Table of Contents

Усилители обратной связи являются краеугольным камнем конструкции аналоговых схем, особенно в портативных электронных устройствах, где низковольтные источники питания являются нормой. Эти усилители используют отрицательную обратную связь для точного контроля усиления, улучшения линейности и повышения пропускной способности и стабильности. В современных портативных устройствах - смартфонах, носимых устройствах, датчиках IoT и медицинских имплантатах - напряжение питания обычно снижается до 1,8 В, 2,5 В или 3,3 В, чтобы минимизировать потребление энергии и продлить срок службы батареи. Однако рабочие усилители обратной связи при таких низких напряжениях создают ряд уникальных проблем, которые требуют тщательного проектирования компромиссов. Инженеры должны сбалансировать эффективность энергопотребления с показателями производительности, такими как точность усиления, отношение сигнала к шуму и динамический диапазон. Эта статья посвящена критическим соображениям и практическим стратегиям для проектирования надежных усилителей обратной связи, которые процветают в низковольтных средах, обеспечивая надежную работу в следующем поколении портативной электроники.

Проблемы с низким напряжением в дизайне усилителя обратной связи

Низковольтная работа принципиально ограничивает возможности для подкачки сигналов и смещения транзисторов. При напряжении питания лишь немного выше пороговых напряжений современных CMOS-транзисторов традиционные топологии схем часто не обеспечивают такую же производительность, как их высоковольтные аналоги. Понимание этих проблем является первым шагом к эффективной конструкции.

Зал заседаний и ограничения на колебания напряжения

Наиболее непосредственным препятствием является уменьшение запаса хода. В усилителе обратной связи каждому транзистору в сигнальном пути необходимо определенное минимальное напряжение по его клеммам, чтобы оставаться в активной области. При подаче 1,8 В, например, комбинированные падения напряжения каскада ступеней могут сильно ограничивать каскад выходного напряжения. Это уменьшает динамический диапазон и может заставить усилитель работать вблизи рельсов питания, где линейность транзистора ухудшается. Дифференциальные пары, требующие перегрузки 0,5 В-0,7 В, становятся непрактичными, если не используются входные стадии рельс-рельс.

Чувствительность к шуму и целостность сигнала

Низковольтные схемы по своей природе более чувствительны к шуму. По мере уменьшения напряжения питания уровни сигнала также должны быть уменьшены, чтобы избежать обрезания, что означает, что отношение сигнала к шуму (SNR) уменьшается для того же абсолютного шумового пола. Источники шума - тепловой шум от резисторов, мерцающий шум от транзисторов и рябь питания - становятся пропорционально более значительными. Усилители обратной связи, которые полагаются на точные сравнения между входом и выходом, могут пострадать от пониженной точности, если шум соединяется с обратным путем.

Предвзятость ограничений при низком напряжении

Склонение усилителя обратной связи при низком напряжении затруднено, поскольку традиционные источники постоянного тока и зеркала требуют по меньшей мере одного V, падения на транзистор. В уложенных топологиях, таких как классическая дифференциальная пара с источником тока хвоста, общее падение напряжения на хвосте и пара ввода могут потреблять половину подачи. Это оставляет недостаточно места для качения сигнала. Предел должен быть оптимизирован для поддержания насыщения транзисторов минимальными накладными расходами, часто требующими устройств с низким порогом или адаптивных схем смещения.

Основы усилителей обратной связи при низковольтных ограничениях

Прежде чем погрузиться в стратегии проектирования, полезно пересмотреть основы усилителей обратной связи и то, как низковольтная операция изменяет их поведение. Уравнение обратной связи ядра остается неизменным: усиление замкнутого цикла ACL = AOLAOLOLOLOLOLAOL имеет тенденцию к падению, поскольку доступный прирост на стадии снижен — транзисторы имеют меньший запас напряжения для достижения высокого внутреннего усиления. Этот меньший прирост открытого цикла напрямую влияет на точность замкнутого цикла, линейность и пропускную способность.

