طراحی و شبیه سازی تقویت کننده های با آفست پایین برای کاربرد در حسگر های اثر هال
چکیده
در این پایان نامه ابتدا به ویژگی های فیزیکی و پارامترهای موثر در صفحه هال پرداخته شده است و روش شبیه سازی عددی صفحه هال نیز مورد بررسی قرار گرفته است.در ادامه به بررسی و طراحی تقویت کننده هایی با آفست کم و مناسب برای حسگر هال پرداخته شده است. آفست و نویز عملکرد بسیاری از سیستم های الکترونیکی همچون حسگر هال و قطعات بیومدیکال را محدود میسازد. آفست به دلیل عدم تقارن قطعات به وجود میآید. نویز را میتوان به دو دستهی نویز گرمایی و نویز فیلیکر تقسیم کرد. در سالهای گذشته با گذر از تکنولوژی دو قطبی به پروسهی cmos این مشکل به دلیل اینکه تکنولوژی cmos دارای نویز فیلیکر بیشتری است و روش تنظیم دستی مقاومتهای مدار که در تکنولوژی دوقطبی به صورت گسترده استفاده میشده است، دیگر برای حذف نویز فیلیکر کارآمد نمی باشد، بحرانیتر شده است. در این پایاننامه تقویت کننده ی عملیاتی با جبرانسازی پایدار chopper-autozero که برای سیگنال خروجی معمول حسگرها، با اندازه ای در مرتبه ی میکرو ولت و دارای پهنای باند dc تا چند کیلوهرتز، مانند صفحه هال کارآمد می باشد، توصیف شده اند.تقویت چنین سیگنال هایی به تقویت کننده ای با پهنای باند چند مگاهرتز نیازمند است. چنین پهنای باندی به صورت مستقیم از روش های چاپر و autozero که بین پهنای باند و جبرانسازی آفست آنها یک مصالحه وجود دارد، امکان پذیر نمی باشد. روش چاپر تاثیری بر ویژگی های نویز سفید ورودی نمی گذارد، اما میزان زیادی از طیف انرژی را به دلیل عملیات مدولاسیون نویز و آفست به فرکانس برش انتقال می دهد. این سیگنال انتقال یافته باید حذف گردد و به یک بلوک فیلتر مرتبه ی بالا نیازمند است. نیاز به یک فیلتر پایین گذر، روش چاپر را برای مصارف با پهنای باند زیاد نامناسب ساخته است. روش autozero از نویز فیلیکر می کاهد، اما طیف توان نویز را به دلیل تداخل ناشی از نمونه برداری از سیگنال ورودی و انباشته شدن نویز سفید در فرکانس dc افزایش می دهد. همچنین نمونه برداری از سیگنال ورودی در حوزه ی زمان، روش autozero را برای عملیات های زمان پیوسته نامناسب ساخته است. در شرایطی که تقویت کننده ای زمان پیوسته مورد نیاز است، ساختار autozero به صورت دوگانه در آمده و با استفاده از عملیات زمان بندی شده استفاده می شود. اما سوییچینگ دو تقویت کننده می تواند موجب پرشهایی در سیگنال خروجی شود. به همین علت در این پایان نامه برای داشتن تقویت کننده ای زمان-پیوسته، با آفست پایین و بدون پرش در خروجی، از یک ساختار پیشخوراند، به همراه روش های دینامیک حذف کننده ی آفست در مسیر کند آن، استفاده کرده ایم. علاوه بر این با استفاده ی همزمان از روشهای chopping و autozeroing نویز سفید را کاهش دادیم. از سوی دیگر این ساختار بدون نیاز به فیلتر پایین گذر، نویز انتقالی به فرکانس برش را حذف می نماید. کاهش آفست انتقالی در این تقویت کننده با استفاده از یک مدار نمونه بردار مناسب میسر شده است. نهایتا با طراحی دقیق قطب و صفر تقویت کننده ی مسیر پیشخوراند و تقویت کننده ی اصلی، یک تقویت کننده ی زمان-پیوسته و پهن-باند با آفست پایین بدست آمده است.