Basic&CMOS&OPAMPs& - Technische Universität Mü · PDF fileTwo&Stage&CMOS&OPAMP&...

Post on 06-Mar-2018

212 views 0 download

Transcript of Basic&CMOS&OPAMPs& - Technische Universität Mü · PDF fileTwo&Stage&CMOS&OPAMP&...

Basic  CMOS  OPAMPs  

Amplifiers  

Name   Input  Quan,ty   Output  Quan,ty  

Opera3onal  Amplifier  (OPAMP)   Voltage   Voltage  

Opera3onal  Transconductance  Amplifier  (OTA)  

Voltage   Current  

Opera3onal  Current  Amplifier  (OCA)   Current   Current  

Current  Mode  Amplifier   Current   Voltage  

OPAMPs  

•  An  OPAMP  is  essen3ally  a  single  pole  amplifier.  It  exchanges  gain  for  bandwidth.  All  other  poles  are  beyond  the  GBW.  

•  Mul3stage  amplifiers  have  several  poles  and  can  work  properly  at  one  gain.  They  do  not  exchange  gain  for  bandwidth.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  VDD

VSS

Vin- Vin+

VoutQ1

Q4

Q5

Q6

Q7

+

I1

Q8

Q2

Q3

Cc

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  The  gain  can  be  wriJen  simply  as,  

•  The  capacitances  are,  €

A1 = −Gm1R1 = −gm1 r02 r04( )A2 = −Gm2R2 = −gm6 r06 r07( )A = A1A2Rout = r06 r07

C1 = Cgd 2 +Cdb2 +Cgd 4 +Cdb4 +Cgs6

C2 = Cdb6 +Cdb7 +Cgd 7 +CL

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  From  the  previous  discussion  on  frequency  compensa3on,  

•  To  achieve  -­‐20  dB/dec  down  to  0  dB,  €

f p1 ≈1

2πR1Gm2R2CC

f p2 ≈Gm2

2πC2

fz ≈Gm2

2πCC

GBW = f t = A fp1 =Gm1

2πCC

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  This  frequency  must  be  lower  than  fp2  and  fz.  Thus,  

•  In  prac3ce,  C2  is  typically  equal  to  CL.  C1  is  a  parasi3c  capacitance  and  should  be  included  into  the  calcula3ons  as  a  correc3on.  

Gm1

CC

<Gm2

C2

Gm1 <Gm2

GBW =Gm1

2πCC

, fnd =Gm2

2πCL

1

1+Cn1

CC

Two  Stage  CMOS  OPAMP  

•  Assigning  fnd  as  3GBW  and  Cn1/CC  as  0.3,  we  find  a  simple  rule,  

•  This  expression  tells  us  to  use  larger  current  in  the  second  stage.  

•  Once  CC  is  chosen,  the  design  can  be  completed  easily.  

Gm2

Gm1≈ 4 CL

CC

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  The  total  phase  at  f=ft  is  simply  

•  The  phase  of  the  zero  is  added,  not  subtracted  because  it  is  a  posi3ve  zero.  €

φtotal = 90° + tan−1 f tf p2

⎝ ⎜ ⎜

⎠ ⎟ ⎟ + tan

−1 f tf z

⎝ ⎜

⎠ ⎟

PhaseM argin = 90° − tan−1 f tf p2

⎝ ⎜ ⎜

⎠ ⎟ ⎟ − tan

−1 f tf z

⎝ ⎜

⎠ ⎟

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  This  zero  is  actually  due  to  the  feedforward  through  the  capacitance.  

•  The  current  passing  through  the  capacitor  cancels  out  the  output  current  of  the  amplifier,  causing  a  zero.  

•  To  get  rid  of  this  zero,  we  have  to  make  the  flow  unidirec3onal;  that  is,  cut  the  feedforward,  but  keep  the  feedback.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  There  are  several  solu3ons  by  using  source  followers  or  cascodes,  but  they  are  complicated  circuits.  

•  The  simplest  solu3on  is  to  use  a  resistance  R  in  series  with  CC.    

•  The  func3onality  of  this  resistor  can  be  easily  understood  if  we  write  the  current  through  CC.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Thus,  

•  The  new  loca3on  of  the  zero  is  at  

•  By  selec3ng  R  =  1/Gm2,  the  zero  can  be  eliminated.    

