CZ201619A3 - Podprahový bulk-driven kruhový zesilovač pro aplikace s nízkým napájecím napětím - Google Patents

Abstract

Bulk-driven kruhový zesilovač obsahuje první bulk-driven invertor (Inv.sub.1.n.) zahrnující první a druhý tranzistor (M.sub.1.n., M.sub.2.n.), druhý primární bulk-driven invertor (Inv.sub.21.n.) zahrnující třetí a čtvrtý tranzistor (M.sub.3.n., M.sub.4.n.), druhý sekundární bulk-driven invertor (Inv.sub.22.n.) zahrnující pátý a šestý tranzistor (M.sub.5.n., M.sub.6.n.) a třetí invertor (Inv.sub.3.n.) zahrnující sedmý a osmý tranzistor (M.sub.7.n., M.sub.8.n.). Hradla source (S) prvního, třetího, pátého a sedmého tranzistoru (M.sub.1.n., M.sub.3.n., M.sub.5.n., M.sub.7.n.), a hradlo bulk (B) sedmého tranzistoru (M.sub.7.n.) jsou vyvedena na svorku napájecího napětí (V.sub.DD.n.). Hradla source (S) druhého, čtvrtého, šestého a osmého tranzistoru (M.sub.2.n., M.sub.4.n., M.sub.6.n., M.sub.8.n.), a hrdlo bulk (B) osmého tranzistoru (M.sub.8.n.) jsou uzemněna. Hradlo gate (G) prvního tranzistoru (M.sub.1.n.) je vyvedeno na svorku prvního předpětí (V.sub.B1.n.). Hradla gate (G) druhého, čtvrtého a šestého tranzistoru (M.sub.2.n., M.sub.4.n., M.sub.6.n.) jsou vyvedena na svorku druhého předpětí (V.sub.B2.n.). Hradlo gate (G) třetího tranzistoru (M.sub.3.n.) je vyvedeno na svorku třetího předpětí (V.sub.B3.n.). Hradlo gate (G) pátého tranzistoru (M.sub.5.n.) je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí (V.sub.B4.n.). Hradla bulk (B) prvního a druhého tranzistoru (M.sub.1.n., M.sub.2.n.) jsou vyvedena na svorku vstupního napětí (V.sub.in.n.). Hradla drain (D) prvního a druhého tranzistoru (M.sub.1.n., M.sub.2.n.) a hradla bulk (B) třetího, čtvrtého, pátého a šestého tranzistoru (M.sub.3.n., M.sub.4.n., M.sub.5.n., M.sub.6.n.) jsou vzájemně propojena. Hradla drain (D) třetího a čtvrtého tranzistoru (M.sub.3.n., M.sub.4.n.) a hradlo gate (G) sedmého tranzistoru (M.sub.7.n.) jsou vzájemně propojena. Hradla drain (D) pátého a šestého tranzistoru (M.sub.5.n., M.sub.6.n.) a hradlo gate (G) osmého tranzistoru (M.sub.8.n.) jsou vzájemně propojena. Hradla drain (D) sedmého a osmého tranzistoru (M.sub.7.n., M.sub.8.n.) jsou vyvedena na svorku výstupního napětí (V.sub.out.n.).

Description

Podprahový bulk-driven kruhový zesilovač pro aplikace s nízkým napájecím napětím Oblast techniky

Vynález se týká podprahového bulk-driven kruhového zesilovače pro aplikace s nízkým napájecím napětím.

Dosavadní stav techniky

Kruhový zesilovač je relativně nový obvodový princip, který byl vyvinut ze známého kruhového oscilátoru. Kruhový zesilovač lze popsat jako kaskádní zapojení i-stupňového zesilovacího invertoru a zatěžovacího kapacitoru Cl na výstupu kruhového zesilovače, a proto ho lze považovat za kruhový oscilátor s otevřenou smyčkou.

Obr. 1 znázorňuje příklad kruhového zesilovače skládajícího se ze tří kaskádních invertoru Invi. Inv2. Inv3. zatímco obr. 2 znázorňuje jeho ekvivalentní malosignálový model, pomocí kterého lze vyjádřit napěťové zesílení Av(s) kruhového zesilovače podle níže uvedeného vzorce (1) 4M-, cy"cV c.1 (1)

1+í—— | 1+s—— J1+5—— I s. 8ol A. &o2 A, 8o3) kde:

Av(s) je napěťové zesílení obvodu v závislosti na frekvenci,

Ci je parazitní kapacita prvního invertoru Invi. C2 je parazitní kapacita druhého invertoru Inv2.

Cl· je suma zatěžovací kapacity Cl a parazitní kapacity třetího invertoru Invs, g0i je výstupní vodivost prvního invertoru Invi. go2 je výstupní vodivost druhého invertoru Inv2. go3 je výstupní vodivost třetího invertoru Inv3.

Avo je stejnosměrné napěťové zesílení obvodu s otevřenou smyčkou daného vzorcem (2) yf _ Sm\ SmiSmS ^2)

So\&o2Šo3 kde: 9mi je transkonduktance prvního invertoru Invi. gm2 je transkonduktance druhého invertoru Inv2, gm3 je transkonduktance třetího invertoru Inv3. 9oi je výstupní vodivost prvního invertoru Invi. go2 je výstupní vodivost druhého invertoru Inv2. go3 je výstupní vodivost třetího invertoru Inv3.

Obvod má dle rovnice (1) tři póly pí, p2, p3 spojené s každým stupněm zesilovače, jejich polohy jsou dány vzorcem: Λ-ψ.Ρ,-ψ-,Ρ,-ψ- (3)

Cj C3 Cj^i kde: goi je výstupní vodivost prvního invertoru Invi. g02 je výstupní vodivost druhého invertoru Inv2. go3 je výstupní vodivost třetího invertoru lnv3. C1 je parazitní kapacita prvního invertoru Invi. C2 je parazitní kapacita druhého invertoru Inv2.

