3 الکترونیک آزمایشگاه پروژه

تحقیق: موضوع

خطی غیر تغییرات کاهش برای روشهایی بررسی"در ”On“ مقاومت

برداری" نمونه های سوئیچ

نیاستی نیما

86213131

دکتر: جاللی استاد

مقدمه

عمدتا, نمونه سوئیچ در خطی غیر خواص بروز میشود مربوط برداری در که آن با مرتبط پارازیتیک خازنهای نیز و خطی غیر ”on“ مقاومت به

اعوجاج بروز موجب باال فرکانس با سیگنالهای از برداری نمونه هنگام

این. هارمونیکی سیگنال نسبت شدن محدود موجب تنها نه مسئله میشوند

, SINAD) اعوجاج و نویز به بلکه( SFDR (Spurious میزان میگردد Free Dynamic Range) هارمونیک کلی اعوجاج نیز و (THD )میکنند محدود نیز را

میباشند. بودن خطی میزان سنجش بنیادین معیارهای از که

.K مقاله در شده ارائه روشهای اجمالی بررسی به ابتدا تحقیق این درOng روشهای, ادامه در و پردازیم می همکاران و مورد نیز را دیگری کار

میدهیم. قرار بررسی

[1]یبردار نمونه های سوئیچ در خطی عیر خواص بروز دالیل

S/H برداری نمونه سوئیچ نمونه مدار یک: 1شکل

.Sample & Hold (S/H) ساده سوئیچ یک از است نمایشی یک شکل

,Clk مقدار که وقتی High , سوئیچ به بار خازن در و میشود روشن باشد

وقGتی. ذخGیره انGدازه , Clk, Low کGه میشGود سGوئیچ و میشGود خGاموش باشGدمقاومت. خواهد نگه خود در را شده برداری نمونه مقدار خازن ”On“ داشت

میشود: داده نمایش زیر صورت به سوئیچ این

آن: در که

1 معادله در و در به زمان با متغیر وابستگی کهاز. سمپلینگ سوئیچ در اعوجاج و خطی غیر خواص بروز علت میشود

ناوابسGته نتیجGه در و مقGدار سGازی یکسGان بGرای bootstrapping تکنیGک

این. استفاده ورودی سیگنال به آن کردن موجب زیادی مقدار به تکنیک کرد

. on مقاومت در خطی غیر خواص کاهش همچنین سازی جبران با میشود

بیشتری مقدار به نیز بالک به سورس مستقیم اتصال بوسیله بدنه اثر

میدهد. کاهش را بودن خطی غیر میزان

ثابت مقدار هم همراه به برداری نمونه خازن نیز و مقومت track مدت در 3dB- باند پهنای معرف که میسازند معین را RC زمانی

میگردد: معین زیر صورت به میباشد.

پهنای باالی مقدار آوردن بدست برای که است واضح فوق رابطه از

یابGد. کGاهش امکGان حGد تGا مقGدار بایسGتی ثGابت ازای بGه ورودی بانGد

میزان افزایش با مقدار سوئیچ معین ابعاد یک برای همچنیناز. افزایش L طول شدن کوتاهتر نیز و جدیدتر های تکنولوژی بوسیله میابد

کم هزینه به پایین ولتاژ در سوئیچها این عملکرد که میشود معلوم 5 رابطه

میگردد. امکانپذیر شدن

کردن خطی برای بیشتر روشهای بررسی تحقیق این از هدفدر. تغیGیرات در. اشGاره کلی روشGهای سGری یGک بGه فGوق میباشGد شGد

به را Tarsia و ،Ong، Prodanov مقاله در شده ارئه روشهای ابتدا ادامه

روش سه ادامه در سپس و میدهیم قرار بررسی مورد اجمالی صورت

سGمپلینگ سGوئیچ یGک در تغیGیرات بیشGتر هرجGه سGازی خطی بGرای دیگGر

MOS [2 ]میدهیم. ارئه

سوئیچ( روش :CMOS اول

غیر تغییرات میزان کاهش برای روش اولین عنوان به روش ینادر. شده ارائه فوق مقاله در MOS سوئیچ خطی مدار شماتیک ادامه است