•  Even  if  complete  matching  cannot  be  achieved,  the  zero  can  be  pushed  to  higher  frequencies  or  converted  to  a  nega3ve  zero.    

Vi2

R +1sCC

=Gm2Vi2

s =1

CC1Gm2

− R⎛

⎝ ⎜

⎠ ⎟

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  However,  too  large  a  value  should  not  be  chosen  either  since  the  nega3ve  zero  is  beneficial.  Hence  choose  the  zero  to  be  less  than  3GBW.  

•  Thus,  a  range  for  R  can  be  determined  as,  

1Gm2

< R <13Gm1

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Slew  rate  is  generally  due  to  the  first  stage  and  the  compensa3on  capacitance.  

•  Slew  rate  is  simply  I/CC,  where  I  is  the  tail  current  of  the  first  stage.  

•  Also,  from  these  equa3ons,  SR  =  VOVωt.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Define  a  Figure  of  Merit  (FOM)  for  our  OPAMP  designs  as  

•  This  will  be  used  to  evaluate  our  designs.    €

FOM =GBWxCL

IBIAS

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Let  us  try  to  design  a  two  stage  OPAMP  with  GBW  of  400  MHz  and  CL  =  5  pF.  

•  We  have  two  equa3ons  rela3ng  the  three  unknown  variables,  Gm1,  Gm2,  and  CC.  

•  If  you  start  by  choosing  CC  first,  its  minimum  is  about  3Cn1  and  maximum  is  CL/{2-­‐3}.  

•  By  adjus3ng  CC,  a  minimum  power  point  can  be  found.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

0.0E+00  

5.0E-­‐06  

1.0E-­‐05  

1.5E-­‐05  

2.0E-­‐05  

2.5E-­‐05  

3.0E-­‐05  

0   1E-­‐12   2E-­‐12   3E-­‐12   4E-­‐12   5E-­‐12   6E-­‐12  

I1  

I6  

Itot  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  This  graph  was  drawn  for  GBW  =  1MHz,  CL  =  10pF,  Cn1  =  0.4pF,  VGS  –  VT  =  0.2V,  and  fnd  =  3MHz.  

•  You  can  play  with  these  values  in  the  excel  chart  to  obtain  your  op3mum.  

•  Note  that  Cn1  actually  changes  with  the  sizing  of  transistor  M6.  Thus,  this  graph  is  not  exact.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  The  second  alterna3ve  is  to  choose  Gm2  first.  The  absolute  minimum  for  this  value  is  3(GBW)(2π)CL.    

•  Now,  choose  a  Gm2  which  is  30%  larger  (corresponding  to  CC  =  3Cn1).  Then,  the  parasi3c  Cn1  is  determined  right  away.  One  can  move  from  here  to  calculate  other  variables.  

•  The  third  alterna3ve  is  to  choose  Gm1  first.  This  is  useful  to  minimize  noise.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Concentrate  the  choices  in  coefficients:  

•  Then,  the  GBW  is  given  as  

CL = αCC ,CC = βCn1 = βCGS6, fnd = γGBW

GBW =gm62πCgs6

1αβγ 1+1 β( )

fT6  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Choose  α,β,γ                  2  3  2  •  Calculate  fT6  from  GBW          6.4  GHz  •  Calculate  L6  for  VGS  –  VT  of  0.2V      0.5  µm  •  Calculate  W6  from  CL            417  µm  – Determine  IDS6                2.3  mA  – Determine  Cn1                0.83  pF  

•  Calculate  CC  from  CL  and  α        2.5  pF  •  Calculate  gm1  and  IDS1            0.63  mA  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  The  total  current  consump3on  is  3.56  mA.  •  The  FOM  is  561  MHzpF/mA.  

•  Remember  fT  in  ac3ve  region:  

•  And  fT  in  subthreshold  region:  

fT =1.5 µn

2πL2(VGS −VT )

fT =12π

ItkTq

1CD

1L2

IDIM

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  For  smaller  GBW  values,  the  transistors  can  be  biased  in  weak  inversion  or  in  the  boundary.  