Cl1 je suma zatěžovací kapacity Cl, a parazitní kapacity třetího invertoru Inv3.

Klíčovým bodem kruhového zesilovače je kompenzace frekvenční charakteristiky celkové struktury, jinak řečeno splnit podmínku |p3| « |pi|, |p2|. Této podmínky lze dosáhnout stanovením velké hodnoty zatěžovací kapacity Cl anebo malé hodnoty výstupní vodivosti třetího invertoru go3. Tímto způsobem je splněno tzv. „Bodovo kritérium stability" s dostatečně velkou fázovou rezervou, a to za předpokladu, že první a druhý pól pí, p2 je umístěn na velmi vysokých frekvencích, vyšších než šířka pásma GBW, tj. „Gain bandwidth”, kruhového zesilovače. Když oba póly |pi| a |p2| jsou větší než šířka pásma GBW, pak jeho hodnotu lze aproximovat pomocí vzorce (4) GBW = a>piAvo (4) kde: ωΡ3 je úhlová frekvence třetího pólu p3,

Avo je stejnosměrné napěťové zesílení obvodu s otevřenou smyčkou.

Vzhledem k malosignálové vlastnosti kruhového zesilovače je patrné, že zvýšení hodnoty zatěžovací kapacity Cl zlepšuje stabilitu obvodu, protože pól p3 bude přemístěn směrem k nižším frekvencím. Je rovněž patrné, že je šířka pásma GBW omezena hlavně lokalitou prvního a druhého pólu pí, p2, tedy GBW< —, GBW<^1 (5) Q c2 kde: g0i je výstupní vodivost prvního invertoru Invi, g02 je výstupní vodivost druhého invertoru Inv2.

Ci je parazitní kapacita prvního invertoru lnvi. C2 je parazitní kapacita druhého invertoru Inv2. Z tohoto důvodu by měly být frekvence pólů pí a p2 tak velké, jak je to jen možné. To vyžaduje malé parazitní kapacity, což znamená použít velmi malé rozměry MOS tranzistoru.

Dosavadní kruhové zesilovače nejsou schopny pracovat s velmi nízkým napájecím napětím a z důvodu nutnosti zajištění stability zesilovače používají další obvody se spínanými kapacitory, což zvyšuje složitost struktury kruhového zesilovače, zvyšuje celkovou spotřebu a celkovou plochu obvodu na čipu. Dosavadní kruhové zesilovače proto nejsou vhodné pro moderní aplikace, obzvláště ty biomedicínské, vyžadující velmi nízké napájecí napětí a nízkou spotřebu. Cílem vynálezu je představit podprahový bulk-driven kruhový zesilovač, který by výše uvedené nedostatky stavu techniky odstranil.

Podstata vynálezu Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry bulk-driven kruhový zesilovač jehož podstata spočívá vtom, že obsahuje první bulk-driven invertor zahrnující první a druhý tranzistor, druhý primární bulk-driven invertor zahrnující třetí a čtvrtý tranzistor, druhý sekundární bulk-driven invertor zahrnující pátý a šestý ranzistor, a třetí invertor zahrnující sedmý a osmý tranzistor, kde hradla source irvního, třetího, pátého a sedmého tranzistoru, a hradlo bulk sedmého tranzistoru sou vyvedena na svorku napájecího napětí, hradla source druhého, čtvrtého, >estého a osmého tranzistoru, a hradlo bulk osmého tranzistoru jsou uzemněna, iradlo gate prvního tranzistoru je vyvedeno na svorku prvního předpětí, hradla gate druhého, čtvrtého a šestého tranzistoru jsou vyvedena na svorku druhého předpětí, iradlo gate třetího tranzistoru je vyvedeno na svorku třetího předpětí, hradlo gate sátého tranzistoru je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí, hradla bulk prvního a druhého tranzistoru jsou vyvedena na svorku vstupního napětí, hradla drain prvního 3 druhého tranzistoru, a hradla bulk třetího, čtvrtého, pátého a šestého tranzistoru sou vzájemně propojena, hradla drain třetího a čtvrtého tranzistoru a hradlo gate sedmého tranzistoru jsou vzájemně propojena, hradla drain pátého a šestého ranzistoru a hradlo gate osmého tranzistoru jsou vzájemně propojena, hradla drain sedmého a osmého tranzistoru jsou vyvedena na svorku výstupního napětí.

