Efektivní použití obvodů zlomkového řádu v integrované technice

Abstract

Integrace a derivace jsou obvykle známy pro celočíselný řád (tj. první, druhý, atd.). Existuje ale zobecnění pro zlomkové (neceločíselné) řády, které lze implementovat pomocí elektronických obvodů zlomkového řádu (případně provést jejich aproximaci) a které poskytuje nový stupeň volnosti pro návrh elektronických obvodů. Obvody zlomkového řádu jsou obvykle aproximovány diskrétními součástkami pomocí RC struktur s velkými rozsahy odporů a kapacit, a tím se jeví nepraktické pro použití v integrovaných obvodech. Tato práce prezentuje implementaci obvodů zlomkového řádu v integerovaných obvodech a jejich praktické využití v této oblasti. Jsou použity prvky se soustředěnými parametry (např. RC žebřík) i prvky s rozprostřenými parametery (např. R-PMOScap, skládající se z nesalicidovaného proužku polykrystalického křemíku nad hradlovým oxidem); je použita pouze technologie typu analogvý CMOS bez dodatečných procesních kroků. Užití obvodů zlomkového řádu bylo demonstrováno realizací několika integrovaných napěťových regulátorů, v nichž obvody zlomkového řádu realizují řízení zlomkového řádu za účelem dosažení silné stejnosměrné regulace a dobré stability regulační smyčky - i bez použití kompenzační nuly nebo příliš vysoké externí kapacity (některé napěťové regulátory dovolují i zatěžovací kapacitou v rozsahu nula až nekonečno).

Integration and differentiation are usually known for an integer order (i.e. first, second, etc.); however, a generalization to a fractional (non-integer) order is possible, which can be implemented by fractional-order electronic circuits (or make an approximation) and which provide a new degree of freedom for design. Approximation of fractional-order circuits with discrete components usually employs RC structures with a wide range of resistances and capacitances and appear difficult to use in integrated circuits. This work shows implementation of fractional-order circuits in integrated circuits and their use in circuit design. Lumped-element components (e.g. RC ladder) and distributed elements (e.g. R-PMOScap, consisting of unsalicided polysilicon strip above gate oxide) are used; only analog CMOS process is used, without any special processing steps. The usefulness of fractional-order circuits has been practically demonstrated by realization of several integrated voltage regulators, in which fractional-order circuits implement fractional-order regulation to achieve both tight DC regulation and a good stability of the regulation loop, without requiring a compensation zero or too large external capacitance (some of the regulators even allow a load capacitance from zero to infinity).