Микроэлектроника, 2021, T. 50, № 3, стр. 236-240

ВВЕДЕНИЕ

Зарядочувствительные усилители предназначены для преобразования токового детекторного сигнала в напряжение и традиционно имеют недифференциальный вход и выход. Это связано с тем, что большинство современных детекторов частиц предполагают однофазное (в англ. single-ended) считывание сигнала [1]. В то же время, усложнение считывающей специализированной микроэлектроники, использование современных субмикронных технологий приводит к увеличению влияния помех и паразитных сигналов как на работу зарядочувствительного усилителя, так и всего аналогового канала. Как правило, аналоговый канал в современной многоканальной микросхеме считывания содержит ЗЧУ, усилитель-формирователь (УФ) и аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Для уменьшения помех и паразитных сигналов структура аналогового канала должна быть дифференциальной.

Для преобразования однофазного детекторного сигнала в дифференциальный, обычно используется балансная схема ЗЧУ или следующего за ним УФ, если преобразование сигнала производится после первого каскада усилителя формирователя (УФ1). В таком случае усилитель-формирователь должен быть как минимум двухкаскадным (УФ1, УФ2) (см. рис. 1). При этом балансная схема должна полностью повторять схему ЗЧУ или УФ и как следствие занимает существенную площадь на кристалле.

Рис. 1.

Структура канала с балансным ЗЧУ (а), с балансным УФ (б).

В статье описывается схема формирования балансного сигнала на выходе ЗЧУ за счет использования фильтра низких частот. Фильтр построен на основе однотранзисторного эквивалентного высокоомного сопротивления (построенного по схеме МОП-БТ псевдорезистора [2–4]) и конденсатора, в качестве которого использована подзатворная емкость МОП транзистора. Использование такой структуры фильтра позволило уменьшить как площадь, занимаемую на кристалле, так и потребляемую мощность канала.

Схема ЗЧУ с псевдодифференциальным выходом разработана по КМОП технологии с проектной нормой 180 нм компании UMC и апробирована при проектировании аналогового канала микросхемы считывания сигналов газовых лавинных (GEM) детекторов.

ФИЛЬТР НИЖНИХ ЧАСТОТ

Для создания псевдодифференциального выходного сигнала на выходе ЗЧУ был использован фильтр нижних частот (ФНЧ) с полосой пропускания около 1 Гц. ФНЧ значительно ослабляет (подавляет) переменный сигнал от ЗЧУ, пропуская фактически только его постоянную составляющую. Для создания узкой полосы пропускания был использован псевдорезистор, построенный на транзисторе M1 (см. рис. 2) и конденсатор на транзисторе M0. Дополнительный транзистор M2 предназначен для регулировки и/или отключения фильтра.

Рис. 2.

Фильтр нижних частот.

Емкость конденсатора фильтра была выбрана величиной 4.15 пФ. Она была реализована в виде подзатворной емкости транзистора М0, имеющего топологический размер 29 × 20 мкм. MIM (метал-диэлектрик-метал) конденсатор такого номинала занимал бы в 7.3 раза большую площадь на кристалле.

Псевдорезистор реализован на p-канальном МОП транзисторе, работающем в подпороговой области. Вольт-амперная характеристика псевдорезистора показана в двух масштабах соответственно на рис. 3. Так как амплитуда на выходе усилителя ограничена, и не превышает ±200 мВ, то напряжение U_си псевдорезистора также не превышает это значение. Таким образом в схеме ЗЧУ псевдорезистор всегда работает в диапазоне, показанном на рис. 3б. Для этого диапазона эквивалентное сопротивление псевдорезистора сохраняется в гигаомном диапазоне. Нелинейность характеристики псевдорезистора не является недостатком фильтра, так как цель его использования – полное подавление сигнала. В тоже время экспоненциальное возрастание тока при большом U_си, позволяет фильтру быстрее выйти на режим при включении питания, за счет более быстрой зарядки емкости.

Рис. 3.

Вольт-амперная характеристика псевдорезистора.

В зависимости от соотношения потенциалов на входном (U_вх) и выходном (U_вых) выводе псевдорезистора на его вольтамперной характеристике (рис. 3а) можно выделить две основные области. При U_вх < U_вых псевдорезистор работает в подпороговой области формирующего его длинноканального p-МОП транзистора. При этом в зависимости от длины канала этого транзистора (на рис. 3а и 3б, для примера отражены результаты параметрического анализа для L = 1, 5 и 10 мкм) возможна минимизация протекающего тока между областями стока и истока ценой увеличения величины длины канала L. В рассматриваемой схеме ЗЧУ длина канала выбрана L = 5 мкм. При этом как видно из рис. 3б, в типовом рабочем диапазоне сигналов ЗЧУ до –200 мВ подпороговый ток не превышает величину 10 пА. Эквивалентное динамическое сопротивление псевдорезистора не опускается ниже 4 ГОм.