Ve výhodném provedení je přes svorku napájecího napětí, přes svorku Drvního předpětí, přes svorku druhého předpětí, přes svorku třetího předpětí a přes svorku čtvrtého předpětí připojen řídicí obvod obsahující nastavovací obvod dále obsahující první proudový zdroj a jedenáctý tranzistor, obvod první repliky dále obsahující čtvrtý proudový zdroj, třetí kapacitor a devátý, desátý, dvacátý druhý, dvacátý třetí a dvacátý čtvrtý tranzistor, obvod druhé primární repliky dále obsahující druhý proudový zdroj, první kapacitor a dvanáctý až šestnáctý tranzistor, a obvod druhé sekundární repliky dále obsahující třetí proudový zdroje, druhý kapacitor a sedmnáctý až dvacátý první tranzistor, přičemž kladná svorka prvního proudového zdroje je vyvedena na svorku napájecího napětí, hradlo bulk jedenáctého tranzistoru e vyvedena na svorku souhlasného napětí, hradlo gate a hradlo drain jedenáctého tranzistoru a záporná svorka prvního proudového zdroje jsou vyvedeny na svorku druhého předpětí, hradlo source jedenáctého je uzemněno, hradla source devátého a dvacátého druhého tranzistoru a kladný kontakt čtvrtého proudového zdroje jsou vyvedeny na svorku napájecího napětí, hradlo gate devátého tranzistoru, hradlo drain dvacátého čtvrtého tranzistoru, záporný kontakt třetího kapacitoru a záporný <ontakt čtvrtého proudového zdroje jsou vyvedeny na svorku prvního předpětí, hradla source desátého, dvacátého třetího a dvacátého čtvrtého tranzistoru, a hřada bulk dvacátého čtvrtého jsou uzemněna, hřada bulk devátého a desátého tranzistoru jsou i/yvedena na svorku souhlasného napětí, hradlo drain devátého a desátého tranzistoru, hradla bulk dvacátého druhého a dvacátého třetího tranzistoru a kladná svorka třetího kapacitoru jsou vzájemně propojeny, hradla drain dvacátého druhého a dvacátého třetího tranzistoru a hradlo gate dvacátého čtvrtého tranzistoru jsou vzájemně propojeny, hradla gate desátého a dvacátého třetího tranzistoru jsou vyvedeny na svorku druhého předpětí, hradlo gate dvacátého druhého tranzistoru je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí, hradla source třináctého, čtrnáctého a šestnáctého tranzistoru a hradlo bulk čtrnáctého tranzistoru jsou vyvedena na svorku napájecího napětí, hradlo gate třináctého tranzistoru, hradla drain patnáctého a šestnáctého tranzistoru, a záporný kontakt prvního kapacitoru jsou vyvedeny na svorku třetího předpětí, hradla source dvanáctého a patnáctého tranzistoru, a záporný kontakt druhého proudového zdroje jsou uzemněny, hřada bulk dvanáctého a třináctého tranzistoru jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí, hradla drain dvanáctého a třináctého tranzistoru, a hradlo gate čtrnáctého tranzistoru jsou vzájemně propojeny, hradlo drain čtrnáctého tranzistoru, hradla bulk patnáctého a šestnáctého tranzistoru, kladná svorka druhého proudového zdroje a kladná svorka prvního kapacitoru jsou vzájemně propojeny, hradla gate dvanáctého a patnáctého tranzistoru jsou vyvedena na svorku druhého předpětí, hradlo gate šestnáctého tranzistoru je vyvedeno na svorku prvního předpětí, hradla source osmnáctého a dvacátého tranzistoru, a kladná svorka třetího proudového zdroje jsou vyvedeny na svorku napájecího napětí, hradla source sedmnáctého, devatenáctého a dvacátého prvního tranzistoru, a hradlo bulk devatenáctého tranzistoru jsou uzemněna, hradla bulk sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí, hradlo gate osmnáctého tranzistoru, hradla drain dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru a kladná svorka druhého kapacitoru jsou vyvedeny na svorku čtvrtého předpětí, hradla drain sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru, a hradlo gate devatenáctého tranzistoru jsou vzájemně propojena, hradlo drain devatenáctého tranzistoru, hradla bulk dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru, záporná svorka třetího proudového zdroje a záporná svorka druhého kapacitoru jsou vzájemně propojeny, hradla gate sedmnáctého a dvacátého prvního tranzistoru jsou vyvedena na svorku druhého předpětí, hradlo gate dvacátého tranzistoru je vyvedeno na svorky prvního předpětí.

Objasnění výkresů

Vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje kruhový zesilovač podle dosavadního stavu techniky, obr. 2 představuje ekvivalentní malosignálový model kruhového zesilovače zobrazeného na obr. 1, obr. 3 představuje bulk-driven kruhový zesilovač podle vynálezu, obr. 4 představuje řídicí obvod bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, obr. 5 představuje frekvenční a fázovou charakteristiku bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, obr. 6 představuje časovou charakteristiku výstupního napětí bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, a obr. 7 představuje časovou charakteristika drain proudů sedmého a osmého tranzistoru u třetího invertoru bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu. Příklad uskutečnění vynálezu

Schématické zapojení bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu je představeno na obr. 3 a obsahuje první bulk-driven invertor jnvi zahrnující první a druhý tranzistor Mi, Ma, druhý primární bulk-driven invertor Inv2i zahrnující třetí a čtvrtý tranzistor Mg, M4, druhý sekundární bulk-driven invertor Inv22 zahrnující pátý a šestý tranzistor M§, Mg, a třetí invertor Irm zahrnující sedmý a osmý tranzistor Mz, Ma.

Hradla source S prvního, třetího, pátého a sedmého tranzistoru Mi, Ma, Mg, Mz, a hradlo bulk B sedmého tranzistoru Mz jsou vyvedena na svorku napájecího napětí Vdd.

Hradla source S druhého, čtvrtého, šestého a osmého tranzistoru Mg, Má, Mg, Ma. a hradlo bulk B osmého tranzistoru Mg jsou uzemněna.

Hradlo gate G prvního tranzistoru Mi je vyvedeno na svorku prvního předpětí Vbi.

Hradla gate G druhého, čtvrtého a šestého tranzistoru M2, Mt, Me jsou vyvedena na svorku druhého předpětí Vb?.

Hradlo gate G třetího tranzistoru Maje vyvedeno na svorku třetího předpětí Vb3.

Hradlo gate G pátého tranzistoru M§ je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí VB4.

Hradla bulk B prvního a druhého tranzistoru Ml· Ma jsou vyvedena na svorku vstupního napětí Vin bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu.

Hradla drain D prvního a druhého tranzistoru Μι, M2, a hradla bulk B třetího, čtvrtého, pátého a šestého tranzistoru M3, M4, Mg, Mg jsou vzájemně propojena.

Hradla drain D třetího a čtvrtého tranzistoru M3, M4 a hradlo gate G sedmého tranzistoru M7 jsou vzájemně propojena.

Hradla drain D pátého a šestého tranzistoru Ms. Μβ a hradlo gate G osmého tranzistoru Mg jsou vzájemně propojena.

