уменьшения напряжения питания на характеристики аналоговых блоков АЦП

УДК 621.37.39

ВЛИЯНИЕ УМЕНЬШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ

АНАЛОГОВЫХ БЛОКОВ АЦП

А.В. Русанов, Ю.С. Балашов

Статья посвящена анализу влияния уменьшения напряжения питания аналоговых схем с учетом ограничений в КМОП технологии на их характеристики. Анализ проводится для наиболее важных конструктивных блоков АЦП: операционных усилителях и ключах

Ключевые слова: блоки АЦП, операционный усилитель, МОП-ключи

Операционные усилители.

выходного импеданса.

Когда операционные усилители используются в качестве конструкционных блоков схем на управляющих конденсаторах, они почти всегда используются в цепях отрицательной обратной связи, где размах сигнала на входе операционного усилителя очень мал. Таим образом, входные структуры не ограничивают диапазон сигнала. Выходные каскады операционного усилителя обеспечивают полный размах сигнала и устанавливают максимальную величину для него.

Топологии однокаскадных операционных усилителей, таких как телескопический и свернутый каскод, обеспечивают наиболее быстрые структуры с эффективным потреблением мощности для интегральных применений. Для достижения необходимого высокого коэффициента усиления по постоянному току применяют каскодирование, что ограничивает размах выходного сигнала. Если используется два или более каскадов усиления, то требуемый коэффициент усиления по постоянному току может быть получен без использования каскодных структур на выходе усилителя. Этот тип операционных усилителей требует отчасти большей мощности для достижения такой же полосы пропускания, как и у однокаскадных.

На рис. 1 представлено два типа выходных каскада и соответствующие им амплитуды сигналов: выходной каскад, выполненный по

каскодной схеме - слева, и каскад с выходом равным напряжению питания справа.

Для точной работы, транзисторы должны быть в насыщении, для чего напряжение между стоком и истоком должно быть равно напряжению насыщения которое зависит от уровня тока и геометрических размеров, характерных для заданной технологии. Обычно эта величина достигает порядка нескольких сотен милливольт. На практике, в добавок к У*аЬ необходим дополнительный запас по напряжению для достижения ошибкоустойчивости из-за неточного смещения и для достижения подходящего

Русанов Александр Валерьевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-908-130-60-02

Балашов Юрий Степанович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (4732)92-94-45

и?

каскодный выход "гаМо-гаН" выходной каскад

Рис. 1. Амплитуда выходного сигнала для различных выходных каскадов

Как видно из рис. 1, амплитуда сигнала каскодной схемы вдвое меньше, чем в каскаде с выходом равным напряжению питания (гай-Ю-гай). Когда напряжение питание становится меньше, запас «съедает» большую часть диапазона сигнала. Влияние этого эффекта на мощность потребления представлено на рис. 2

Напряжение питания, В

Рис. 2. Мощность потребления схем, использующих операционные усилители различных типов

Для каскодной схемы с питанием 4 В рассеяние мощности на 78 % больше, чем с питанием 5 В, что может быть компенсировано наиболее эффективной топологией операционного усилителя. Когда напряжение питания уменьшается, мощность рассеяния -

увеличивается, в этом заключается преимущества схем с выходом, равным напряжению питания.

Таким образом, топология операционного усилителя оказывает существенное влияние на потребление мощности. Следовательно,

многокаскадные операционные усилители с размахом выходом, равным напряжению питания являются предпочтительным выбором для низкомощных устройств с низким напряжением питания.

Для покрытия более широкого диапазона, используют комплиментарную пару транзисторов (п-МОП и р-МОП транзисторы соединены параллельно) (См. рис. 3 б). Сопротивление закрытого ключа имеет большую величину в средней области, между полюсами питания, когда дополнительное напряжение приблизительно равно УСб/2 - Ут. Таким образом, максимальное

сопротивление закрытого ключа, сильно зависит от напряжения питания.

МОП ключи.

Другим не менее важным блоком схем на переключающих конденсаторах являются ключи на МОП-транзисторах [1]. Идеальный ключ имеет бесконечно большое сопротивление, когда он открыт и нулевое - когда закрыт. При высоких напряжениях питания (5В и выше), МОП транзистор достаточно хорошо соответствует такой модели поведения. В случае низкого напряжения питания (3 В и менее), ограниченное

сопротивление закрытого МОП ключа является причиной многих проблем, которые обусловлены растущими требованиями к исполнению схем и совершенствованием технологий.

Сопротивление закрытого МОП ключа (в этом случае транзистор открыт) имеет вид:

Ro

L

W^Cox

RON,max X

L

WMCox

Когда УСб становится меньше чем Ут,п+ Ут,р появляется промежуток непроводимости в середине области питания (Рис. 3 в). Другая проблема, особенно актуальная для схем выборки и хранения, зависимость сопротивления от сигнала, что является причиной гармонических искажений при цифровой обработке непрерывных сигналов. Следовательно, сопротивление должно быть намного меньше, чем в случае с постоянным сопротивлением закрытого ключа.