میکنیم: مشاهده را نظر مورد

Ron سازی خطی برای NMOS یک و PMOS یک از استفاده: 2شکل

شده استفاده موازی صورت به PMOS ویک NMOS یک از ان در که

هم عکس ترانزیستور دو گیت ولتاژهای دادن قرار Low و High با و است

تا زیر صورت به مدار on مقاوت مجموع در و میشوند خاموش و روشن

میشود: خطی حدودی

on مقاومتهای نمودار: 3شکل

به مربوط on مقاومتهای میزان پیداست نمودار از که همانطور

PMOS و NMOS در معادل مقالومت و میکند حرکت هم جهت خالف در

مینوردد. در را خطی نسبتا تغییرات و میماند اهم 100 حدود

PMOS و NMOS در خطی غیر خواص نبودن match عمده مشکلو. میشوند. مشاهده کماکان که در غیرخطی تغییرات وجود نیز میباشد

درایور( روش :Brooks سوئیچ دوم

هنگام در ولتاژ مقدار اگر که است استوار ایده این بر روش ینا خطی میزان متوانیم شود نگهداشته ثابت امکان حد تا سوئیچ، رسانایی

این. افزایش قبولی قابل حد تا را برداری نمونه سوئیچ بودن از مهم بدهیم

برداری نمونه قطع هنگام در را ورودی ولتاژ که آید می بدست طریق این

اسGترپ بGوت بGه رسGانایی هنگGام در را سGوئیچ گیت ادامGه در و کGرده

شکل. میکنیم: مشاهده ادامه در را استرپ بوت این از ای ساده نماییم

بروکز سوئیچ درایور: 4شکل

با: است برابر بوت خازن در شده برداری نمونه ولتاژ

ولتاژ و کرده عمل شناور باتری یک مثل بوت خازن سوئیچ، رسانایی فاز درمیشود: گیت

میشود: مقدار بنابرین

درایور( روش :Abo سوئیچ سوم

Abo سوئیچ درایور: 5شکل

مقاله( نویسندگان توسط شده پیشنهاد روش

این بر بود شده پیشنهاد مقاله این نویسندگان توسط که ای شیوه مقدار آن که مقداری به MOS سوئیچ این گیت اگر که است استوار ایده

خGواهیم را وابسGتگی نمGاییم، Bootstrap باشGد، threshold ولتGاژ شGامل

ببریم. بین از threshold ولتاژ به توانست

موردنظر S/H سوئیچ: 6شکل

مقدار به را M1 گیت میخواهیم 6 شکل به توجه با دیگر عبارت به

این. استرپ بوت در که سوئیچی درایور بوسیله مهم کنیم

میباشد. امکانپذیر است، شده داده نشان 7 شکل

پیشنهادی سوئیچ درایور: 7شکل

به boot خازن و است شده زمین M1 سوئیچ precharge فاز طول در

سپس. شده شارVdd c اندازه کننده تقویت ،Conduction فاز طول در است

بنابراین(. Vinباشد) برابر ورودی ولتاژ با که میکنده وادار را A گره عملیاتی

:B گره ولتاژ برای داریم

استرپ بوت به M1 گیت که زمانی ،conduction فاز طول در

با: است برابر on مقاومت است، شده

است وابسته تکنولوژیکی پارامترهای به تنها اکنون که میشود مشاهده

(،.)

خطی افزایش روشهای از دیگر مورد دو به تحقیق، این ادامه در حاالمیپردازیم. تغییرات شدن

روش( مورد همکاران Yunfeng Peng مقاله در شده ارائه اول ]و3]

دیگر ای گونه به ،bootstrapping تکنیکهای از هم روش این در

ایده. شده استفاده ترانزیستور گیت که است این روش این اصلی است

اسGترپ بGوت از بGاالتر بخصGوص، سGطح یGک بGه را( M1) بGرداری نمونGه

در. بدست rail-to-rail خروجی رنج یک تا نماییم، همزمان، حال عین بیاوریم

سورس- ولتاژ تغییرات به توجه با را خطی غیر تغییرات ولتاژ تغییرات و گیت

threshold میرود. بین از

پیشنهادی سوئیچ: 8شکل

ولتاژ. مشاهده پیشنهادی سوئیچ 8 شکل در خروجی در باتری میشود

op-amp رایGروجی تنظیم بGخ CM در op-amp هGار بGدر. ک ، فGاز طGول مGیرود متصل هم به M2 و M1 های گیت میشود، روشن برداری نمونه ترانزیستور