Hradla drain D sedmého a osmého tranzistoru JM7, Mg jsou vyvedena na svorku výstupního napětí Vouj bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu.

První až šestý tranzistor Ml - M§ je řízen hradlem bulk B. Jelikož jsou bulk-driven tranzistory vhodné pro aplikace pracující s velmi nízkým napájecím napětím pod 0,5 V, odstraňují prahové napětí ze signálových cest a tím zvyšují rozsah vstupního napěťového signálu na rail-to-rail. Sedmý a osmý tranzistor Mz, Ms je řízen hradlem gate G za účelem zvýšení maximální hodnoty výstupního proudu. Sedmý a osmý tranzistor M7, M§ může být ovšem řízen rovněž hradlem bulk B. V takovém případě by však byl maximální výstupní proud pouze několikrát větší než referenční proud sedmého a osmého tranzistoru jVb, Mg, a vzhledem k tomu, že referenční proud je kvůli stabilitě nastaven velmi malý, maximální amplituda výstupního signálu by byla přísně omezena.

Největší problém bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu je nastavení a stabilizace pracovního bodu, především stabilizace referenčních proudů MOS tranzistorů v závislosti na procesním a napájecím napětí a teplotních odchylkách PVT, tj. „Process Voltage Temperature". Tyto PVT odchylky následně způsobují výchylky pólů pi-p3 zesilovače, což má za následek vážné problémy s jeho stabilitou. Za účelem překonání výše uvedeného problému a poskytnutí dostatečně přesné stabilizace referenčních proudů všech invertorů bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu je pro jeho řízení výhodně použit řídicí obvod představený na obr. 4.

Obr. 4 představuje řídicí obvod bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, na obrázku rozdělený na dvě elektricky propojené části, který obsahuje nastavovací obvod Bias. obvod první repliky Repi, obvod druhé primární repliky ReP2i a obvod druhé sekundární repliky ReP22.

Nastavovací obvod Bias slouží k nastavení referenčního proudu pro druhý, čtvrtý, šestý, desátý, dvanáctý, patnáctý, sedmnáctý, dvacátý první a dvacátý třetí tranzistor M2, M4, M§, jVho, M12, JM15, M17, M21, JVI23. Každý z těchto tranzistorů tvoří s jedenáctým tranzistorem Mu proudové zrcadlo, proto lze referenční proudy těchto tranzistorů nastavit pomocí poměru šířky a délky daného tranzistoru ku poměru šířky a délky jedenáctého tranzistoru Mu.

Nastavovací obvod Bias obsahuje první proudový zdroj Zi a jedenáctý tranzistor jVhi·

Kladná svorka prvního proudového zdroje Za je vyvedena na svorku napájecího napětí Vdd.

Hradlo bulk B jedenáctého tranzistoru Mu je vyvedena na svorku souhlasného napětí Vcm.

Hradlo gate G a hradlo drain D jedenáctého tranzistoru Mu a záporná svorka prvního proudového zdroje Za jsou vyvedeny na svorku druhého předpětí Vb2.

Hradlo source S jedenáctého Mu ie uzemněno.

První replika Reoi řídicího obvodu slouží ke stabilizaci referenčního proudu prvního, druhého tranzistoru Ml. Mz a k potlačení změny napájecího napětí, označované jako PSRR, tj. „Power supply rejection ratio".

První replika Repi řídicího obvodu obsahuje čtvrtý proudový zdroj Za, třetí kapacitor Cc3 a devátý, desátý, dvacátý druhý, dvacátý třetí a dvacátý čtvrtý tranzistor Ma. Mis. M22, Mas. Mm-

Hradla source S devátého a dvacátého druhého tranzistoru Mta. M22 a kladný kontakt čtvrtého proudového zdroje Z* jsou vyvedeny na svorku napájecího napětí Vdd.

Hradlo gate G devátého tranzistoru Ms. hradlo drain D dvacátého čtvrtého tranzistoru M24, záporný kontakt třetího kapacitoru Ccs a záporný kontakt čtvrtého proudového zdroje Za jsou vyvedeny na svorku prvního předpětí Vgi.

Hradla source S desátého, dvacátého třetího a dvacátého čtvrtého tranzistoru M10· M23. M24. a hřada bulk B dvacátého čtvrtého M24 jsou uzemněna. Hřada bulk B devátého a desátého tranzistoru Ms. Mio jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí Vcm.

Hradlo drain D devátého a desátého tranzistoru Mš. Mis. hradla bulk B dvacátého druhého a dvacátého třetího tranzistoru M22. M23 a kladná svorka třetího kapacitoru Ccs jsou vzájemně propojeny.

Hradla drain D dvacátého druhého a dvacátého třetího tranzistoru M22, MžS a hradlo gate G dvacátého čtvrtého tranzistoru M24 jsou vzájemně propojeny.

Hradla gate G desátého a dvacátého třetího tranzistoru Mis, M23 jsou vyvedeny na svorku druhého předpětí Vgg.

Hradlo gate G dvacátého druhého tranzistoru M22 je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí Vb4.

