Návrh nízkošumového zesilovače ultrazvukového signálu pro průmyslové aplikace

Abstract

Práce se zabývá návrhem nízkošumového zesilovače ultrazvukového signálu pro průmyslové aplikace v technologii BCD65 firmy onsemi. Byla zvolena topologie folded cascode OTA zesilovače. Pomocí ideového návrhu zesilovače a základních výpočtů byly stanoveny makroparametry zesilovače. Návrh nízkošumového zesilovače byl proveden pomocí simulátoru Spectre a prostředí Cadence Virtuoso. Pomocí analýzy AC bylo ověřeno, že zesilovač splňuje požadovanou šířku pásma pro obě zesílení 24,1 dB a 30,1 dB. Stabilita zesilovače byla ověřena pomocí analýzy STB v invertujícím zapojení zesilovače. Zvětšování plochy vstupních tranzistorů T1 a T2 s cílem snížit blikavý šum na kmitočtu 1 MHz vedlo ke snížení hodnoty PSRR, proto byl udělán kompromis, kdy bylo dosaženo nízkošumového požadavku 2,5 nV/Hz na kmitočtu 6 MHz. S vytvořenými proudovými a napěťovými biasovými obvody bylo možné provést charakterizaci obvodu pomocí tzv. Corner analýzy, díky které bylo optimalizováno a ověřeno chování obvodu v krajních podmínkách. Pomocí analýzy TRAN byly ověřeny maximální možné amplitudy vstupního a výstupního signálu, při kterých zesilovač správně funguje.

The work focuses on the design of a low-noise amplifier for ultrasonic signals applied in industrial applications using onsemi’s BCD65 technology. A folded cascode OTA topology was selected for the amplifier. The amplifier’s macro parameters were determined through conceptual design and basic calculations. The low-noise amplifier design was implemented using the Spectre simulator and the Cadence Virtuoso environment. AC analysis verified that the amplifier meets the required bandwidth for both gain settings of 24.1 dB and 30.1 dB. Stability was confirmed through STB analysis conducted in the inverting configuration. Increasing the areas of input transistors T1 and T2 in an attempt to reduce flicker noise at 1 MHz led to a reduction in PSRR; consequently, a compromise was reached whereby the low-noise specification of 2.5 nV/Hz is achieved at 6 MHz. With the designed current and voltage bias circuits, the circuit was characterized using Corner analysis to optimize and validate its performance under extreme conditions. Transient analysis verified the maximum possible amplitudes of the input and output signals at which the amplifier operates correctly.