amplificador CMOS

Los amplificadores CMOS ( amplificadores de semiconductor de óxido metálico complementario ) son circuitos analógicos omnipresentes que se utilizan en ordenadores , amplificadores de potencia de audio , teléfonos inteligentes , cámaras , sistemas de telecomunicaciones , circuitos biomédicos y muchos otros sistemas. Su rendimiento influye en las especificaciones generales de los sistemas. Su nombre proviene del uso de MOSFET (transistores de efecto de campo de óxido metálico-semiconductor) en contraposición a los transistores de unión bipolar (BJT). Los MOSFET son más sencillos de fabricar y, por lo tanto, menos costosos que los amplificadores BJT , a la vez que proporcionan una transconductancia suficientemente alta como para permitir el diseño de circuitos de muy alto rendimiento. En los circuitos amplificadores CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) de alto rendimiento, los transistores no solo se utilizan para amplificar la señal, sino también como cargas activas para lograr una mayor ganancia y amplitud de salida en comparación con las cargas resistivas. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

La tecnología CMOS se introdujo principalmente para el diseño de circuitos digitales. En las últimas décadas, para mejorar la velocidad, el consumo de energía, el área requerida y otros aspectos de los circuitos integrados digitales (CI), el tamaño de las características de los transistores MOSFET se ha reducido (la longitud mínima del canal de los transistores se reduce en las tecnologías CMOS más recientes). Este fenómeno, predicho por Gordon Moore en 1975 y conocido como la ley de Moore , establece que, aproximadamente cada dos años, el número de transistores se duplica para la misma área de silicio de los CI. El progreso en el diseño de circuitos de memoria es un ejemplo interesante para observar cómo el avance de los procesos ha afectado el tamaño requerido y su rendimiento en las últimas décadas. En 1956, un disco duro (HDD) de 5 MB pesaba más de una tonelada, ^{[ 4 ]} mientras que hoy en día es muy común encontrar discos con una capacidad 50 000 veces mayor y un peso de varias decenas de gramos. ^{[ 5 ]} 

Si bien los circuitos integrados digitales se han beneficiado de la miniaturización de sus componentes, los amplificadores CMOS analógicos no han obtenido ventajas similares debido a las limitaciones intrínsecas del diseño analógico, como la reducción de ganancia inherente a los transistores de canal corto, que afecta la ganancia total del amplificador. Las nuevas técnicas que logran una mayor ganancia también generan nuevos problemas, como la estabilidad del amplificador en aplicaciones de lazo cerrado. A continuación, se abordan ambos aspectos y se resumen diferentes métodos para superar estos problemas.

La ganancia máxima de un transistor MOSFET individual se llama ganancia intrínseca y es igual a

${\displaystyle Av_{\text{int}}=g_{m}r_{o},}$

dónde${\displaystyle g_{m}}$es la transconductancia y${\displaystyle r_{o}}$es la resistencia de salida del transistor. Como primera aproximación,${\displaystyle r_{o}}$es directamente proporcional a la longitud del canal de los transistores. En un amplificador de una sola etapa, se puede aumentar la longitud del canal para obtener una mayor resistencia de salida y ganancia, pero esto también aumenta la capacitancia parásita de los transistores, lo que limita el ancho de banda del amplificador . La longitud del canal del transistor es menor en las tecnologías CMOS modernas, lo que hace que lograr una alta ganancia en amplificadores de una sola etapa sea muy difícil. Para lograr una alta ganancia, la literatura ha sugerido muchas técnicas. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Las siguientes secciones analizan diferentes topologías de amplificadores y sus características.

