1译_浮栅式程控增益放大器设计_翻译

浮栅型程控增益放大器设计摘要微功率电压放大器的设计是利用多输入浮栅晶体管够成电容型反馈实现的。该放大器使用自偏压共源共栅晶体管在操作阈下以近似轨对轨输出相应电压范围的工作方式。仿真显示一个增益带宽积为72KHz的放大器，1pF的变化会使每级增益造成500nW的的功率消耗。本设计对4级程控增益放大器芯片的测量是基于1.2m功能技术确认来实现的。前言像遥感技术、生物医学植入等便携式应用通常需要在对A/D转换之前对混合信号进行滤波和放大，如图1所示。总能耗必须保持在一个最小值以保证最长的电池寿命，在这些应用中,采用亚阈值CMOS结构构成的模拟电路的方式比较新颖，因为这些电路具有供电电压低、能耗少并且能与其他标准CMOS工艺相兼容的特点。图1遥感技术和生物医疗应用领域信号处理流程微功率固定增益电流放大器通过利用电流镜技术是很容易实现的，可变电流放大器往往能以电流乘法器单元或者通过与一个可变电压源构成镜像电流源电路的形式来实现。与此相反，微功率电压放大器的实现比较困难，电压放大器常通过跨导体/跨阻抗放大器或者通过引入负反馈的运算放大器来实现。在低于阈限值的情况下，跨导体/跨阻抗型放大器有+50mV的线性变化范围，因此，这种放大器在电压波动较大的情况下并不适用。在微功耗的电路应用中采用固定电阻作为负反馈也是不可能的，因为阻抗值在MΩ量级比较难控制。另一方面，负反馈利用电容分压器扩宽了放大器的放大倍数而且仅有少量的功率消耗。这个电容分压器能利用多输入浮栅晶体管来实现。电路结构图2介绍了一个四级微功率程控增益放大器，增益放大器根据信号强度的不同可在不同的分辨率下进行采样。每一级的输出又作为下一级的输出，在本设计中，放大倍数可以实现4倍，16倍，64倍，和256倍。每级运放的输出都送入一个4转1路连接器来驱动外部电容性负载。图2包含四个固定电阻和一个4转1连接交换器的程控增益放大器每级放大倍数设定为4倍保证了电压偏置和电路噪声主要受第一级运放的影响，也就是说，在每级运放都会有少量偏移和噪声信号的叠加。事实上，我们可以考虑到把电压偏移作为总噪声信号的直流成分，使得输入噪声2niV包括输入偏移电压。设Vi为输入信号，第i级运放增益设为Gi,假设各级噪声信号时独立且呈恒等分布的，则输出噪声方差2noV计算公式如下：IijG1i12j2ni2noVV（1）式（1）中I为运放总级数。因此，经计算，如果我们设计总共有四级增益放大，每级增益都为4，则第一级输出噪声均放值是占总噪声的97%。的确，第一级运放在输出噪声和电压偏移上是影响最大的一级。这种方案最主要的缺点是采用增益级联的形式增加了功率消耗和变化范围，且这些消耗与变化随着级数增加而增大。第三个因素是因为输出能轨对轨摆动导致最后一级饱和翻转。电路描述如果一个放大器采用电阻反馈，为了降低负载的影响通常采用多级级联。另一方面，电容性反馈在直流增益上是没影响的，但是，会降低其带宽，从这方面来说单级的运算放大器配置效果比较好。3.1折叠叠接式运算放大器图3是折叠叠接式运算放大器外接电容性反馈的电路原理图，采用Ｐ沟道金属氧化物的晶体管具有多级浮栅门级联输入，输入的数目对闭环放大器增益固定的情况是相同的，当其他三级信号接地时，第四级闭环增益将输出Vout受同相端输入电容的影响。输入Vin作用在所有四级非反相端输入的电容上。从理论上说，同相端不需要浮栅门，但是，同相端与反相端间需要具阻抗匹配。为了实现低功率运行，放大器被设计为阈值下限时增大晶体管体积W/L或者设置偏移电流不超过W/L*10nA来处理。图3获得4倍增益的折叠叠接式运算放大器内部结构图浮栅式晶体管多输入浮栅式晶体管常被用于模拟电路设计中以实现多种电路功能，包括低电压运算放大器，水平变档，D/A转换电路和镜像电流源电路等。单输入浮栅式晶体管常作为简单的听觉设备应用在神经形态系统领域。浮栅式晶体管的建模是建立在电荷守恒的基础上的。