При U_вх > U_вых протекание тока через псевдорезистор определяется паразитным (конструктивным) pn-переходом (диодом) между истоком p-МОП транзистора (область типа p+) и карманом n-типа. Схемотехническое и топологическое представление псевдорезистора в этой области представлено на рис. 4. При этом ток I_УТ, несмотря на экспоненциальную зависимость диодной характеристики, в рабочем диапазоне до +200 мВ не превышает значение в 1 пА, тем самым сохраняя проходное сопротивление псевдорезистора не ниже 1 ТОм.

Рис. 4.

Схемотехническое (а) и топологическое (б) представление псевдорезистора.

Для использованной КМОП технологии с проектной нормой 180 нм ток утечки между карманом n-типа и подложкой p-типа составляет величину 1.8 пА при обратном смещении около 900 мВ (величина режимного потенциала на выводах псевдорезистора). В процессе работы ЗЧУ данный ток не протекает через псевдорезистор и не создает паразитного потенциального смещения между его выходами. Полученная амплитудно-частотная характеристика фильтра показана на рис. 5.

Рис. 5.

Амплитудно-частотная характеристика ФНЧ.

СХЕМА ЗАРЯДОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Схема ЗЧУ показана на рис. 6. Для упрощения на ней не показаны опорные источники величиной 600 и 900 мВ. ЗЧУ построен по схеме телескопического каскада с дополнительным (boosting) усилителем на транзисторах M0, M3 и M6. Дополнительный усилитель позволяет увеличить выходное сопротивление каскада и поднять выходное сопротивление в высокоомной точке (на стоке n-канального МОП транзистора M3) до 5.4 МОм. Источник тока на транзисторах M4 и M5 позволяет увеличить ток, протекающий через входной транзистор M0 и поднять усиление каскада за счет увеличения крутизны головного транзистора M0.

Рис. 6.

Схема ЗЧУ.

Для минимизации шума ЗЧУ при ограниченной потребляемой мощности, режим работы входного n-канального транзистора M0 выбран таким образом, чтобы он работал в области умеренной инверсии [5, 6]. Эквивалентная ширина канала транзистора составляет 3 мм, длина 300 нм. При этом длина канала выбрана не минимальной с целью минимизации коротко-канальных эффектов и оптимизации шума. Ток, протекающий через входной транзистор равен 1.5 мА. Крутизна входного транзистора составляет ~3 мА/В. Режимный потенциал на затворе входного транзистора M0 установлен на уровне 430 мВ. С учетом выходного повторителя напряжения, имеющего коэффициент передачи 0.87 общий коэффициент усиления по напряжению ЗЧУ без обратной связи составляет около 80 дБ.

ЗЧУ рассчитан на работу с сигналами обеих полярностей амплитудой не более 100 фКл, и для обеспечения линейности при выбранном режимном потенциале, коэффициент усиления установлен на уровне 2 мВ/фКл (емкость обратной связи 500 фФ). Резистор в обратной связи был выбран 500 кОм, исходя из необходимой постоянной времени разрядки емкости обратной связи.

Для формирования псевдодифференциального выхода, к выходному повторителю M8, M9 подключен описанный фильтр нижних частот. Балансный выход организован с помощью повторителя на транзисторах M10, M11, эквивалентного выходному повторителю на M8, M9. Таким образом, на балансном выходе усилителя формируется опорный сигнал, равный режимному напряжению на сигнальном выходе. На рис. 7 приведены результаты моделирования ЗЧУ При амплитуде на выходе ЗЧУ 180 мВ, размах сигнала на балансном выходе не превышает 200 мкВ, то есть паразитный пролаз составляет около 0.11% от амплитуды сигнала. Интегральный шум на псевдодифференциальном выходе ЗЧУ составляет при нулевой детекторной емкости 130 мкВ и дополнительно увеличивается на 2.7 мкВ/пФ. Топология блока ЗЧУ показана на рис. 8. Размер топологии составляет 320 × 100 мкм. Элементы фильтра заштрихованы.

Рис. 7.

Отклик ЗЧУ: сигнальный выход (сверху), балансный (снизу).

Рис. 8.

Топология ЗЧУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проектирования зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ) с псевдодифференциальным выходом показали возможность его использования на входе дифференциальных аналоговых трактов обработки детекторных сигналов. Для создания псевдодифференциального выхода зарядочувствительного усилителя использован ФНЧ с полосой пропускания 1 Гц, построенный на псевдорезисторе. Представленные результаты моделирования схем и разработанная топология ФНЧ и ЗЧУ получены с использованием технологических библиотек КМОП технологии с проектной нормой 180 нм, но в виду универсальности могут быть обобщены для более современных технологий.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, грант № 18-79-10259.