Усилители обратной связи в портативных устройствах почти всегда реализованы в технологиях CMOS или BiCMOS. Тенденция к снижению напряжения питания привела к принятию конкретных топологий: полностью дифференциальные усилители, этапы сложенного каскода и двухступенчатые структуры, компенсируемые Миллером. Каждая топология предлагает компромиссы между коэффициентом усиления, колебаниями, мощностью и стабильностью. Понимание этих компромиссов имеет важное значение при проектировании целевой технологии и напряжения питания.

Стратегии проектирования для низковольтных усилителей обратной связи

Эффективная низковольтная конструкция требует целостного подхода, который охватывает выбор компонентов, выбор топологии, предвзятость и компенсацию. Следующие стратегии составляют основу современного низковольтного усилителя обратной связи.

Железнодорожная операция

Для максимального качания напряжения, как входной, так и выходной этапы должны быть способны работать вблизи рельсов питания. На входных этапах железной дороги к рельсам обычно используется дополнительная дифференциальная пара (NMOS и PMOS), выходы которой объединены. Это гарантирует, что по меньшей мере одна пара остается активной во всем диапазоне входов общего режима. Однако, тщательное соответствие транспроводимостей двух пар требуется для предотвращения искажений в среднем диапазоне. Выходные этапы железной дороги к рельсам достигаются через смещение класса-AB или класса-B, часто с использованием сложенного кода или выходных дисков общего источника, которые могут качаться в пределах 50 мВ-100 мВ рельсов. Компоненты, такие как операционные усилители от Texas Instruments или Analog Devices, специально предназначены для работы рельсов к рельсам и широко используются в портативных конструкциях.

Оптимизированные методы предвзятости

Один общий подход заключается в использовании самобисинга или констант-гм смещения схем, которые не зависят от колебаний напряжения питания. адаптивного смещения, где ток смещения регулируется на основе уровня сигнала, снижая похолодание мощности при бездействии усилителя и повышая его во время пиков большого сигнала. Это особенно эффективно в аудиоусилителях для слуховых аппаратов или портативных динамиков. Кроме того, низковольтных токовых зеркалах, таких как каскод или зеркало Уилсона, можно заменить более простыми структурами, такими как простое зеркало тока, хотя и с меньшим выходным сопротивлением, для сохранения заднего прохода.

Сетевой дизайн обратной связи

Пассивные компоненты в сети обратной связи — резисторы и конденсаторы — определяют коэффициент усиления, пропускную способность и стабильность замкнутого цикла. При низких напряжениях, используя очень высокие значения сопротивления (например, > 1 MΩ), заманчиво уменьшить статический ток, но эти резисторы генерируют больше теплового шума и могут создавать большие постоянные времени RC, которые ограничивают время оседания. Лучшей стратегией является использование умеренных значений резистора (10 кОм-100 кОм) и включать небольшой конденсатор обратной связи для обеспечения запаса фаз. Для приложений с высокой пропускной способностью сети обратной связи с коммутируемым конденсатором могут заменить резисторы для экономии площади и повышения точности, хотя они вводят проблемы с впрыском заряда, которые требуют компенсации.

Компенсация за стабильность

Усилители обратной связи должны быть стабильными во всех условиях эксплуатации, а низковольтные конструкции особенно подвержены нестабильности из-за уменьшенных полей фаз. Снижение транспроводимости низковольтных стадий приводит к более низким частотам доминирующего полюса. Традиционная компенсация Миллера с одним конденсатором все еще может работать, но значение компенсационного конденсатора должно быть тщательно измерено, чтобы учесть более низкие gm . Компенсация Нестеда Миллера и компенсация кормового вперед являются передовыми методами, которые поддерживают стабильность при сохранении полосы пропускания. Моделирование при наихудшей температуре и углах подачи является обязательным.