参见图4，图4是一个4输入浮栅门在浮栅门上的的平衡电压计算公式如下：sumdssumCQCVCVCCVVVVCV))(fgoxfdfg4321fgFG（2）oxfbfdfsfg4CCCCCCsum其中fgC是四个输入端的电容，fsC，fdC和fbC分别是场效应管的院级，漏极和栅极上的旁路电容，分别的，oxC是硅表层的氧化层电容，当所有的电压为零时和fgQ变为存数在浮栅门中，在（2）式中,所有电压都以栅极电压为作为参考电压。一些技术通常使用编程来改变存放在浮栅门中的fgQ：如隧道效应技术，热电子注入技术，以及紫外线照明技术等。前两项技术需要对其进行编程控制提供比供电电压更高的电压，并且他们具有持续更新的优势。第三项技术，即紫外（UV）照明技术,对于浮栅极的电压变化通常采取执行脱机移除的方式。电路工作时，我们的目标是设定fgQ=0,然后使得fgQ尽可能小的影响输入电压偏移值。因此，该可以应用于紫外照明技术。图4浮栅式晶体管电路模型自偏浮栅式折叠叠接式运算放大器图3中的放大器需要四个偏置电压，两个P，BV和N，BV能够很容易的由镜像电流源电路产生，剩下的两个电压P，CV和N，CV当晶体管工作在阈限值外时很难保持稳定。所以，为了减小电压偏移值同时扩宽放大倍数的输出范围，自偏共栅共源式镜像电流源电路是受限制的。图5为阈限值范围外采用CMOS工艺技术构成的浮栅型折叠叠接式运算放大器，共栅共源式晶体管和共源式晶体管的长宽比为50:1。这么大的长宽比是为了保证共源式晶体管能在饱和区正常工作。结论这个芯片采用了1.2um2-polyCMOS工艺,采用5级MOS模型在T-SPICE环境下仿真设计电路，电路能在阈限值外也能得到精确测量结果，芯片测量是采用HP54520示波器来实现的。表1总结了自偏浮栅式折叠叠接式运算放大器的相关测试数据，图5为差分输入对有100nA偏移且供电电压设置范围为2.5V条件下的电路原理图。图5增益为4的自偏浮栅式折叠叠接式运算放大器因此，总功率损耗仅仅为每级500nW，在电路仿真时，当驱动1pF负载时是可以实现增益带宽积为72KHz的。放大器的芯片测量是在相似条件下仿真得到的，增加电容性负载除外，估计值为5pF，焊盘，引脚，测量仪器上的寄生电容使其利用范围更宽。表1放大器测试结果参数仿真值实测值电源电压1.25V1.25V偏置电流100nA107nA功耗500nW535nW电容性负载1pF~5pF输入范围+0.4~+1.25V——输出范围1.05V1.05V开环增益77dB——增益带宽积72kHz13kHz相补角59O——转换速率.024V/us.005V/mus图6为程控增益放大器芯片测试曲线图，图6的（a）图显示，通过编程控制使其保持增益为4，输入信号为峰峰值600mV，频率200Hz的正弦信号，输出幅度峰峰值为2.35V，也就是说，正电压和负电压间有75mV跳转，经计算可知增益值为3.92，或包含有2%的预期增益，图6的（b）图中，编程控制增益值保持为16倍，在此情况下输入电压峰峰值降低到145mV然而输出测量峰峰值为2.26V，经计算可知增益值为15.6，有2.5%的测量误差，图6的波形图证实了本设计对电压增益进行编程控制的方式是可以实现的。在芯片布局中，第二层的金属层被用作屏蔽层来屏蔽以上所有有源的电路，除了浮栅型晶体管。我们把芯片放置在静电敏感泡沫上，把它暴露在紫外线照射下来去除浮栅电荷Qfg。在三小时紫外线照射过程中，输入偏置电压出现出现从初始值-1V呈指数下降到将近-100mV。图6可编程增益放大器的测量：（a）4倍增益（b）16增益总结和讨论总的来说，微功率电压放大可以以多输入浮栅晶体管的形式，使用电容反馈来实现。建议放大增益器使用自适应级联电流镜来操作亚阈值附近的轨到轨输出电压摆幅。每一增益级的功耗只有500nW。当驱动一个1pF负载时一个单级的模拟产生72kHz的增益带宽积。芯片测量结果显示可编程电压增益和设计的轨到轨操作。目前还不清楚为什么输入偏置电压不接近0mV在响应紫外线照射时。偏置较大的可能原因是损坏的氧化栅极或者改暴露晶体管的变阈值电压，布局的错误，或者模拟中没有发现的错误。进一步调查和测试是必须的。在芯片测量过程中，垫针和仪器的寄生电容大大减小了放大器的带宽。显然，轨到轨单位增益电压缓冲器驱动示波器探头或者其他外部芯片负载性质是有好处的。这种缓冲设计已经被设计，制造和测试，并会在此芯片的后续版本将被纳入。