Los amplificadores telescópicos, de cascodo plegado (FC) o de cascodo de reciclaje (RFC) son los amplificadores de una sola etapa más comunes. Todas estas estructuras utilizan transistores como cargas activas para proporcionar una mayor resistencia de salida (=  mayor ganancia) y amplitud de salida. Un amplificador telescópico proporciona una mayor ganancia (debido a una mayor resistencia de salida) y un mayor ancho de banda (debido a un polo no dominante más pequeño en el nodo de cascodo). En cambio, tiene una amplitud de salida limitada y dificultad en la implementación de un búfer de ganancia unitaria. Aunque el FC tiene menor ganancia y ancho de banda, puede proporcionar una mayor amplitud de salida, una ventaja importante en las tecnologías CMOS modernas con voltaje de alimentación reducido. Además, dado que el voltaje de CC de los nodos de entrada y salida puede ser el mismo, es más adecuado para la implementación de un búfer de ganancia unitaria. ^{[ 3 ]} El FC se utiliza recientemente para implementar un integrador en una aplicación de biosensores nano. ^{[ 9 ] [ 10 ]} También se puede utilizar como una etapa en amplificadores multietapa. Como ejemplo, FC se utiliza como etapa de entrada de un amplificador de dos etapas en el diseño de un circuito potenciostático , que es para medir actividades neuronales o detección de ADN. ^{[ 11 ]} También se puede utilizar para realizar un amplificador de transimpedancia (TIA). TIA se puede utilizar en biosensores amperométricos para medir la corriente de células o soluciones para definir las características de un dispositivo bajo prueba ^{[ 12 ]} En la última década , los diseñadores de circuitos han propuesto diferentes versiones modificadas del circuito FC. RFC es una de las versiones modificadas del amplificador FC, que proporciona mayor ganancia, mayor ancho de banda y también mayor velocidad de cambio en comparación con FC (para el mismo consumo de energía). ^{[ 13 ]} Recientemente, el amplificador RFC se ha utilizado en una matriz de sensores híbridos CMOS- grafeno para la medición de dopamina en subsegundos . ^{[ 14 ]} Se utiliza como un amplificador de bajo ruido para implementar un integrador.

Estabilidad

En muchas aplicaciones, un amplificador controla un condensador como carga. En algunas aplicaciones, como los circuitos de condensadores conmutados , el valor de la carga capacitiva cambia en diferentes ciclos. Por lo tanto, afecta la constante de tiempo del nodo de salida y la respuesta en frecuencia del amplificador . Es necesario un comportamiento estable del amplificador para todas las posibles cargas capacitivas, y el diseñador debe considerar este aspecto durante el diseño del circuito. El diseñador debe asegurarse de que el margen de fase (PM) del circuito sea suficiente para el peor de los casos. Para obtener un comportamiento y una respuesta temporal adecuados del circuito, los diseñadores suelen considerar un PM de 60 grados. Para valores de PM más altos, el circuito es más estable, pero la tensión de salida tarda más en alcanzar su valor final. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} En los amplificadores telescópicos y FC, el polo dominante se encuentra en los nodos de salida. Además, hay un polo no dominante en el nodo cascode. ^{[ 3 ]} Dado que la carga capacitiva está conectada a los nodos de salida, su valor afecta la ubicación del polo dominante. Esta figura muestra cómo la carga capacitiva afecta la ubicación del polo dominante.${\textstyle (\omega _{1})}$y estabilidad. El aumento de la carga capacitiva desplaza el polo dominante hacia el origen, y dado que la frecuencia de ganancia unitaria${\displaystyle (\omega _{\text{unidad}})}$es${\displaystyle A_{v}}$(ganancia del amplificador) veces${\textstyle \omega _{1},}$También se mueve hacia el origen. Por lo tanto, el PM aumenta, lo que mejora la estabilidad. Así, si aseguramos la estabilidad de un circuito para una carga capacitiva mínima, permanece estable para valores de carga mayores. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Para lograr un PM mayor de 60 grados, el polo no dominante${\textstyle (\omega _{2})}$debe ser mayor que${\displaystyle 1.7\,\omega _{\text{unidad}}.}$

En algunas aplicaciones, como filtros de condensadores conmutados o integradores, y diferentes tipos de convertidores analógico-digitales , se  necesita una alta ganancia (70-80 dB), y lograr la ganancia requerida a veces es imposible con amplificadores de una sola etapa. ^{[ 6 ]} Esto es más serio en las tecnologías CMOS modernas, cuyos transistores tienen una menor resistencia de salida debido a la menor longitud del canal. Para lograr una alta ganancia así como una gran oscilación de salida, se han inventado amplificadores multietapa. Para implementar un amplificador de dos etapas, se puede usar un amplificador FC como primera etapa y un amplificador de fuente común como segunda etapa. Además, para implementar un amplificador de cuatro etapas, se pueden conectar en cascada 3 amplificadores de fuente común con un amplificador FC. ^{[ 15 ]} Cabe mencionar que para controlar grandes cargas capacitivas o pequeñas cargas resistivas, la etapa de salida debe ser de clase AB. ^{[ 2 ]} Por ejemplo, se puede usar un amplificador de fuente común con comportamiento de clase AB como etapa final en un amplificador de tres etapas para mejorar no solo la capacidad de control, sino también la ganancia. ^{[ 16 ]} El amplificador de clase AB se puede usar como controlador de columna en LCD . ^{[ 17 ]}