Эффективность электроэнергии и снижение текущего времени

Время работы батареи имеет первостепенное значение в портативных устройствах. Каждый микроампер покоящегося тока в усилителе обратной связи напрямую влияет на время выполнения. Подпороговая работа CMOS транзисторов (предполагая близкое или ниже порогового напряжения) может давать очень низкие gm /I отношения, позволяющие токи смещения на уровне наноампера. Этот метод распространен в сенсорных интерфейсах, которые требуют сверхнизкой мощности. Однако работа в подпороговом усилителе увеличивает мерцающий шум и ограничивает скорость, поэтому он лучше всего подходит для низкочастотных приложений. Для более высокой полосы пропускания динамическое смещение, которое отключает холостые секции усилителя, когда он не используется, может сэкономить мощность без ущерба для производительности.

Выбор компонентов для усилителей обратной связи низкого напряжения

Выбор правильных активных и пассивных компонентов имеет решающее значение.Современные полупроводниковые процессы предлагают множество устройств с различными пороговыми напряжениями, толщиной оксида и частотными возможностями.

Оперативные усилители (Op-Amps)

Для дискретных конструкций многие готовые операционные усилители оптимизированы для работы с низким напряжением. Серия Texas Instruments OPA (например, OPA333, OPA376) и серия AD8541 Analog Devices являются примерами усилителей ввода/вывода рельсов с похолоданием токов в диапазоне микроамперов. Эти устройства интегрируют многие из стратегий проектирования, описанных выше. При проектировании пользовательского оп-ампа CMOS выберите транзисторы с низким пороговым напряжением (V [FLT: 1]] [[FLT: 2]] [[FLT: 3]] — обычно 0,4 В-0,6 В — чтобы обеспечить работу с расходами до 1,2 В. Нативные или нулевые V [[FLT: 4]] устройства могут дополнительно снизить требования к запасам.

Транзисторы в интегральных схемах

В конструкции ИС выбор между ПМОС и НМОС для конкретных ролей имеет значение. ПМОС-транзисторы часто предпочтительны для входных стадий, поскольку они имеют более низкий шум мерцания и могут быть смещены простым зеркалом тока. Однако мобильность ПМОС ниже, поэтому необходимы более крупные устройства. Устройства НМОС обеспечивают более высокую транспроводность на единицу площади, но требуют положительного напряжения затвора к источнику, что может быть проблематичным вблизи отрицательной рельсы. Многие низковольтные усилители используют дополнительную входную стадию (как NMOS, так и дифференциальные пары ПМОС) для преодоления этого ограничения.

Пассивные компоненты

Резисторы в сети обратной связи следует выбирать для малошумных и плотных допусков. Металлопленочные резисторы (0,1% допуск) являются стандартными. Для высокоценных резисторов используют тонкопленочные или интегрированные полирезисторы, минимизирующие паразитную емкость. Конденсаторы для компенсации должны быть конденсаторы металл-изолятор-металл (MIM) с низким коэффициентом напряжения. Избегайте использования паразитных конденсаторов, таких как емкости затвор-источник для компенсации, потому что они нелинейно различаются с уклоном.

Моделирование и тестирование соображений

Для моделирования усилителя обратной связи для низковольтной работы требуется тщательная настройка. Используйте симулятор SPICE (например, Cadence Spectre, LTspice) с точными транзисторными моделями, которые включают в себя температуру и углы процесса. Ключевые модели включают в себя:

  • Характеристика передачи по DC: Проверить диапазон выходного напряжения на разных уровнях входа для обеспечения работы рельса-рельса.
  • AC Анализ: Установить коэффициент усиления и фазу открытого цикла для определения запаса фаз.
  • Транзиентный анализ: Применять шаг ввода и измерять время оседания и перерасход. Используйте конденсаторы нагрузки, типичные для приложения (например, 10 pF-100 pF).
  • Анализ шума: Интегрируйте шум по полосе пропускания для вычисления SNR. Сравните с качанием сигнала.
  • Отношение отказов от подачи электроэнергии (PSRR): Имитировать влияние ряби предложения на выход.

Лабораторные испытания должны воспроизводить моделируемые условия нагрузки. Для проверки частотной реакции используют векторный сетевой анализатор или анализатор спектра. Для портативных устройств особенно важно тестировать с фактическими профилями напряжения батареи (например, разрядка литий-ионного от 4,2 В до 3,0 В) для обеспечения того, чтобы усилитель поддерживал производительность в течение срока службы батареи.