•  Rewri3ng  the  above  equa3ons  by  using  the  inversion  coefficient  technique,  

fTfTH

= i 1− e− i( ) ≈ i

fTH =2µkT q2πL2

for  small  i  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Let  us  now  do  a  design  for  GBW  =  1MHz  and  CL  =  5pF.  

•  The  transistors  are  probably  in  weak  inversion.  •  Thus,  it  may  be  a  good  idea  to  use  the  EKV  equa3ons.  

Two  Stage  Miller  OPAMP  

•  Choose  α,  β,  and  γ                2  3  2  •  Calculate  minimum  fT6              16  MHz  •  Choose  a  channel  length,  L6          0.5  µm  

–  Calculate  fTH6                  2  GHz  •  Calculate  inversion  coefficient          0.008  •  Calculate  W6  from  CL              417  µm  

–  Calculate  IDST6                  0.33  mA  –  Calculate  IDS6                  2.7  µA  –  Calculate  Cn1                  0.83  pF  

•  Calculate  CC                    2.5  pF  •  Calculate  gm1  and  IDS1              1.6  µA  

OPAMP  Specifica3ons  

•  Introductory  analysis  – DC  currents  and  voltages  on  all  nodes  – Small  signal  parameters  of  all  transistors  

•  DC  Analysis  – CM  input  voltage  range  vs  supply  voltage  – Output  voltage  range  vs  supply  voltage  – Maximum  output  current  (sink  and  source)  

OPAMP  Specifica3ons  

•  AC  and  transient  analysis  – AC  resistance  and  capacitance  on  all  nodes  – Gain  vs  frequency  – GBW  vs  biasing  current  – SR  vs  load  capacitance  – Output  voltage  range  vs  frequency  – SeJling  3me  –  Input  impedance  vs  frequency  – Output  impedance  vs  frequency  

OPAMP  Specifica3ons  

•  Specifica3ons  related  to  offset  and  noise  – Offset  voltage  vs  CM  input  voltage  –  CMRR  vs  frequency  

–  Input  bias  current  and  offset  –  Equivalent  input  noise  voltage  vs  frequency  –  Equivalent  input  noise  current  vs  frequency  – Noise  op3miza3on  for  capaci3ve/induc3ve  sources  

–  PSRR  vs  frequency  – Distor3on  

OPAMP  Specifica3ons  

•  Other  second  order  effects  – Stability  for  induc3ve  loads  – Switching  the  biasing  transistors  – Switching  or  ramping  the  supply  voltages  – Different  supply  voltages,  temperatures,  …  

Common  Mode  Input  Voltage  Range  

•  The  maximum  input  voltage  is  VDD  –  VGS1  –  VDS7  

•  The  minimum  input  voltage  is  VSS  +  VGS3  +  VDS1  –  VGS1  

•  We  can  go  closer  to  the  nega3ve  supply  voltage.  

•  The  opposite  is  true  for  an  NMOS  input  circuit.  

Output  Voltage  Range  

•  If  no  resis3ve  loads  are  present,  the  output  can  go  rail  to  rail.  

•  Otherwise,  there  is  a  resis3ve  divider  between  the  load  and  the  output  resistors.  

Slew  Rate  Revisited  

•  The  worst  slewing  condi3on  occurs  when  an  ideal  square  wave  is  applied  to  the  OPAMP.  

•  The  square  wave  is  converted  to  a  triangular  wave  with  VOUT,max  =  SR/4fmax.  

•  As  discussed  above  

SRGBW

=4πIDS1gm1

IDS1gm1

=VGS1 −VT

2IDS1gm1

=nkTq

ICE1gm1

=kTq

Strong  inversion  

Weak  inversion  

BJT  

Slew  Rate  

•  Actually,  there  are  two  types  of  slew  rate,  external  and  internal.  

•  SR  is  also  related  to  seJling  3me.  €

SRint =IBCC

SRext =IDS7CL

ttot = tslew + t0.1 =VOUTSR

+7

2πBWln(1000) ≈ 7

Output  Impedance  

•  In  the  open-­‐loop  configura3on,  the  output  impedance  is    

•  However,  this  impedance  starts  dropping  at  the  dominant  pole  and  drops  un3l  

•  At  fnd,  there  is  a  second  pole  with  CL.  •  Thus,  the  output  impedance  is  not  as  large  as  expected.  