Estabilidad en amplificadores de dos etapas

A diferencia de los amplificadores de una sola etapa, los amplificadores multietapa suelen tener 3 o más polos y, si se utilizan en redes de retroalimentación, el sistema de lazo cerrado probablemente sea inestable. Para lograr un comportamiento estable en los amplificadores multietapa, es necesario utilizar una red de compensación. El objetivo principal de la red de compensación es modificar la función de transferencia del sistema de tal manera que se logre suficiente PM. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Por lo tanto, mediante el uso de la red de compensación, deberíamos obtener una respuesta en frecuencia similar a la que mostramos para los amplificadores de una sola etapa. En los amplificadores de una sola etapa, la carga capacitiva está conectada al nodo de salida, donde se encuentra el polo dominante, y aumentar su valor mejora el PM. ^{[ 3 ]} Así, actúa como un condensador (red) de compensación. Para compensar los amplificadores multietapa, el condensador de compensación se suele utilizar para desplazar el polo dominante a una frecuencia más baja y lograr suficiente PM.

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un amplificador de dos etapas en modo totalmente diferencial y de terminación simple. En un amplificador de dos etapas, la etapa de entrada puede ser un amplificador telescópico o FC. Para la segunda etapa, se suele utilizar un amplificador de fuente común con carga activa. Dado que la resistencia de salida de la primera etapa es mucho mayor que la de la segunda, el polo dominante se encuentra en la salida de la primera etapa.

Sin compensación, el amplificador es inestable, o al menos no tiene suficiente PM. La capacitancia de carga está conectada a la salida de la segunda etapa, donde se produce el polo no dominante. Por lo tanto, a diferencia de los amplificadores de una sola etapa, el aumento de la carga capacitiva desplaza el polo no dominante a una frecuencia más baja y deteriora el PM. ^{[ 3 ]} Mesri et al. propusieron amplificadores de dos etapas que se comportan como amplificadores de una sola etapa, y los amplificadores permanecen estables para valores mayores de cargas capacitivas. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Para obtener un comportamiento adecuado, necesitamos compensar los amplificadores de dos o múltiples etapas. La forma más sencilla de compensar un amplificador de dos etapas, como se muestra en el diagrama de bloques de la izquierda de la figura siguiente, es conectar un condensador de compensación a la salida de la primera etapa y desplazar el polo dominante a frecuencias más bajas. Sin embargo, la realización del condensador en un chip de silicio requiere un área considerable. El método de compensación más común en amplificadores de dos etapas es la compensación de Miller (diagrama de bloques central en la figura siguiente. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 8 ]} En este método, se coloca un condensador de compensación entre el nodo de entrada y el de salida de la segunda etapa. En este caso, el condensador de compensación aparece${\displaystyle 1+|A_{v2}|}$veces mayor en la salida de la primera etapa, y desplaza el polo dominante, así como la frecuencia de ganancia unitaria, a frecuencias más bajas. Además, debido al efecto de división de polos , también desplaza el polo no dominante a frecuencias más altas. Por lo tanto, es un buen candidato para estabilizar el amplificador. La principal ventaja del método de compensación de Miller es reducir el tamaño del condensador de compensación requerido en un factor de${\displaystyle 1+|A_{v2}|.}$El problema que plantea el condensador de compensación de Miller es la introducción de un cero en el semiplano derecho (RHP), lo que reduce la modulación de fase (PM). Afortunadamente, se han sugerido diferentes métodos para resolver este problema. Por ejemplo, para cancelar el efecto del cero RHP, se puede usar una resistencia de anulación en serie con el condensador de compensación (diagrama de bloques de la derecha de la figura siguiente). Según el valor de la resistencia, podemos desplazar el cero RHP a una frecuencia más alta (para cancelar su efecto en la PM), o moverlo al semiplano izquierdo (LHP) (para mejorar la PM), o incluso eliminar el primer polo no dominante para mejorar el ancho de banda y la PM. Este método de compensación se utiliza recientemente en el diseño de amplificadores para circuitos potenciostáticos. ^{[ 11 ]} Debido a la variación del proceso, el valor de la resistencia puede cambiar más del 10%, y por lo tanto afecta la estabilidad. Usar un búfer de corriente o un búfer de voltaje en serie con el condensador de compensación es otra opción para obtener mejores resultados. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 8 ]}

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