Devátý a desátý tranzistor Mg, jVHo tvoří repliku prvního a druhého tranzistoru Mi, Mg, dvacátý druhý a dvacátý třetí tranzistor M22, M23 tvoří první stupeň zesilovače a dvacátý čtvrtý tranzistor M24 tvoří druhý stupeň zesilovače. Účelem tohoto dvoustupňového zesilovače je poskytovat vetší napěťové zesílení první repliky Repi a tím zvýšit její přesnost. Výstupní první předpětí V§i první repliky Repi je přivedeno na hradlo gate G devátého tranzistoru Mg, čímž se vytváří negativní zpětné vazby, které vynutí napětí na hradle D devátého a desátého tranzistoru Mg, M10 i na hradle D prvního a druhého tranzistoru JMi, M2, aby se rovnalo souhlasnému napětí Vcm. a to bez ohledu na odchylky PVT. Čtvrtý referenční proud Ιβ* první repliky Reoi nastavuje proud dvacátého čtvrtého tranzistoru Mm·

Referenční proud devátého a desátého tranzistoru Mg, Mis je nastaven prostřednictvím druhého předpětí V§2, a jeho hodnotu lze nastavit pomocí poměru šířky a délky desátého a jedenáctého tranzistoru Mio, Mu. tj. (W/L)mio/(W/L)mh, kde W je šířka daného tranzistoru a L je délka daného tranzistoru. Třetí kapacitor Cca poskytuje frekvenční kompenzaci první repliky Reoi.

Vzhledem k tomu, že první a druhé předpětí Vbi, Vb2 řídicího obvodu jsou rovněž přiváděna do bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, pak referenční proudy prvního a druhého tranzistoru Ml. M2 jsou stejné jako u jim odpovídajících replik tranzistorů řídícího obvodu.

Druhá primární replika ReP2i řídicího obvodu slouží k nastavení a stabilizaci referenčního proudu třetího a sedmého tranzistoru Ml, JV!z·

Druhá primární replika ReP2i řídicího obvodu obsahuje druhý proudový zdroj Zg, první kapacitor Csi a dvanáctý až šestnáctý tranzistor M12-M16·

Hradla source S třináctého, čtrnáctého a šestnáctého tranzistoru Ml3. Mlá, Mis a hradlo bulk B čtrnáctého tranzistoru Mlá jsou vyvedena na svorku napájecího napětí VDfi.

Hradlo gate G třináctého tranzistoru Mis, hradla drain D patnáctého a šestnáctého tranzistoru JVIis, Mis. a záporný kontakt prvního kapacitoru Cci jsou vyvedeny na svorku třetího předpětí V|g.

Hradla source S dvanáctého a patnáctého tranzistoru Mlž. Mis. a záporný kontakt druhého proudového zdroje Z2 jsou uzemněny. Hřada bulk B dvanáctého a třináctého tranzistoru M12, Ml3 jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí Vcm.

Hradla drain D dvanáctého a třináctého tranzistoru M12, Mis. a hradlo gate G čtrnáctého tranzistoru j\^n jsou vzájemně propojeny.

Hradlo drain D čtrnáctého tranzistoru Mlá. hradla bulk B patnáctého a šestnáctého tranzistoru Mlž. Ml§. kladná svorka druhého proudového zdroje Z2 a kladná svorka prvního kapacitoru Cgijsou vzájemně propojeny.

Hradla gate G dvanáctého a patnáctého tranzistoru M12, Mls jsou vyvedena na svorku druhého předpětí V§2.

Hradlo gate G šestnáctého tranzistoru Mu j® vyvedeno na svorku prvního předpětí Vsi.

Dvanáctý a třináctý tranzistor Mil, Mis tvoří repliku třetího a čtvrtého tranzistoru M3, Má. a čtrnáctý tranzistor Mlá tvoří repliku sedmého tranzistoru M7. Druhý referenční proud l§2 druhé primární repliky ReP2i nastavuje proud čtrnáctý tranzistoru Mlá a následně referenční proud sedmého tranzistoru Mz· Patnáctý a šestnáctý tranzistor Mis, jVhe tvoří zesilovač, jehož účelem je poskytovat vetší napěťové zesílení druhé primární repliky ReP2i a tím zvýšit její přesnost. Výstupní třetí předpětí Vb3 druhé primární repliky ReP2i je přivedeno na hradlo gate G třináctého tranzistoru Mi3. čímž se vytváří negativní zpětné vazby, které vynutí saturační referenční proud čtrnáctého tranzistoru Mlá. aby byl roven druhému referenčnímu proudu l§2. Referenční proud dvanáctého a třináctého tranzistoru M12. M12 je nastaven prostřednictvím druhého předpětí V§2 a jeho hodnotu lze nastavit pomocí poměru šířky a délky dvanáctého a jedenáctého tranzistoru M12. Mu, tj. (W/L)mi2/(W/L)mh, kde W je šířka daného tranzistoru a L je délka daného tranzistoru.

První kapacitor Cci poskytuje frekvenční kompenzaci druhá primární repliky ReP2i. Vzhledem k tomu, že druhé a třetího předpětí Vb2, Vb^ řídicího obvodu jsou rovněž přiváděna do bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, pak referenční proudy třetího a čtvrtého tranzistoru M3, Má a sedmého tranzistoru Mz jsou stejné jako u jim odpovídajících replik tranzistorů řídícího obvodu.

Druhá sekundární replika ReP22 řídicího obvodu slouží k nastavení a stabilizaci referenčního proudu pátého a osmého tranzistoru M§. Ms·

Druhá sekundární replika ReD22 řídicího obvodu obsahuje třetí proudový zdroje Z3, druhý kapacitor Cc2 a sedmnáctý až dvacátý první tranzistor Miz - Mži·

Hradla source S osmnáctého a dvacátého tranzistoru Mig, M20, a kladná svorka třetího proudového zdroje Z3 jsou vyvedeny na svorku napájecího napětí Vdd.

Hradla source S sedmnáctého, devatenáctého a dvacátého prvního tranzistoru M17. M19. M21. a hradlo bulk B devatenáctého tranzistoru Mis jsou uzemněna.

Hradla bulk B sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru Miz, Mls jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí Vcm.

Hradlo gate G osmnáctého tranzistoru Mis, hradla drain D dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru JW20, Mži a kladná svorka druhého kapacitoru Cc2 jsou vyvedeny na svorku čtvrtého předpétí Vb4.

Hradla drain D sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru Miz, jMie, a hradlo gate G devatenáctého tranzistoru Mha jsou vzájemně propojena.