در اسGت، خGاموش بGرداری نمونGه سGوئیچ ،فGاز طGول در(. ) میباشGند

op-amp بارگذاری تا میشود روشن MD (Dummy Switch) سوئیچ که حالیبایستی. موازنه را پیش M1 برداری، نمونه مد آغاز در که شود توجه نماید

برای اولیه بار dummy switch بنابرین میشود، روشن MD شدن خاموش از

بدون. می فراهم را M1 سریع شدن روشن کدام در مدار انکه به توجه آورد

را A گره مشابه، بارگذاری با منفی فیدبک در همیشه op-ampo است، فاز

. B گره برابر که داریم: نگهمیدارد

(1)

و

(2)

آمد بدست M2 برای ثابت مقاومت یک بنابرین

(3)

با است برار M2 گیت ولتاژ که آید می بدست رابطه این از سادگی به

(4)

بنویسیم زیر صورت به میتوانیم را M1 ترانزیستور” On“ مقاومت بنابرین،

(5)

ولتاژ بود، شده اشاره نیز همکاران و Ong مقاله در که همانطور

threshold درین ولتاژ به بلکه است، وابسته سورس به بالک ولتاژ به تنها نه

افGزایش. وابسGته نGیز سGورس بGه کGاهش را threshold ولتGاژ ولتGاژ میباشGد

بنابرین. در M2 نماید تضمین که است شده گرفته نظر در میدهد

بسیار ، که آنجا از میباشد، اشباع غیر محدوده

هرچند. از کوچکتر به ولی نیستند برابر مطلقا و میباشد

نزدیکند. هم به زیادی مقدار

پیشنهادی( روش با استرپ بوت مقایسه )threshold ولتاژ تغییرات: 9شکل

( 9 شکل از که همانطور ( بر اختالف از متوان آید، می راستبنGابرین. نظGر صGرف M2 و M1 بین threshold ولتاژهGای در و کGرد

با ای رابطه بنابرین و میبرند بین از را همدیگر اثر 5 شماره رابطه

اگر. نخواهد ورودی سیگنال از آنگاه ، کنیم، تنظیم داشت

داشت: خواهیم فوق روابط

(6)

نسبتا” On“ مقاومت یک برداری نمونه ترانزیستور برای بنابرین،

. R2 ثابت مقاومت دارای M2 زیرا آمد، خواهد بدست خطی در عین میباشد

آید. می بدست نیز rail-to-rail ورودی 4 رابطه به توجه با حال

رهیافت پیشنهادی تکنیک که کنیم، اضافه توانیم می خالصه طور به به مهم این البته که باال، resolution با پایین ولتاژ سوئیچهای به موثریست

گین بودن فراهم تضمین برای op-amp توسط بیشتر توان مصرف هزینه

آید. می بدست واحد، گین باند پهنای و باال باز حلقه

10شکل

-On” (On“ رسانایی بین است شده انجام ای مقایسه 10 شکل درConductance) سوئیچ MOS بوت سوئیچ ساده، صورت به نظرمان مورد

بهبود. این پیشنهادی سوئیچ و استرپ، تغییرات شدن خطی وضعیت مقاله

است. واضح پیشنهادی سوئیچ در” On“ رسانایی مقدار کمتر تغییرات نیز و

Bootstrapped سوئیچ فرکانسی طیف: 11شکل

مقاله پیشنهادی سوئیچ فرکانسی طیف: 12 شکل

[4] و همکارانYang الهمق پیشنهادی شیوه( دوم مورد

شیوه ارایه شده در این مقاله حول این ایده توسعه یافته است کGGه یک نکته مهم در سGGوئیچ مGGد نظرمGGان این اسGGت کGGه بGGرای دنبGGال کGGردن »سورس واقعی« متصل به خازن شGGارژ شGGده، و نGGیز نگاهداشGGتن ولتGGاژ

overdrive" ابتGGبه مقدار ث Vdd" کGGه یGGب ،”source followerازGGنی ” داریم.