Величина порогового напряжения при переходе от 0,35 мкм поколения к 70 нм довольно

точно совпадает с 0.32 •

Используя это и

предположив, что напряжение питания и длина канала линейно зависимы, формула (2) может быть переписана

где VGs напряжение затвор-исток транзистора, VT -пороговое напряжение. Формула действительна, когда Vqs>Vt , с меньшим напряжением затвор-исток сопротивление бесконечно большое. Для перевода ключа во включенное состояние, необходимо, чтобы напряжение затвор-исток было больше порогового, для обеспечения достаточно малой величины сопротивления канала.

Ключ, выполненный на одном транзисторе, не может проводить весь диапазон равный напряжению питания. Например, n-МОП ключ, чей затвор связан с VDD, выключается, когда уровень сигнала достигает порогового уровня, что иллюстрирует рис. 3 а.

Рис. 3. Зависимость проводимости ключа от величины напряжения сигнала для п-МОП

Vd

Ca

где Са - CoxWL.

Так как понижение диапазона сигнала приводит к увеличение емкостей, корректирующим параметром, в данном случае, является не сопротивление, а постоянная, времени, которая определяется формулой :

т = RC ж

C

VD

Ca

Паразитные емкости ключа пропорциональны Са, логично предположить, что возможно их увеличение при том же показателе емкости С.

Методы для уменьшения сопротивления закрытого ключа могут быть разделены на две категории: технологические и схемотехнические. Технологические методы понижают сопротивление путем снижения порогового напряжения транзистора, в то время как, схемотехнические основаны на увеличении величины дополнительного напряжения (напряжения перегрузки).

Первый метод базируется на использовании сдвоенного-Ут процесса, который обеспечивается двумя типами транзисторов, с высоким или низким

2

2

пороговым напряжением у каждого. Суть этой технологии заключается в увеличении скорости работы цифровой логики, путем использования транзисторов с низким пороговым напряжением в критичных местах, но, в то же время, не допуская увеличения тока утечки с помощью транзисторов с высоким пороговым напряжением. В аналоговых блоках транзисторы с низким пороговым напряжением могут выполнять роль ключей. У этой технологии можно выделить две проблемы: она выходит за рамки базовой технологии, чем

обусловлена высокая стоимость ее реализации;

трудности, возникающие при ее использовании с аналоговыми компонентами (резисторы и конденсаторы). Кроме того, схемы с ключами, выполненными на транзисторах с низким

пороговым напряжением, подвержены утечке заряда.

Другая технология, которая может решить проблему - кремний на изоляторе (КНИ) [2, 3].

Суть схемотехнических методов заключается в увеличении напряжения перегрузки от 0.5УСС -Ут. Напряжение затвор-исток ключевого

транзистора может достигать, по меньшей мере, Усс без нарушения спецификации технологии. Дополнительное напряжение ключа, с разностью потенциалов затвора и истока равной Увб, может достигать Усс - Ут.

Другой схемотехнический метод - техника переключаемых операционных усилителей [4].

На рис. 4 представлен график зависимости постоянной времени от напряжения питания.

Рис. 4. Зависимость постоянной времени от напряжения питания

Уменьшение проектных норм позволяет получить меньшее значение постоянной времени, даже без использования специальных методов. Увеличение напряжения перегрузки, дает

значительное преимущество во всем диапазоне изменения напряжения питания.

Заключение.

На схемном уровне крайне важно максимизировать амплитуду сигнала, которая оказывает большое влияние на операционные усилители и ключи. В схемах, ограниченных шумом, использование напряжения питания меньше, чем максимально возможное не приносит каких либо преимуществ на схемном уровне. Когда точность ограничена идентичностью

конденсаторов, низкое питание может быть оправдано.

Масштабирование технологии лучше всего использовать в цифровых устройствах. Это совсем не означает перенос функции обработки сигналов из аналоговой области в цифровую, а их комбинирование в виде реализованных блоков системы. Хорошим примером является конвеерный АЦП с цифровой самокалибровкой, где масштабирование технологии делает возможным включение все более и более сложные алгоритмы цифровой калибровки в АЦП. Могут быть разработаны методы повышения

производительности и надежности аналоговых структур, аналогичные методам снижения

нелинейности и не идентичности.

Литература

1. П. Хоровиц, УХилл, «Искусство схемотехники», Москва: Мир, 1986, т. 1 - 598 стр.

2. www.chip-news.ru

3.Г.Я. Красников, «Конструктивно-технологические особенности МОП-транзисторов». Москва: Техносфера, 2002. Т.1 - 416с.

4. J. Crols, M. Steyaert, “Switched-opamp: an aproach to realize full CMOS switched capacitor circuits at ery low power supply voltages,” IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 29, pp. 936-924, Aug. 1994.

Воронежский государственный технический университет

INFLUENCE OF REDUCTION OF THE SUPPLY VOLTAGE ON ANALOG BLOCKS

OF ADC CHARACTERISTICS

A.V. Rusanov, Y.S. Balashov

Clause is devoted to the analysis of influence of reduction of a supply voltage of analog circuits in view of restrictions in CMOS-technology on their characteristics. The analysis will be carried out for the most important building blocks ADC: operational amplifiers and keys

Key words: MOS- switches, operation amplifiers, blocks of ADC