یک تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی مبتنی بر وارونگرهای موس با ولتاژ آستانه دینامیکی و موس گیت شناور با ولتاژ تغذیه 5/0 ولت در فناوری 180 نانومتر فناوری نیمه‌هادی-اکسید-فلز مکمل

الموضوعات :

امیر باغی رهین ¹ , وحید باغی رهین ²

1 - دانشکده مهندسی برق- واحد سردرود، دانشگاه آزاد اسلامی، سردرود، تبریز، ایران
2 - دانشکده مهندسی برق- واحد سردرود، دانشگاه آزاد اسلامی، سردرود، تبریز، ایران

تاريخ الإرسال : 29 الجمعة , شعبان, 1443 تاريخ التأكيد : 03 الإثنين , محرم, 1444 تاريخ الإصدار : 20 الأربعاء , شعبان, 1446

الکلمات المفتاحية: ولتاژ پایین و توان پایین, ترانزیستور موس گیت شناور, تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی, روش موس با ولتاژ آستانه دینامیکی,

ملخص المقالة :

در این مقاله یک تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی (OTA) کاملاً تفاضلی دو طبقه مبتنی بر وارونگر موس گیت شناور/ موس با ولتاژ آستانه دینامیک (DT/FGMOS) با ولتاژ تغذیه 5/0 ولت ارائه می‌شود. وارونگر پیشنهادی در ساختار این تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی به صورت ترکیبی از روش موس با ولتاژ آستانه دینامیکی (DTMOS) [برای تمامی ترانزیستورهای پی-موس (PMOS)] و ترانزیستور موس گیت شناور (FGMOS) [برای تمامی ترانزیستورهای ان-موس (NMOS)] در یک فرایند ان-ول (n-well) است. در این مدار جهت محدود‌سازی بهره حالت مشترک از مسیرهای پیش رو و پسخور استفاده شده است. طبقه اول دارای مسیرهای پیش رو جهت حذف حالت مشترک و طبقه دوم دارای فیدبک حالت مشترک جهت تثبیت ولتاژ حالت مشترک خروجی بر روی نصف ولتاژ (V dd) است. براساس نتایج شبیه‌سازی پسا-جانمایی، تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی پیشنهادی بهره 61 دسی بل را با فرکانس بهره واحد 1/1 مگاهرتز تحت خازن‌های بار 13 پیکوفاراد از خود نشان داد. با بررسی‌های انجام شده با آنالیز مونت-کارلو مشخص گردید که تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی مبتنی بر وارونگر پیشنهادی تحت تغییرات فرایند و عدم مطابقت افزاره می‌تواند به خوبی عملکرد مناسبی از خود نشان دهد. مدار پیشنهادی در فناوری 180 نانومتر سی‌موس مساحت 182/0 میلی متر مربع را از تراشه اشغال می‌کند. توان مصرفی آن 17 میکرووات بوده و می‌تواند در کاربردهای ولتاژ پایین و توان پایین از جمله در تجهیزات قابل حمل به خوبی استفاده شود. براساس بررسی‌های انجام شده، استفاده از روش موس با ولتاژ آستانه دینامیکی و موس گیت شناور می‌تواند به کاهش موثر ولتاژ آستانه ترانزیستورها و عملکرد خوب تقویت‌کننده ترارسانایی عملیاتی پیشنهادی در ولتاژ پایین منجر شود.

المصادر:

[1] A.B. Rahin, Z.D.K. Kanani, “A low-voltage and low-power programmable Gm-C filter for wireless applications”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 5, no. 19, pp. 3-10, Dec. 2014 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1393.5.19.1.4).

[2] S.M.A. Zanjani, M. Parvizi, “Design and simulation of a bulk driven operational trans-conductance amplifier based on CNTFET technology”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 12, no. 45, pp. 63-74, June 2021 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1400.12.1.5.1).

[3] S.A. Zanjani, A. Jannesari, P. Torkzadeh, “Design and simulation of ultra-low-power sigma-delta converter using the fully differential inverter-based amplifier for digital hearing aids application”, Jou­rnal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 51, pp. 75-90, Dec. 2022 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.51.5.8).

[4] R. Póvoa, A. Canelas, R. Martins, N. Horta, N. Lourenço, J. Goes, “A low noise CMOS inverter-based OTA for and healthcare signal receivers”, Proceeding of the IEEE/SMACD, pp. 1-4, Lausanne, Switzerland, July 2019 (doi: 10.1109/SMACD.2019.8795248).

[5] B. Nauta, “A CMOS transconductance-C filter technique for very high frequencies”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 27, no. 2, pp. 142–153, Feb. 1992 (doi: 10.1109/4.127337).

[6] H. Barthélemy, S. Meill, J. Gaubert, N. Dehaese, S. Bourdel, “OTA based on CMOS inverter and application in the design of tunable bandpass filter”, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 57, no. 2, pp. 169-178, Dec 2008 (doi: 10.1007/s10470-008-9167-8).

[7] F. Muñoz, A. Torralba, R.G. Carvajal, J. Tombs, J. Ramirez–Angulo, “Floating-gate-based tunable CMOS low voltage linear transconductor and its application to HF gm-C filter design”, IEEE Trans. on Circuits and Systems II, vol. 48, no. 1, pp. 106-110, May 2001 (doi: 10.1109/82.913194).

[8] S. Ramasamy, B. Venkataramani, “A low power reconfigurable analog baseband block for software defined radio”, Journal of Signal Processing System, vol. 62, no. 2, pp. 131–144, Feb. 2011 (doi: 10.1007/s11265-009-0357-0).