سوئیچ پیشنهادی: ۱۳شکل

سوئیچ پیشنهادی را مشاهده میکنیم. این سوئیچ نمونه۱۳در شکل برداری شامل یک خازن و تعداد زیادی سوئیچ میباشد. به جGز سGوئیچهای الزم برای یGGک سGGوئیچ نمونGGه بGGرداری بGGوت اسGGترپ، دو سGGوئیچ اضGGافی

SW7 و SW6 وئینگGGنیز در مدار اضافه شده اند. برای اینکه س rail-to-rail ،باشیم داشته احسن نحو به را SW7 و SW6 را سوئیچهای با

برای. تکمیلی بالک SW6و SW7کردن trigger میسازیم کردن متصل برای . , وضعیت در میکنیم استفاده گر مقایسه از حقیقی سورس ترمینال به

. , , ," باشد" متصل سورس ترمینال ترمینال یک به بایستی تنها بالک روشندو ادامGه , caseدر آنهGا در کGه میGدهیم قGرار بGررس مGورد معGرف رو

و است ورودی وضعیت سیگنال ور شده برداری نمونه ولتاژ معرف. میباشد روشن

شماره (1مورد

که , وقتی ورودی ترمینال همان حقیقی سورس باشدوضعیت. در (, SW5و SW2, SW3 )”off“است مقدار به خازن روشن

. وضعیت در میگردد (, SW4و SW1 )”on“شارژ گر مقایسه خروجی روشنLow که بود روشن SW6خواهد بالک و ورودی بین ارتباط ایجاد برای را

از ) بیشGتر ورودی ولتGاژ زیGرا (. کنGد برابGر هم گیت ولتGاژ نGیز میباشGد . ولتاژ ترتیب همین به )overdriveمیباشد نیز Vsbو( Vgsگیت

برابر . Vddدقیقا وضعیت در میشوند صفر :”on“و داریم

) دوم مورد

که , هنگامی همان بایستی سورس حقیقی ترمینال است . مورد عکس وضعیت مشخصا باشد خروجی . 1ترمینال توسط SW7است

. گیت ولتاژ کند متصل هم به را خروجی و بالک تا میشود روشن گر مقایسهبرابر Vout – Vddبرابر هم سورس ولتاژ و شد .Voutخواهد شد خواهدمقدار overdriveولتاژ نیز ولتاژ Vddگیت نیز و کرد خواهد حفظ کماکان را

threshold. میماند پایدار نیز

مورد مشابه درست فوق . 1روابط وضعیت در ,”on“میباشند , " مقایسه " میشود صفر برابر خروجی و ورودی مابین اختالف که هنگامی

و Lowگر بود . SW6خواهد مهم برایمان ایندفعه شد خواهد روشن مجددا , چون است سورس ترمینال کدام که سیگنال Vinنیست برابر خودش

. میباشد شده برداری نومنه

برداری: 14شکل نمونه سوئیچ ولتاژهای

مختلف: 15شکل سوئیچهای خروجی از فوریه تبدیل

پیشنهادی: 1جدول سوئیچ هارمونیک اعوجاج برای سازی شبیه نتایج

: استفاده مورد منابع

[1] M. I. Kazim, “DESIGN OF HIGHLY LINEARSAMPLING SWITCHES FOR CMOSTRACK-AND-HOLD CIRCUITS”, ISRN: LiTH-ISY-EX--06/3827—SE.

[2] A. K. Ong, et al., “A Method for Reducing the Variation in “On” Resistance of a MOS Sampling Switch”, May 2000.

[3] Y. Peng, et al., “A LOW-VOLTAGE SAMPLING SWITCH WITH IMPROVED LIN-EARITY”.

[4] C. Y. Yang, et al., “A Low-Voltage Low-Distortion MOS Sampling Switch”.

[5] B. Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”.