Hradlo drain D devatenáctého tranzistoru Mis, hradla bulk B dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru M20, M21. záporná svorka třetího proudového zdroje Z3 a záporná svorka druhého kapacitoru Cc2 jsou vzájemně propojeny.

Hradla gate G sedmnáctého a dvacátého prvního tranzistoru Miz, M21 jsou vyvedena na svorku druhého předpětí Vb2.

Hradlo gate G dvacátého tranzistoru M20 je vyvedeno na svorky prvního předpětí Vbi.

Sedmnáctý a osmnáctý tranzistor Miz, Mis tvoří repliku pátého a šestého tranzistoru Ms, Mg a devatenáctý tranzistor Mis tvoří repliku osmého tranzistoru Ma-Třetí referenční proud Ib3 druhé sekundární repliky ReP22 nastavuje proud devatenáctého tranzistoru Mis a tedy referenční proud osmého tranzistoru Ms. Dvacátý a dvacátý první tranzistor M20, M21 tvoří zesilovač určený k poskytnutí většího napěťového zesílení druhé sekundární repliky ReP22 a tím ke zvýšení její přesnosti. Výstupní čtvrté předpětí Vb4 druhé sekundární repliky ReP22 je přivedeno na hradlo gate G osmnáctého tranzistoru Mis, čímž se vytváří negativní zpětné vazby, které vynutí saturační referenční proud devatenáctého tranzistoru M19, aby byl roven třetímu referenčnímu proudu Ib3. Referenční proud sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru Miz, Mis je nastaven prostřednictvím druhého předpětí V12, a jeho hodnotu lze nastavit pomocí poměru šířky a délky sedmnáctého a jedenáctého tranzistoru Mrz, Mil, tj· (W/L)mi7/(W/L)mh, kde W je šířka daného tranzistoru a L je délka daného tranzistoru.

Druhý kapacitor Cc2 poskytuje frekvenční kompenzaci obvodu druhé sekundární repliky ReP22. Vzhledem k tomu, že druhé a čtvrté předpětí Vbs, Vb4 isou z řídicího obvodu přiváděna do obvodu kruhového zesilovače, pak referenční proudy pátého a šestého tranzistoru M§, jVjg a osmého tranzistoru Ma jsou stejné jako jim odpovídající repliky tranzistorů v řídícím obvodu.

Princip fungování bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu s řídícím obvodem je následující:

Referenční proud MOS prvního a druhého tranzistorů Μι, M2 bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu je nastaven pomocí devátého, desátého, jedenáctého, dvacátého druhého, dvacátého třetího a dvacátého čtvrtého tranzistoru Mg. M10. M11, M22. M23· M24 řídícího obvodu. Jedenáctý tranzistor M11 tvoří s druhým tranzistorem Mž proudové zrcadlo. Z tohoto důvodu je proud MOS prvního a druhého tranzistoru Ml. Mž prvního invertoru Invi rovněž prvním referenčním proudem Jbi-Za účelem zajištění stability bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu, jak bylo již výše uvedeno, musí se třetí pól p3 třetího invertoru jnv3 nacházet v mnohem nižší frekvencí než první pól pí prvního invertoru Invi a druhý pól p2 druhého invertoru Inv2. To má za následek velmi nízkou výstupní vodivost go3 třetího invertoru lm/3: s,3<Kf-SL,ga<Klf-SL (6)

Avo Cj Ay0 L*2 kde: g03 je výstupní vodivost třetího invertoru Inv3. K je konstanta závislá na předpokládané fázové rezervě kruhového zesilovače, g0i je výstupní vodivost prvního invertoru Invi, go2 je výstupní vodivost druhého invertoru Inv2. C1 je parazitní kapacita prvního invertoru Invi. C2 je parazitní kapacita druhého invertoru Inv2.

Avo je stejnosměrné napěťové zesílení obvodu s otevřenou smyčkou,

Cl je zatěžovací kapacitor.

Aby bylo dosaženo velmi nízké hodnoty výstupní vodivosti go3 třetího invertoru Inv3. hodnota referenčního proudu tranzistorů třetího invertoru lnys musí být mnohem nižší než hodnota referenčních proudů prvního, druhého primárního a druhého sekundárního invertoru jnvi, Inv2i. Inv22.

Referenční proud třetího invertoru Invg je stabilizován pomocí dvanáctého až dvacátého prvního tranzistoru JMha - M21 řídicího obvodu. Jak je výše uvedeno, druhý invertor invg zobrazený na obr. 1 je na obr. 3 rozdělen na dva invertory, tj. na druhý primární invertor lm/21 a na druhý sekundární invertor lnv22. a díky tomu referenční proudy, jak pro sedmý tranzistor Mz, tak pro osmý tranzistor Ms třetího invertoru Inv3 jsou regulovány nezávisle pomocí řídicího obvodu. To umožňuje nastavení různých potenciálů na hradlech gate G sedmého a osmého tranzistoru Mz a Me třetího invertoru ]nyg, což je povinná podmínka pro kompenzaci procesního a napájecího napětí a teplotních odchylek.