•  Furthermore,  the  OPAMP  is  typically  used  with  feedback.  

Rout = r06 r07

Rout = 1gm6

Noise  Behavior  

•  The  first  stage  is  the  dominant  noise  source  all  the  way  to  GBW.  

•  It  is  enough  to  calculate  this  noise.  •  The  noise  density  is  given  by  

•  Using  the  concept  of  noise  bandwidth,  the  integrated  noise  is  given  by  

viN2 = 4kT 4 3

gmΔf

4kT3CC

A  Few  Comments  on  the  Input  Stage  

•  Choose  p-­‐channel  over  n-­‐channel  for  input  differen3al  amplifier  due  to  – Lower  noise  – BeJer  slew  rate  – BeJer  GBW  

•  Noise  op3miza3on  can  be  performed  on  the  first  stage  by  changing  the  NMOS  mirror  dimensions  as  well.  

Telescopic  Cascode  Amplifier  VDD

VBIAS1

VIN+VIN-

VBIAS2

VBIAS3

Q1

Q4

Q5 Q6

Q7 Q8

Q9

Q3

Q2

Telescopic  Cascode  Amplifier  

•  Provides  more  gain  at  low  frequencies.  •  GBW  does  not  change.  

•  You  can  actually  use  gain  boos3ng  to  the  cascodes  to  increase  the  gain  further.  However,  the  GBW  will  not  change.  

GBW =gm12πCL

Telescopic  Cascode  Amplifier  

•  This  is  a  single  stage  amplifier.  No  major  issues  about  stability.  

•  The  output  and  input  swings  are  quite  small.  

•  This  circuit  is  more  an  OTA  than  an  OPAMP  due  to  its  high  output  resistance.  

•  High  output  resistance  is  not  a  big  problem  when  driving  capaci3ve  loads.  

Telescopic  Cascode  Amplifier  

•  The  maximum  output  swing  for  a  standard  configura3on  is  given  by  

•  For  our  case,  it  is  increased  slightly.  •  The  input  swing  is  also  limited.  €

Vswing = 2 VDD − 2Vov,n + 2Vov,p +Vcs( )[ ]

Telescopic  Cascode  Amplifier  

•  Another  very  important  limita3on  related  to  the  above  is  the  voltage  mismatch  between  input  and  outputs.  Imagine  unity  gain  F/B  between  gate  of  M2  and  drain  of  M6.  

•  For  the  new  circuit,  both  transistors  have  to  remain  in  ac3ve  region.  Thus,  VBIAS3  must  be  chosen  very  carefully.  Also,  the  swing  is  very  limited.  

Folded  Cascode  OTA  

VIN-

VIN+VBIAS1

VBIAS2

VBIAS3

VBIAS4

VOUT

VDD

Q1

Q4

Q6

Q8

Q9

Q10 Q11

Q2

Q5

Q7

Q3

Folded  Cascode  OTA  

•  This  circuit  is  symmetrical  since  M1  and  M2  see  the  same  impedance.  

•  The  output  is  the  only  high  resistance  point;  thus  no  compensa3on  is  necessary.  

•  The  input  is  again  high-­‐swing.  •  The  output  swing  is  slightly  higher  (by  one  current  source  voltage)  than  the  telescopic  cascode.  

Folded  Cascode  OTA  -­‐  DC  

•  Choose  bias  current  through  M9  as  100  µA  as  an  example.    

•  M1  and  M2  each  conduct  50  µA.  •  Choose  the  currents  through  M10  and  M11  as  100  µA.  Then,  the  rest  of  the  transistors  will  conduct  50  µA.    

•  It  is  not  a  necessity  to  equate  the  currents  through  M9  and  M10-­‐11.  However,  good  choice  for  symmetry.  

Folded  Cascode  OTA  

•  The  power  consump3on  is  thus  twice  the  telescopic  OTA.    

•  The  Gain  and  GBW  expressions  are  exactly  the  same.    

•  Why  bother  with  the  folded  cascode  rather  than  the  telescopic  cascode?  Same  performance  at  twice  the  power?  

