IC-Design zur Verstärkung von Mikrovolt auf Volt zur Herstellung eines Komparators

Ich entwickle einen IC in CMOS-Technologie, den ich unter anderem brauche, um ein Signal mit einem anderen zu vergleichen. Ich brauche ein Rechteckwellensignal über einer Grenze, um VDD zu ergeben, und Signale unter dieser Grenze, um GND zu geben.

Das Problem ist, dass die verwendete Rechteckwelle im Mikrovoltbereich liegt und mit dem Komparatorprojekt, das ich habe, nicht gut funktioniert. Also dachte ich daran, dieses Signal vor dem Vergleich zu verstärken, indem ich einen gemeinsamen Quellenverstärker mit aktiver Last verwendete, aber leider funktionierte die Schaltung nicht so, wie sie sollte.

Ich wundere mich:

  1. Wenn es ein vollständiges Schema einer Komparatorschaltung gibt, die Vergleiche im Mikrovoltbereich durchführen kann?

ODER

  1. Wenn es ein vollständiges Schema einer Verstärkerschaltung gibt, die für Signale in der Größenordnung von Mikrovolt funktioniert?

Der Rauschpegel meiner Schaltung liegt in der Größenordnung von Nanovolt, was bedeutet, dass Rauschen beim Verstärkungsprozess keine Rolle spielt.

@EDIT Wie gewünscht

Der Kontext meines Problems ist folgender:

Ich habe einen Lichtsensor, von dem erwartet wird, dass er ein Rechteckwellensignal aufnimmt, das das Vorhandensein oder Fehlen von Licht anzeigt. Dieser Sensor gibt ebenfalls eine Rechteckwelle in der Größenordnung von Mikrovolt aus, jedoch mit variablem Offset. Diese Schaltung wurde bereits getestet und ich weiß, dass sie sehr gut funktioniert. Die erzeugte Rechteckwelle dient als Taktgeber für andere Systemsignale. Die Signalphase spielt hier KEINE Rolle und wird später im System manuell angepasst. Ich brauche nur, dass die Uhr unbedingt von der Lichtuhr kommt. Meine ursprüngliche Idee war also, den Offset zu entfernen und diesen einfach mit GND zu vergleichen, was aufgrund der Art des verwendeten Komparators nicht funktionierte. Mein zweiter Versuch bestand darin, das Signal vor dem Vergleich mit einem Verstärker mit gemeinsamer Quelle zu verstärken, aber auch das war erfolglos, da das Signal nicht richtig verstärkt wurde

Das war der Grund für die gestellte Frage.

Die Projektspezifikationen sind:

180-nm-Technologie

1,8 V Stromversorgung

1-MHz-Eingangsrechteckwellensignal in der Größenordnung von Mikrovolt mit einem Offset in der Größenordnung von 0,5 V (der jedoch nicht relevant ist und sich während des Betriebs langsam ändern kann)

1-MHz-Ausgang von 0 bis 1,8, wobei die Phase im Verhältnis zum Eingang keine Rolle spielt, da sie zu einem späteren Zeitpunkt manuell angepasst wird.

Der Geräuschpegel meiner Umgebung liegt in der Größenordnung von Nanovolt (hochgradig kontrollierte Umgebung und hochpräzise Komponenten, einschließlich der Stromversorgung). Ich kümmere mich nicht viel um das Rauschen, das am Ausgang erzeugt wird.

Bei Bedarf kann ich Referenzsignale für einen Vergleich in der Größenordnung von 1 mV oder höher generieren.

Ich habe keine Bedenken bezüglich Reaktionszeit oder Jitter. Tatsächlich ist das Wichtigste in meinem Projekt, dass ich irgendwann weiß, dass eine 1-MHz-Rechteckwelle empfangen wird.

Ich denke, eine Eingangsimpedanz von 10k reicht für mein Projekt aus. Anfangs habe ich keine Anforderungen an den Ausgangswiderstand. Ich werde die anderen Etappen nach diesen Informationen gestalten.