Kruhový zesilovač představený na obr. 2 a 3 byl simulován za použití technologie 0,18 pm triple-well. Technologie triple-well umožňuje používat hradla bulk B u každého tranzistoru zvlášť, a tak může být potenciál každého hradla bulk B odlišný. Napájecí napětí Vdd bylo nastaveno na 0,5 V a souhlasné napětí Vcm bylo nastaveno na polovinu napájecího napětí, tedy 0,25 V. Délkový a šířkový poměr W/L tranzistorů používaných pro simulaci, v případě prvního, druhého, devátého až jedenáctého, patnáctého, šestnáctého, dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru Μι, M2, Mg - Mu, JWig, Mis, MžS, M21 ie 100/0,5 pm/pm, a v případě třetího až osmého, dvanáctého až čtrnáctého, sedmnáctého až devatenáctého a dvacátého druhého až dvacátého čtvrtého tranzistoru JVjg - Mg, M12 -Mi4. Miz - Mis, M22 - JM24 je 10/0,5 pm/pm, kde hodnota kapacity prvního, druhého a třetího kapacitoru Cci, Cci, Cg3 je 5 pF, hodnota prvního referenčního proudu Ibi je 5 pA, a hodnota druhého, třetího a čtvrtého referenčního proudu Igg, Ib3, ]§4 je 10 nA. Referenční proud pro první invertor Invi se rovná 5 pA, pro druhý primární a sekundární invertor Inv2i. Inv22 se rovná 0,5 pA a pro třetí invertor Invg se rovná 10 nA.

Obr. 5 ukazuje frekvenční a fázovou charakteristiku kruhového zesilovače podle vynálezu v otevřené smyčce, který je zatížen zatěžovacím kapacitorem Clo hodnotě 20 pF. Z obr. 5 je patrné stejnosměrné napěťové zesílení Avo o velikosti 90 dB, šířka pásma GBW o velikosti 120 kHz a fázová rezerva o velikosti 57°. Z tohoto důvodu lze konstatovat, že obvod je stabilní pro malé signály. Stojí za zmínku, že daná šířka pásma GBW je dostačující pro zpracování biologických signálů, jelikož frekvence těchto signálů jsou v rozmezí desetin hertzů až desítek kilohertzů.

Obr. 6 zobrazuje výstupní časovou charakteristiku kruhového zesilovače podle vynálezu v invertujícím zapojení se zpětnovazebním rezistorem o hodnotě 500 kO a zatěžovacím kapacitorem Cj, o hodnotě 20 pF, zatímco obr. 7 ukazuje proudy drain výstupního sedmého a osmého tranzistoru Mz, M§ třetího invertoru lnya pro stejný typ zapojení. Obvod byl vybuzen vstupním sinusovým signálem s frekvencí 1 kHz a amplitudou 50 mV. Je třeba poukázat na velkou maximální hodnotu výstupního proudu, která je 100 nA, ve srovnání s velmi nízkou hodnotou referenčního proudu sedmého a osmého tranzistoru Ml. M§ třetího invertoru Inv3, který je 10 nA. Základní parametry kruhového zesilovače podle vynálezu při hodnotě zatěžovacího kapacitoru Cl = 20 pF, a teplotě t = 27 °C jsou shrnuty v níže uvedené tabulce:

Výhodou bulk-driven kruhového zesilovače podle vynálezu ve srovnání s řešeními známými ze stavu techniky je velmi nízké napájecí napětí o hodnotě 0,5 V, nízká spotřeba o hodnotě 3 pWa vysoké zesílení o hodnotě 90 dB, viz výše uvedená tabulka.