[9] K. Komoriyama, E. Yoshida, M. Yashiki, & H. Tanimoto, “A very wideband fully balanced active RC polyphase filter based on CMOS inverters in 0.18μm CMOS technology”, Proceeding of the IEEE/VLSIC, pp. 98-99, Kyoto, Japan, June 2007 (doi: 10.1109/VLSIC.2007.4342676).

[10] A. Tanaka, H. Tanimoto, “Design of 1 V operating fully differential OTA using NMOS inverters”, IEICE Transactions on Electronics, vol. 92, no. 6, pp.  822-827, June 2009 (doi: 10.1587/transele.E92.C.822).

[11] J. Sobhi, Z. Daei Koozeh Kanani, A. Baghi Rahin, A. Tahmasebi, “A new OTA based on FGMOS inverters for low voltage and low power applications”, Proceedings of the ICCSP, vol. 3, pp. 23-26, Jan. 2010.

[12] H. Tanimoto, K. Yazawa, M. Haraguchi, “A fully-differential OTA based on CMOS cascode inverters operating from 1-V power supply”, Springer, Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 78, no. 1, pp. 23–31, Jan. 2014 (doi: 10.1007/s10470-013-0126-7).

[13] A. Baghi Rahin, M.H. Ghasemi, V. Baghi Rahin, “DTMOS-based low-voltage and low-power two-stage OTA”, Proceeding of the IEEE/ETECH, pp. 685-690, Bangalore, India, March 2021 (doi: 10.1109/R­TEICT5­2294.2021.­9573559).

[14] A. Baghi Rahin, V. Baghi Rahin, “A new 2-input CNTFET-based XOR cell with ultra-low leakage power for low-voltage and low-power full adders”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 10, no. 37, pp. 2322-3871, May 2019 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1398.10.37.2.6).

[15] H. Liu, A.I. Karsilayan, “A high frequency bandpass continuous-time filter with automatic frequency and Q-factor tuning”, Proceeding of the IEEE/ISCAS, vol. 1, pp. 328–331, May 2001 (doi: 10.1109/ISCAS.2­001.9­21859).

[16] X. Zhang, E.I. EI-Masry, “A novel CMOS OTA based on body-driven MOSFETs and its applications in OTA-C filters”, IEEE Trans. on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 54, no. 6, pp. 1204–1212, June 2007 (doi: 10.1109/TCSI.2007.897765).

[17] F. Assaderaghi, D. Sinitsky, S. A. Parke, J. Bokor, P. K. Ko and Chenming Hu, "Dynamic threshold-voltage MOSFET (DTMOS) for ultra-low voltage VLSI", IEEE Trans. on Electron Devices, vol. 44, no. 3, pp. 414-422, March 1997 (doi: 10.1109/16.556151).

[18] H. Kuntman, D. Özenli, “DTMOS-based ultra-low-voltage low-power circuit design. In: trends in circuit design for analog signal processing”, Trends in Circuit Design for Analog Signal Processing, pp. 267-283, May 2022 (doi: 10.1007/978-3-030-96836-6_11).

[19] M. Mahendra, S. Kumari, M. Gupta, “DTMOS based low power adaptively biased fully differential transconductance amplifier with enhanced slew-rate and its filter application”, IETE Journal of Research, May 2021 (doi: 10.1080/03772063.2021.1925599).

[20] E. Kargaran, M. Sawan, K. Mafinezhad, H. Nabovati, “Design of 0.4V, 386nW OTA using DTMOS technique for biomedical applications”, Proceeding of the IEEE/MWSCAS, pp. 270-273, Boise, ID, USA, Aug. 2012 (doi: 10.1109/MWSCAS.2012.6292009).

[21] M. Maymandi-Nejad and M. Sachdev, “DTMOS Technique for Low-Voltage Analog Circuits”, IEEE Trans. on Very Large Scale Integration Systems, vol. 14, no. 10, pp. 1151-1156, Oct. 2006 (doi: 10.110­9/TV­LSI.2­006.884174).

[22] E. Rodriguez-Villegas, "Low power and low voltage circuit design with the FGMOS transistor", IET, 2006 (ISBN: 9780863416170).

[23] J.F. Duque-Carrillo, J.L. Ausin, G. Torelli, J.M. Valverde, M.A. Domı´nguez, “1-V rail-to-rail operational amplifiers in standard CMOS technology”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 35, no. 1, 33–44, Jan. 2000 (doi: 10.1109/4.818918).

[24] M. Kumngern, T. Kulej, F. Khateb, V. Stopjakova, R.K. Ranjan, “Nanopower multiple-input DTMOS OTA and its applications to high-order filters for biomedical systems”, AEU- International Journal of Electronics and Communications, vol. 130, Article Number: 153576, Feb. 2021 (doi: 10.1016/j.aeue.20­2­0.15­3576).   

[25] J. Wang, Y. Li, Z. Zhu, “A 0.6-V pseudo-differential OTA with switched-opamp technique for low power applications”, Microelectronics Journal, vol. 90, pp. 117–122, Aug. 2019 (doi: 10.1016/j.mejo.2­019.0­6.0­0­2­).

[26] F. Centurelli, A. Fava, M. Olivieri, P. Tommasino, A. Trifiletti, “A low-voltage class-ab ota exploiting adaptive biasing”, AEU-International Journal of Electronics and Communications, vol. 122, Article Number: 153282, July 2020 (doi: 10.1016/j.aeue.2020.153282).

[27] F. Rezaei, “0.3V tunable OTA and Gm-C filter in 0.13µm CMOS”, Transactions D: Computer Science and Engineering and Electrical Engineering, Scientia Iranica, vol. 28, no. 6, pp. 3333-3341, Dec. 2021 (doi: 10.24200/sci.2019.5452.1278).