Ich glaube nicht, dass es eine Einschränkung hinsichtlich der Art der verwendeten Komponenten gibt. Alle Vorschläge sind willkommen

1. Definieren Sie Ihre Anforderungen Eingang DC-Offset Vio, Verstärkung, BW, Anstiegsgeschwindigkeit. Sie können keinen CMOS-Komparator mit einem Eingangsoffset von 1 uV entwerfen, also definieren Sie genauer, was Sie brauchen.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Nun, wahr genug. Aber der LTC1052 erhält eine garantierte absolute maximale Offset-Spezifikation von 5 μ v . Es ist CMOS und ich bin sicher, es gibt bessere. (Wie das Original Intersil ICL7650 – nicht das von Maxim.) Das war einfach zu leicht zu finden, also habe ich aufgehört.
Felipe, vielleicht möchtest du eine Vorverstärkerstufe. Wie diese Phase tatsächlich aussieht, hängt von Ihrem Quellenwiderstand ab. In einigen Fällen sind Sie mit einem JFET besser dran. In anderen Fällen ein BJT. Aber die erste Phase ist meiner Meinung nach der wichtigste Designabschnitt für solche Probleme. BiCMOS möglich? Auch thermoelektrische Potentiale sind in diesem Bereich ein echtes Problem. Wie gehen Sie damit um? Wenn Sie Nanovolt Rauschen sagen, wie kommen Sie darauf? Es gibt das Johnson-Rauschen und sein kT/C-Äquivalent für Kappen; es gibt Schrotrauschen (PN-Übergänge); und diverse andere Quellen. Ich denke, es wird mehr von Ihnen benötigt.
1-uV-Offsetpegel können nur mit Chopper-stabilisierten Methoden durchgeführt werden, aber das wirft immer noch die Frage auf, muss es bei DC sein? Wenn man bedenkt, dass man nur Rechteckwellen will
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 Sie haben völlig Recht, aber ich wollte nur einen generischen Weg kennen, um diese Art von Lösung zu erreichen. BW für meinen Fall ist 10 MHz oder höher. Die Verstärkung ist zumindest etwas, das auf einem Komparator verwendet werden kann (MiliVolt? Also mindestens 1000). DC- und KW-Offset spielt für mich keine Rolle. Es wird das sein, was meine Schaltung zum Laufen bringt. Ich kann sogar eine sehr langsame Reaktion und schlechte Präzision tolerieren, ich muss nur den Vergleich ermöglichen.
@TonyStewartSunnyskyguyEE75 keine DC-Komponente erforderlich. Meine Rechteckwelle wird mit einem Offset erzeugt, aber dieser Offset ist nicht wichtig. Tatsächlich ändert sich dieser Offset im Laufe der Zeit. Wenn also ein Offset erforderlich ist, müsste ich das Original entfernen und ein anderes hinzufügen (das weiß ich, wie es geht).
Das dachte ich mir, also spielt der Vio-Offset keine Rolle und jeder Operationsverstärker mit Komparator für die Ausgangsspezifikationen kann verwendet werden. oder sogar CMOS-Logik, die als selbstvorgespannter Verstärker verwendet wird. Definieren Sie ALLE Spezifikationen. Asym, Offset, Anstiegsgeschwindigkeit
Listen Sie alle fraglichen Eingabe- und Ausgabespezifikationen auf.

Antworten (1)

Ich bin mir nicht sicher, ob dies mit Ihrem Prozess vernünftigerweise möglich ist, aber ein paar Dinge sollten Sie beachten:

Eine AC-Kopplung ist ein Muss, um Ihren variierenden Offset zu eliminieren.

Und Sie müssen noch einen Schritt weiter gehen und einen ziemlich schmalen Bandpassfilter erzeugen, der 1 MHz enthält. Wenn Sie einen DC-gekoppelten Verstärker mit einer Eingangsimpedanz von 1 kOhm und einer Bandbreite von 1 MHz produzieren, erhalten Sie ein absolutes minimales Eingangsrauschen von 4 uV RMS. Da es sich um zufälliges Rauschen handelt, gibt es keine tatsächliche Obergrenze für die Amplitude einzelner Rauschspitzen, aber eine allgemeine Faustregel besagt, dass das Rauschen pk-pk mindestens das 10-fache des RMS-Werts beträgt. Und das Problem verschlimmert sich mit zunehmendem Eingangswiderstand.

Glücklicherweise ist 1 MHz eine ausreichend hohe Frequenz, mit der Sie möglicherweise On-Chip-Filter herstellen können. Beachten Sie jedoch, dass Ihre Dichte schrecklich sein wird, da die zur Herstellung der erforderlichen Kondensatoren erforderliche Fläche viel, viel größer sein wird als Deine Transistoren. Ich würde vorschlagen, dass Sie Ihre Filterkomponenten außerhalb des Chips herstellen. Und 1 MHz ist nicht so hoch, dass Dinge wie Bleiparasiten Anfälle verursachen.

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