Claims (2)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Bulk-driven kruhový zesilovač^ vyznačující se tím, že obsahuje první bulk-driven invertor (Invi) zahrnující první a druhý tranzistor (Mi, M2), druhý primární bulk-driven invertor (Inv2i) zahrnující třetí a čtvrtý tranzistor (M3, M4), druhý sekundární bulk-driven invertor (Inv22) zahrnující pátý a šestý tranzistor (Μβ, Me), a třetí invertor (Inv3) zahrnující sedmý a osmý tranzistor (M7, Ms), kde: - hradla source (S) prvního, třetího, pátého a sedmého tranzistoru (Μι, M3, Ms, M7), a hradlo bulk (B) sedmého tranzistoru (M7) jsou vyvedena na svorku napájecího napětí (Vdd), - hradla source (S) druhého, čtvrtého, šestého a osmého tranzistoru (M2, IVU, Me, Me), a hradlo bulk (B) osmého tranzistoru (Me) jsou uzemněna, - hradlo gate (G) prvního tranzistoru (Mi) je vyvedeno na svorku prvního předpětí (Vbi), - hradla gate (G) druhého, čtvrtého a šestého tranzistoru (M2, M4, Me) jsou vyvedena na svorku druhého předpětí (Vb2), - hradlo gate (G) třetího tranzistoru (M3) je vyvedeno na svorku třetího předpětí (Vb3), - hradlo gate (G) pátého tranzistoru (Μδ) je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí (Vb4), - hradla bulk (B) prvního a druhého tranzistoru (Μι, M2) jsou vyvedena na svorku vstupního napětí (Vin), - hradla drain (D) prvního a druhého tranzistoru (Μι, M2), a hradla bulk (B) třetího, čtvrtého, pátého a šestého tranzistoru (M3, M4, Me, Me) jsou vzájemně propojena, - hradla drain (D) třetího a čtvrtého tranzistoru (M3, M4) a hradlo gate (G) sedmého tranzistoru (M7) jsou vzájemně propojena, - hradla drain (D) pátého a šestého tranzistoru (Μδ, Me) a hradlo gate (G) osmého tranzistoru (Me) jsou vzájemně propojena, - hradla drain (D) sedmého a osmého tranzistoru (M7, Me) jsou vyvedena na svorku výstupního napětí (Vout).
2. 2. Bulk-driven kruhový zesilovač podle nároku 1 vyznačující se tím, že přes svorku napájecího napětí (Vdd), přes svorku prvního předpětí (Vbi), přes svorku druhého předpětí (Vb2), přes svorku třetího předpětí (Vb3) a přes svorku čtvrtého předpětí (Vb4) je připojen řídicí obvod obsahující nastavovací obvod (Bias) dále obsahující první proudový zdroj (Zi) a jedenáctý tranzistor (Mu), obvod první repliky (Repi) dále obsahující čtvrtý proudový zdroj (Z*), třetí kapacitor (Cc3) a devátý, desátý, dvacátý druhý, dvacátý třetí a dvacátý čtvrtý tranzistor (M9, Mio, M22, M23, M24), obvod druhé primární repliky (Rep2i) dále obsahující druhý proudový zdroj (Z2), první kapacitor (Cci) a dvanáctý až šestnáctý tranzistor (M12 - Mie), a obvod druhé sekundární repliky (Rep22) dále obsahující třetí proudový zdroje (Z3), druhý kapacitor (Cc2) a sedmnáctý až dvacátý první tranzistor (M17 - M21), přičemž: - kladná svorka prvního proudového zdroje (Z1) je vyvedena na svorku napájecího napětí (Vdd), - hradlo bulk (B) jedenáctého tranzistoru (Mu) je vyvedena na svorku souhlasného napětí (Vcm), - hradlo gate (G) a hradlo drain (D) jedenáctého tranzistoru (M11) a záporná svorka prvního proudového zdroje (Z1) jsou vyvedeny na svorku druhého předpětí (Vb2), - hradlo source (S) jedenáctého (Mu) je uzemněno, - hradla source (S) devátého a dvacátého druhého tranzistoru (M9, M22) a kladný kontakt čtvrtého proudového zdroje (Z4) jsou vyvedeny na svorku napájecího napětí (Vdd), - hradlo gate (G) devátého tranzistoru (Mg), hradlo drain (D) dvacátého čtvrtého tranzistoru (M24), záporný kontakt třetího kapacitoru (Cc3) a záporný kontakt čtvrtého proudového zdroje (Z4) jsou vyvedeny na svorku prvního předpětí (Vbi), - hradla source (S) desátého, dvacátého třetího a dvacátého čtvrtého tranzistoru (M10, M23, M24), a hřada bulk (B) dvacátého čtvrtého (M24) jsou uzemněna, - hřada bulk (B) devátého a desátého tranzistoru (M9, M10) jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí (Vcm), - hradlo drain (D) devátého a desátého tranzistoru (M9, M10), hradla bulk (B) dvacátého druhého a dvacátého třetího tranzistoru (M22, M23) a kladná svorka třetího kapacitoru (Cc3) jsou vzájemně propojeny, - hradla drain (D) dvacátého druhého a dvacátého třetího tranzistoru (M22, M23) a hradlo gate (G) dvacátého čtvrtého tranzistoru (M24) jsou vzájemně propojeny, - hradla gate (G) desátého a dvacátého třetího tranzistoru (M10, M23) jsou vyvedeny na svorku druhého předpětí (Vb2), - hradlo gate (G) dvacátého druhého tranzistoru (M22) je vyvedeno na svorku čtvrtého předpětí (Vb4), - hradla source (S) třináctého, čtrnáctého a šestnáctého tranzistoru (M13, Mi4, Mie) a hradlo bulk (B) čtrnáctého tranzistoru (M14) jsou vyvedena na svorku napájecího napětí (Vdd), - hradlo gate (G) třináctého tranzistoru (M13), hradla drain (D) patnáctého a šestnáctého tranzistoru (M15, Mie), a záporný kontakt prvního kapacitoru (Cci) jsou vyvedeny na svorku třetího předpětí (V133), - hradla source (S) dvanáctého a patnáctého tranzistoru (Mu, M15), a záporný kontakt druhého proudového zdroje (Z2) jsou uzemněny, - hřada bulk (B) dvanáctého a třináctého tranzistoru (M12, M13) jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí (Vcm), - hradla drain (D) dvanáctého a třináctého tranzistoru (M12, M13), a hradlo gate (G) čtrnáctého tranzistoru (Mu) jsou vzájemně propojeny, - hradlo drain (D) čtrnáctého tranzistoru (Mu), hradla bulk (B) patnáctého a šestnáctého tranzistoru (M15, Mu), kladná svorka druhého proudového zdroje (Z2) a kladná svorka prvního kapacitoru (Cci) jsou vzájemně propojeny, - hradla gate (G) dvanáctého a patnáctého tranzistoru (M12, M15) jsou vyvedena na svorku druhého předpětí (Vb2), - hradlo gate (G) šestnáctého tranzistoru (Mu) je vyvedeno na svorku prvního předpětí (Vbi), - hradla source (S) osmnáctého a dvacátého tranzistoru (Mu, M20), a kladná svorka třetího proudového zdroje (Z3) jsou vyvedeny na svorku napájecího napětí (Vdd), - hradla source (S) sedmnáctého, devatenáctého a dvacátého prvního tranzistoru (M17, Mis, M21), a hradlo bulk (B) devatenáctého tranzistoru (M19) jsou uzemněna, - hradla bulk (B) sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru (Mír, Mie) jsou vyvedena na svorku souhlasného napětí (Vcm), - hradlo gate (G) osmnáctého tranzistoru (Mie), hradla drain (D) dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru (M20, M21) a kladná svorka druhého kapacitoru (Cc2) jsou vyvedeny na svorku čtvrtého předpětí (Vb4>, - hradla drain (D) sedmnáctého a osmnáctého tranzistoru (M17, Mie), a hradlo gate (G) devatenáctého tranzistoru (M19) jsou vzájemně propojena, - hradlo drain (D) devatenáctého tranzistoru (M19), hradla bulk (B) dvacátého a dvacátého prvního tranzistoru (IVbo, M21), záporná svorka třetího proudového zdroje (Z3) a záporná svorka druhého kapacitoru (Cc2) jsou vzájemně propojeny, - hradla gate (G) sedmnáctého a dvacátého prvního tranzistoru (M17, M21) jsou vyvedena na svorku druhého předpětí (Vb2), - hradlo gate (G) dvacátého tranzistoru (M20) je vyvedeno na svorky prvního předpětí (Vbi).