Собственная компенсация влияния малосигнальных параметров в каскадах на КМОП транзисторах Сергей Георгиевич Крутчинский Григорий Альбертович Свизев ТТИ ЮФУ, МНТЦ «МикАн» Таганрог

Введение (актуальность работы) Подавляющее большинство цифровых вычислительных ядер реализуется в КМОП-базисе вследствии энергоэкономичности, высокой производительности, высокого уровня интеграции, дешевизны, простоты схемотехники. Поэтому для развития и удешевления смешанных (аналого- цифровых) систем на кристалле (СнК) перспективно развитие аналоговой КМОП-микросхемотехники. Ключевой недостаток аналоговых КМОП-устройств по сравнению с биполярным потенциально более низкие усилительные и частотные свойства.

Цель работы: Разработка схемотехнических методов синтеза КМОП-каскадов с расширенным диапазоном рабочих частот, способных интегрироваться в преобразователи различного назначения (ОУ, ИУ, фильтры, конверторы импеданса, драйверы…). Основные решаемые задачи: компенсация выходной паразитной проводимости; компенсация проходной (затвор-сток) паразитной ёмкости; интеграция принципов компенсации; получение набора принципиальных схем для сравнения; моделирование; оценка результатов.

Компенсация выходной проводимости Основные преимущества каскодов в сравнении с простым каскадом с активной нагрузкой: большее усиление, расширенный диапазон частот, возможность использования более низковольтных транзисторов. Основные недостатки: увеличивается минимально необходимое напряжение питания, уменьшенная амплитуда выходного сигнала, нужна более высокоомная нагрузка. Простой каскад с активной нагрузкой: «Двойной» каскод: «n-ярусный» каскод: при примерно равных малосигнальных параметрах (μ p μ n = μ; R ip R in ) и 1/g н >> μ n-1 R i

Компенсация выходной проводимости Параметрические чувствительности:

Компенсация проходной ёмкости Базовая структура цепей компенсации:

Интеграция принципов компенсации

Результаты моделирования Основные выводы: По сравнению с исходной схемой 1 схема 2 – прирост усиления на 50 дБ; схема 3 – прирост площади усиления более чем на порядок; схема 4 – прирост усиления 50 дБ, площади усиления – почти на 2 порядка; все схемы кроме схемы 3 сохраняют первый порядок ПФ в полосе пропускания; высокая энергоэффективность (см. показатели ξ, η)

Пример реализации ОУ

Заключение Рассмотренные схемотехнические принципы компенсации позволяют создавать КМОП-каскады с высоким усилением, расширенным диапазоном рабочих частот и передаточной функцией первого порядка в полосе пропускания, при этом не увеличивая параметрические чувствительности (при собственной компенсации). Интеграция этих каскадов в аналоговые КМОП-узлы улучшает их частотные и усилительные свойства, уменьшает энергопотребление, способствует созданию смешанных СнК полностью в КМОП-базисе, удешевляет продукцию.