Folded  Cascode  OTA  

•  The  first  non-­‐dominant  pole  comes  from  the  drains  of  M1  and  M2.  They  form  together  one  single  non-­‐dominant  pole  at  approximately  fT3/3.  

•  The  other  non-­‐dominant  poles  arising  from  M5-­‐M6-­‐M7-­‐M8  are  followed  immediately  by  zeros  and  are  not  discernible.  

•  Hence,  this  OTA  has  only  one  important  non-­‐dominant  pole  and  is  quite  easy  to  design.  

Folded  Cascode  OTA  

•  Choose  Vov1,2  as  0.2V  and  Vov10,11  as  0.5V.    •  Then,  inputs  can  go  all  the  way  down  to  VSS.  

•  Hence,  high  input  swing  can  be  achieved.  •  Input  and  output  voltage  levels  can  easily  be  matched.  

A  Small  Comparison  

•  GBW  =  100MHz,  CL  =  2pF,  VGS  –  VT  =  0.2V.  

Type   ITOT   Swing  

2-­‐stage  Miller   1.1   large  

Telescopic   0.25   small  

Folded  Cascode   0.5   average  

Symmetrical  CMOS  OTA  

VDD

Vout

VBIAS

1 : BB : 1

Q1

Q3 Q6

Q8Q9

Q2

Q4Q5

Q7

Symmetrical  CMOS  OTA  

•  Although  this  has  3  current  mirrors  as  opposed  to  only  one  in  a  simple  single  stage  amplifier,  the  performance  is  in  essence  the  same.  

•  However,  this  amplifier  is  the  best  you  can  achieve  in  terms  of  symmetry.  

•  Furthermore,  B  can  be  used  to  obtain  more  gain.  

Symmetrical  CMOS  OTA  

•  The  gain  is  now  gm1RoutB.  •  The  BW  is  again  given  by  

•  Thus,  GBW  is  

•  How  large  can  we  make  B?  

BW =1

2πRoutCL

GBW = B gm12πCL

Symmetrical  CMOS  OTA  

•  The  two  nodes  drain  of  M1  and  drain  of  M2  cause  a  single  pole.  The  capacitance  at  this  node  is  given  by  

•  The  pole  at  the  drains  of  M5  and  M7  is  closely  followed  by  a  zero  and  can  be  ignored.  

•  Thus,  the  maximum  of  B  can  be  found  by  equa3ng  fnd  to  3GBW.  It  is  typically  3…5.  

C = 1+ B( )Cgs4 +Cdb4 +Cdb2 ≈ 3+ B( )Cgs4

fnd =gm42πC

≈fT 43+ B

Symmetrical  CMOS  OTA  

•  A  symmetrical  OTA  can  be  built  easily  with  cascodes  as  well.  

•  This  will  increase  gain  at  low  frequencies,  but  not  the  GBW.  

Fully  Differen3al  Amplifiers  VDD

VBIAS1

VBIAS2

VIN- VIN+

VOUT+ VOUT-

Q1

Q4

Q5

Q3

Q2

Fully  Differen3al  Amplifiers  

•  We  can  use  this  amplifier  for  differen3al  opera3on  which  is  desired  in  most  applica3ons.  

•  However,  very  good  control  of  biasing  voltages  is  necessary  which  is  typically  not  possible.    

•  Therefore  Common  Mode  Feedback  (CMFB)  should  be  used.  

Fully  Differen3al  Amplifiers  

•  A  CMFB  circuit  senses  the  common  mode  level  in  the  two  outputs.  Then,  it  feeds  back  a  signal  related  to  this  to  the  tail  current.  

•  A  typical  sensing  circuitry  can  be  two  resistors  taking  the  average  of  the  two  outputs.  

•  However,  the  resistors  will  load  the  circuit.  You  may  use  source  followers  to  isolate  the  CMFB  circuit.  

•  Then,  the  CMFB  signal  can  be  compared  against  a  reference  and  be  fed  back  to  the  tail.  

Fully  Differen3al  Amplifiers  

•  Fully  differen3al  amplifiers  are  almost  always  used  in  prac3ce.  CMFB  is  also  very  commonly  used.  

•  The  Miller  OPAMP  or  cascode  or  folded  cascode  amplifiers  can  all  be  made  differen3al.  

•  CMFB  will  be  discussed  later.