Шум и оптимизация планировки

Усилители низкого напряжения чувствительны к шумоподавлению от цифровых схем, рельсов питания и внешних источников. Хорошие методы компоновки смягчают эти проблемы:

  • Разъединение: Разместите 0,1 мкФ и 10 мкФ конденсаторов вблизи от штифтов питания усилителя.
  • Кольца защиты: Окружайте аналоговые блоки заземленными защитными кольцами для уменьшения шума подложки.
  • Отдельные аналоговые и цифровые основы: Используйте точку наземной звезды, чтобы избежать наземных петлей.
  • Минимизируйте паразитов: Сохраняйте короткие пути обратной связи и избегайте маршрутизации их вблизи шумных цифровых следов.
  • Использовать щит: Для конструкций с очень низким уровнем шума (например, считывание датчика), рассмотрите возможность размещения усилителя в экранированном корпусе.

Кроме того, шумовой вклад резисторов обратной связи может быть уменьшен с помощью комбинации последовательного и шунтирующего резисторов, которые минимизируют общее сопротивление, наблюдаемое на инвертируемом входе. Например, конфигурация обратной связи T-сети может использовать более низкие значения резистора, обеспечивая при этом тот же эффективный коэффициент обратной связи, тем самым снижая тепловой шум.

Передовые методы для низковольтных усилителей обратной связи

Для требовательных приложений более продвинутые схемы могут раздвинуть пределы производительности низковольтных усилителей обратной связи.

Набраться сил

Аналогично технике каскодирования, усиление усиления использует вспомогательный усилитель для увеличения выходного импеданса стадии общего источника, тем самым повышая усиление открытого цикла без необходимости дополнительного напряжения головного убора. Вспомогательный усилитель работает с небольшим качанием сигнала и может быть спроектирован с минимальным запасом хода. Этот метод распространен в высокоточных преобразователях данных и передних концах датчика.

Адаптивное биазирование тела

Применяя к транзисторам перекос передней части тела, их пороговое напряжение может динамически снижаться. Это позволяет усилителю работать при более низких напряжениях питания при сохранении скорости. Однако адаптивное перекосирование корпуса увеличивает ток утечки и требует тщательного управления цепями. Он используется в продвинутых процессах FinFET для экстремально низковольтных конструкций ниже 1 В.

Способно сочетать обратную связь

В некоторых приложениях сеть обратной связи может быть соединена с переменным током с помощью конденсаторов вместо резисторов, устраняя путь постоянного тока к земле. Это устраняет необходимость в резисторах смещения постоянного тока и экономит пространство для головы. Это особенно полезно в биомедицинских имплантатах, где напряжения смещения электродов должны быть заблокированы при усилении крошечных сигналов переменного тока.

Цифровые аналоговые методы

Современные портативные устройства все чаще используют цифровую калибровку и обрезку для ослабления аналоговых конструктивных ограничений. Например, усилитель обратной связи может включать в себя цифровой банк резисторов, который регулирует коэффициент усиления обратной связи для компенсации изменений процесса. Это позволяет проектировать усилитель с меньшими запасами, повышая энергоэффективность.

Заключение

Проектирование усилителей обратной связи для работы с низким напряжением в портативных устройствах является сложной, но полезной задачей, которая требует глубокого понимания основ схемы, физики устройств и компромиссов на уровне системы. Тщательно выбирая топологии, которые максимизируют перепады напряжения, используя расширенное смещение для сохранения заднего плана и уделяя тщательное внимание шуму и стабильности, инженеры могут создавать усилители, которые отвечают строгим требованиям мощности и производительности современной портативной электроники. Обсуждаемые методы - работа с рельсами и рельсами, оптимизированная компенсация, перекос подпороговой и повышение - предлагают инструментарий для решения конструкций при напряжениях питания до 1,2 В или даже 0,9 В. Поскольку портативные устройства продолжают сокращаться и требуют большей функциональности, роль эффективных усилителей обратной связи с низким напряжением будет только возрастать в важности.

Для дальнейшего чтения рассмотрите эти ресурсы: