8/10/2019 Andreani.pdf

1/4

A

0 . 8 V ,

7 , 1 1 A , R a i l - t o - R a i l I n p u t / O u t p u t ,

C o n s t a n t Gm O p e r a t i o n a l A m p l i f i e r

i n

S t a n d a r d D i g i t a l

0 . 1 8 p - t m

CMOS

J e l e n a C i t a k o v i c , I v a n R i i s

N i e l s e n 2 ,

J a n n i k Hammel

N i e l s e n 1 ,

P e r

A s b e c k 2

a n d

P i e t r o

A n d r e a n i l

1 0 r s t e d - D T U ,

T e c h n i c a l U n i v e r s i t y o f Denmark

DK-2800 K g s .

L y n g b y ,

Denmark

j h c @ o e r s t e d . d t u . d k

2 GN R e S o u n d , M a r k a r v e j 2 a , DK-2630 T a s t r u p , Denmark

A b s t r a c t

A

t w o - s t a g e

a m p l i f i e r ;

o p e r a t i o n a l

a t 0 . 8 V

a n d d r a w i n g

7 , u A , h as b e e n i n t e g r a t e d i n a s t a n d a r d d i g i t a l 0 . 1 8 u m

CMOS p r o c e s s .

R a i l - t o - r a i l

o p e r a t i o n s

a t t h e

i n p u t

a r e

e n -

a b l e d

b y

c o m p l e m e n t a r y

t r a n s i s t o r p a i r s

w i t h

g ,

c o n t r o l .

T h e

e f f i c i e n t

r a i l - t o - r a i l

o u t p u t

s t a g e i s

b i a s e d

i n

c l a s s A B .

T h e m e a s u r e d

D C

g a i n o f

t h e

a m p l i f i e r i s 7 5 d B , a n d

t h e

u n i t y - g a i n f r e q u e n c y

i s

8 7 0 k H z

w i t h a

1 2 p F ;

] O O k Q l o a d .

B o t h

i n p u t

a n d

o u t p u t

s t a g e

t r a n s i s t o r s

a r e

b i a s e d

i n

w e a k

i n v e r s i o n .

1 . I n t r o d u c t i o n

C o n s t a n t

I C

f e a t u r e

s i z e

s c a l i n g

a n d u s e

o f

b a t t e r y p o w -

e r e d d e v i ce s d r i v e

n o w a d a y s

I C s t o w a r d s

r e d u c e d

s u p p l y

v o l t a g e s .

U n l i k e

d i g i t a l c i r c u i t s , a n a l o g

c i r c u i t s d o

n o t a l -

w a y s

b e n e f i t f r o m t h e l o w

s u p p l y

c o n d i t i o n s . T h e

d y n a m i c

r a n g e

i s r e d u c e d w h e n

d e c r e a s i n g

s i g n a l s

i n

a

c i r c u i t . T o

i n c r e a s e

i t ,

a

l o w - v o l t a g e o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r , t h e m a i n

b u i l d i n g

b l o c k

i n

a n a l o g

a n d m i x e d mode

c i r c u i t s ,

h a s t o

d e a l

w i t h

s i g n a l s

t h a t

e x t e n d

f r o m

r a i l t o

r a i l .

An

a d d i -

t i o n a l

c h a l l e n g e

i n

t h e

l o w - v o l t a g e d e s i g n

i s t h e

r e q u i r e -

m e n t f o r new

c i r c u i t s o l u t i o n s

b e c a u s e

o f

t h e f a c t t h a t t h e

t h r e s h o l d

v o l t a g e

i s n o t

s c a l e d p r o p o r t i o n a l l y

w i t h t h e

s u p -

p l y

v o l t a g e .

C o m p a c t

l o w - v o l t a g e p o w e r - e f f i c i e n t a m p l i f i e r s

a r e d e -

s c r i b e d

i n

[ 1 - 4 ] .

T h e s e

a m p l i f i e r s

h a v e

v e r y g o o d

r a i l -

t o - r a i l

c o m p l e m e n t a r y i n p u t

s t a g e s

a n d c u r r e n t e f f i c i e n t

r a i l - t o - r a i l

c l a s s - A B

o u t p u t s t a g e s . T h e minimum s u p p l y

v o l t a g e

t h e y

a r e a b l e

t o

o p e r a t e

w i t h i s

e q u a l

t o

t w o

g a t e -

s o u r c e

p l u s

t w o

s a t u r a t i o n

v o l t a g e s

2 . 5

V

i n

[ 2 ] .

T o e n s u r e

o p e r a t i o n

c l o s e t o IV w i t h t r a n s i s t o r s h a v -

i n g

r e l a t i v e l y h i g h t h r e s h o l d v o l t a g e s

s e v e r a l

d e s i g n t e c h -

n i q u e s

s u c h

a s

i n p u t

l e v e l

s h i f t

[ 5 ] ,

b u l k

d r i v i n g

[ 6 - 7 ] ,

c u r -

r e n t d r i v e n b u l k

[ 8 ] ,

f l o a t i n g - g a t e MOSFET [ 9 ]

a n d

D T -

MOS

[ 1 0 ]

h a v e b e e n

d e v e l o p e d .

E v e n

t h o u g h

i t

i s

p o s -

s i b l e t o

o v e r c o m e t h e

t h r e s h o l d

v o l t a g e p r o b l e m s ,

t h e s e

m e t h o d s h a v e s o m e

d i s a d v a n t a g e s .

L e v e l

s h i f t i n g u s i n g

r e s i s t o r s

i n c r e a s e s n o i s e

a n d

a r e a ,

b u l k - d r i v e n

t r a n s i s t o r s

a s

w e l l a s

f l o a t i n g - g a t e )

r e s u l t

i n

s m a l l e r t r a n s c o n d u c -

t a n c e a n d t h e r e f o r e

l e s s

GBW a n d more

n o i s e ,

a r e

p r o n e

t o

l a t c h - u p ,

a n d

t h e

p o l a r i t y

o f t h e t r a n s i s t o r i s

t e c h n o l o g y

d e p e n d e n t .

DTMOS a n d

f l o a t i n g - g a t e

MOSFET

r e q u i r e

e x p e n s i v e

n o n - s t a n d a r d

p r o c e s s i n g

s t e p s .

T h e

a m p l i f i e r

p r e s e n t e d h e r e i s d e s i g n e d u s i n g t h e a p -

p r o a c h f r o m [ 1 - 2 ] a n d

a v e r y e f f i c i e n t

s u b - l V o p e r a t i o n

i s

a c h i e v e d w i t h

nMOS ( p M O S )

t r a n s i s t o r s

h a v i n g a

t h r e s h -

o l d v o l t a g e o f 0 . 4 5 V - 0 . 5 V ) b y b i a s i n g t h e m

i n

s u b t h r e s h -

o l d .

I n

t h e

n e x t c h a p t e r

t h e

a m p l i f i e r

t o p o l o g y

w i l l

b e

p r e -

s e n t e d .

S u b s e q u e n t l y

m e a s u r e m e n t

r e s u l t s

w i l l

b e

c o m -

p a r e d

t o

s i m u l a t i o n s a n d

f i n a l l y

c o n c l u s i o n s w i l l

b e

d r a w n .

2 .

A m p l i f i e r

D e s c r i p t i o n

T h e a m p l i f i e r i m p l e m e n t e d

i s

s h o w n

i n

F i g u r e 1 . I t s

i n -

p u t ,

o u t p u t

s t a g e

a n d

f r e q u e n c y c o m p e n s a t i o n

m e t h o d

a r e

d e s c r i b e d i n t h e

f o l l o w i n g

s u b s e c t i o n s .

2 . 1 . R a i l - t o - r a i l I n p u t S t a g e

A

w e l l k n o w n

m e t h o d f o r

o b t a i n i n g a

r a i l - t o - r a i l o p e r a t i o n

a t

t h e

i n p u t

i s

p l a c i n g

t w o

d i f f e r e n t i a l p a i r s

nMOS

a n d

pMOS)

i n

p a r a l l e l .

F o r

l o w v a l u e s o f

common-mode

v o l t -

a g e

t h e

pMOS

t r a n s i s t o r

p a i r

( M 3 - M 4 )

w i l l b e

o n ,

w h i l e

f o r h i g h

common-mode

v o l t a g e s

t h e

nMOS

p a i r ( M 1 - M 2 )

i s o n .

T h e

minimum

n e c e s s a r y s u p p l y v o l t a g e f o r

t h i s c o n -

f i g u r a t i o n

i s :

V s u p , m r i n

V G S n

+

V G S p

+

V D S a t n

+

V D S a t p

1

w h e r e

V G s n

a n d

V G s P

a r e t h e

g a t e - s o u r c e

v o l t a g e s

o f t h e

nMOS

a n d

pMOS i n p u t

t r a n s i s t o r

p a i r s ,

a n d

V D S a t n

a n d

V D S a t p

a r e

t h e s a t u r a t i o n

v o l t a g e s

o f t h e c u r r e n t s o u r c e s

M9

a n d

M 1 O . F o r

0 . 8 V

o p e r a t i o n ,

t h e

i n p u t

t r a n s i s t o r s a r e

b i a s e d

i n

w e a k

i n v e r s i o n

( 2 x 0 . 3 V

+

2 x 0 . 1 V

=

0 . 8 V ) .

A

p r o b l e m

w h e n

u s i n g

a

c o m p l e m e n t a r y

i n p u t

s t a g e

i s

t h a t

t h e

t r a n s c o n d u c t a n c e v a r i e s o v e r

t h e

i n p u t

common-

mode

v o l t a g e r a n g e , i m p e d i n g a n o p t i m a l

f r e q u e n c y c o m -

p e n s a t i o n .

I n

f a c t ,

i n t h e

m i d d l e

p a r t

o f t h e common-mode

v o l t a g e

r a n g e ,

b o t h

i n p u t

p a i r s

a r e

a c t i v e

a t

t h e

s a m e

t i m e ,

a n d t h e

sum

o f

t h e i r d r a i n c u r r e n t s

i s t w o

t i m e s

t h e c u r -

r e n t

i n

t h e o u t e r

p a r t

o f t h e

common-mode

v o l t a g e

r a n g e ,

w h e n

o n l y

o n e o f t h e

i n p u t p a i r s

i s o n . T h e r e f o r e

some

e x t r a

c i r c u i t r y

i s n e e d e d t o

k e e p

t h e

t o t a l

g .

c o n s t a n t .

I n

t h i s

a m p l i f i e r ,

g .

c o n t r o l

i s

p r o v i d e d b y

c u r r e n t

s w i t c h e s

M5-M8. S e v e r a l

g .

c o n t r o l m e t h o d s

h a v e

b e e n d e v e l -

o p e d

f o r d i f f e r e n t

r e g i o n s

o f

o p e r a t i o n

o f

i n p u t

t r a n s i s t o r s

[ 1 , 4 ] .

A

g o o d

f e a t u r e o f

t h e

i n p u t s t a g e

w i t h t h e c u r r e n t

s w i t c h e s

g .

c o n t r o l

a p p l i e d

h e r e i s

t h a t i t

d e l i v e r s a c o n -

s t a n t

o u t p u t

c u r r e n t t o t h e

s u m m i n g c i r c u i t ,

c o n s i s t i n g

o f

a

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8/10/2019 Andreani.pdf

2/4

M

M5

M6 8

n 9

F i g u r e

1 : A m j

h i g h - s w i n g

c u r r e n t m i r r o r

( M 1 5 - M 1 8 ) a n d c o m m o n - g a t e

s t a g e s ( M 1 3 - M 1 4 ) .

T h e s u m m i n g c i r c u i t

n e e ds o n e

g a t e -

s o u r c e v o l t a g e

i n s t r o n g i n v e r s i o n ) p l u s

t w o d r a i n - s o u r c e

v o l t a g e s f o r p r o p e r

o p e r a t i o n s .

2 . 2 .

C l a s s AB

O u t p u t

S t a g e

T o

e n s u r e

o u t p u t r a i l - t o - r a i l o p e r a t i o n s , t h e o u t p u t t r a n s i s -

t o r s M27-M28 a r e

c o n n e c t e d i n a

c o m m o n - s o u r c e

c o n f i g -

u r a t i o n . F o r t h e e f f i c i e n t u s e o f t h e

p o w e r s u p p l y t h e y

h a v e

t o b e

b i a s e d

i n

c l a s s A B . C o m p a c t

c l a s s - A B

o u t p u t

s t a g e s

a r e

p r e s e n t e d

i n

e . g .

[ 1 - 3 ] .

I n

o u r a m p l i f i e r ,

c l a s s - A B

o p e r a t i o n s a r e a l l o w e d

b y

t h e

c o n t r o l t r a n s i s t o r s M 1 9 - M 2 0 . T h e s e t r a n s i s t o r s a r e d r i v e n

b y

t h e

s i g n a l

c u r r e n t s

f r o m

t h e s u m m i n g c i r c u i t

t r a n s i s -

t o r s

M1 4

a n d

M 1 6 ,

a n d

t h e i r

g a t e s

a r e

k e p t

a t a c o n s t a n t

v o l t a g e

b y

t w o

p a i r s

o f

d i o d e - c o n n e c t e d

t r a n s i s t o r s

( M 2 2 -

M2 3

a n d

M 2 5 - M 2 6 ) .

T h e

d i o d e - c o n n e c t e d

t r a n s i s t o r s ,

t h e

c l a s s - A B

c o n t r o l

t r a n s i s t o r s ,

a n d

t h e

o u t p u t

t r a n s i s t o r

f o r m

t w o t r a n s l i n e a r

l o o p s ( M 2 7 , M 1 9 ,

M 2 2 , M2 3 a n d

M 2 8 ,

M 2 0 ,

M 2 5 , M 2 6 ) ,

w h i c h d e t e r m i n e t h e b i a s c u r r e n t

i n

t h e

o u t p u t

t r a n s i s t o r s .

A s s u m i n g

t h a t

M2 2 a n d

M19 h a v e t h e

s a m e

g a t e - s o u r c e

v o l t a g e s

a n d t h e

s a m e d i m e n s i o n s , M2 3

a n d M2 7 w i l l h a v e t h e s a m e

g a t e - s o u r c e v o l t a g e

a s

w e l l ,

a n d

t h e

o u t p u t q u i e s c e n t

c u r r e n t w i l l b e d e t e r m i n e d

b y

t h e

r a t i o o f t h e a s p e c t r a t i o s

o f

M2 7 a n d M 2 3 .

From F i g .

1

i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t t h e b r a n c h w i t h

s t ac k e d d i od e s

n e e d s t w o

g a t e - s o u r c e

v o l t a g e s p l u s

o n e

s a t u r a t i o n

v o l t a g e

f o r

p r o p e r o p e r a t i o n s .

I n

t h i s

0 . 8 V

i m -

p l e m e n t a t i o n a l l t r a n s i s t o r s

i n t h e

o u t p u t

s t a g e e x c e p t

t h e

c u r r e n t s o u r c e s a r e b i a s e d

i n

w e a k

i n v e r s i o n .

A

w e a k

p o i n t

o f

t h i s

i m p l e m e n t a t i o n

i s

t h a t

t h e

o u t p u t

c u r r e n t

v a r i e s

a s

a f u n c t i o n o f t h e

s u p p l y v o l t a g e .

2 . 3 .

C o m p l e t e

R e a l i z a t i o n

T h e d i m e n s i o n s o f t h e c o m p o n e n t s s h o w n

i n

F i g .

1

a r e

g i v e n

i n

T a b l e 1 .

T h e

a m p l i f i e r

i s

f r e q u e n c y c o m p e n s a t e d

b y

t h e c a s -

c o d e d M i l l e r

f r e q u e n c y

c o m p e n s a t i o n

m e t h o d

[ 2 ] , w h i c h ,

c o m p a r e d

t o

t h e

c l a s s i c a l M i l l e r

c o m p e n s a t i o n ,

s h i f t s

t h e

p l i f i e r

S c h e m a t i c s .

MOST

W Q i m ) / L Q m )

I D ( I R E F =

1 . 0 9 , U A )

M 1 , M 2 , M 5 , M6

5 0 / 0 . 3 6

I R E F / 4

M 3 , M 4 , M7, M8

1 6 5 / 0 . 3 6

I R E F / 4

M 1 3 ,

M1 4

1 0 / 0 . 3 6

I R E F 1 2

M 1 5 ,

M16

3 3 / 0 . 3 6

I R E F 1 2

M 9 , M 1 1 , M1 2

1 0 / 6

IREF

M 1 0 ,

M 1 7 , M18

3 3 / 6

IREF

M2 4

2 . 5 / 6

I R E F / 4

M2 1 8 . 2 5 / 6

I R E F ' 4

M 1 9 ,

M2 2 3 0 / 0 . 1 8

I R E F ' 4

M 2 0 , M2 5 9 9 / 0 . 1 8

I R E F / 4

M2 3 5 / 0 . 1 8

I R E F / 4

M2 6 1 6 . 5 / 0 . 1 8

I R E F / 4

M2 7

6 0 / 0 . 1 8

31REF

M2 8 1 9 8 / 0 . 1 8

31REF

CM1,

CM2

1 . 0 7 5 p F

T a b l e

1 : T r a n s i s t o r d i m e n s i o n s , d r a i n

c u r r e n t s

w i t h a

common-mode

v o l t a g e

o f

V D D / 2 ) ,

a n d

c a p a c i t o r

v a l u e s .

n o n - d o m i n a n t p o l e t o h i g h e r

f r e q u e n c i e s .

T h i s i s d u e t o

t h e

f a c t t h a t

t h e c a s c o d e

t r a n s i s t o r s a r e

i n c l u d e d i n t h e

M i l l e r

l o o p ,

s i n c e t h e

c o m p e n s a t i n g

c a p a c i t o r s

a r e

p l a c e d

b e t w e e n

t h e d r a i n s o f t h e

o u t p u t

t r a n s i s t o r s a n d

t h e s o u r c e s

o f t h e

c a s c o d e

t r a n s i s t o r s .

T h e f r e q u e n c y

o f t h e

n o n -

d o m i n a n t

p o l e

w h e n

u s i n g

t h e

c l a s s i c a l M i l l e r

c o m p e n -

s a t i o n

d e p e n d s

o n t h e l o a d

c a p a c i t o r ,

t h e t r a n s c o n d u c t a n c e

o f t h e

o u t p u t

t r a n s i s t o r ,

a n d

i t s

g a t e - s o u r c e

c a p a c i t a n c e

a p -

p r o x i m a t e l y a s

g m j ( C L

+

C g 9 ,

a n d

i t

c a n b e a d j u s t e d b y

c h a n g i n g

t h e c u r r e n t i n t h e

o u t p u t

t r a n s i s t o r .

B u t s i n c e t h e

m a i n

g o a l

i n

t h i s d e s i g n w a s a

v e r y

l o w c u r r e n t

c o n s u m p -

t i o n ,

h a v i n g

a t

t h e

s a m e

t i m e

t r a n s i s t o r s

f o r m i n g

t r a n s l i n -

e a r

l o o p s

w i t h

t w o d i o de s s t ac k e d

o n

o n l y 0 . 7 V ,

i t

w a s n o t

p o s s i b l e t o

o b t a i n

o p t i m a l f r e q u e n c y

c o m p e n s a t i o n

w i t h

t h e

c l a s s i c a l M i l l e r

t e c h n i q u e ,

a n d t h e c a s c o d e d

M i l l e r

i s

u s e d i n s t e a d .

I n

t h i s

i m p l e m e n t a t i o n ,

t h e c l a s s - A B c o n t r o l t r a n s i s t o r s

a r e b i a s e d

b y

t h e

s u m m i n g c i r c u i t ,

w h i c h i s f e a s i b l e s i n c e

t h e

o u t p u t

c u r r e n t o f t h e f i r s t

s t a g e

f o r

t h e u s e d

g ,

c o n t r o l

m e t h o d i s

n o t

d e p e n d e n t

o f t h e

common-mode

v o l t a g e .

T o o b t a i n

a n o u t p u t c i r c u i t i n d e p e n d e n t

o f t h e

g ,

c o n -

t r o l

m e t h o d ,

w i t h

m i n i m i z e d n o i s e

a n d

m i n i m i z e d

d e p e n -

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3/4

d e n c e

o f

t h e

q u i e s c e n t

o u t p u t

c u r r e n t o n t h e

s u p p l y

v o l t -

a g e , t h e c o m p a c t

o p e r a t i o n a l

a m p l i f i e r s d e s c r i b e d

i n

[ 1 - 2 ]

h a v e t w o

h i g h - s w i n g

c u r r e n t m i r r o r s b i a s e d b y a f l o a t i n g

c u r r e n t

s o u r c e .

F o r

p r o p e r o p e r a t i o n t h e t w o c u r r e n t

m i r -

r o r s

n e e d

t w o g a t e - s o u r c e v o l t a g e s i n s t r o n g i n v e r s i o n , a n d

t h i s i m p l e m e n t a t i o n i s n o t f e a s i b l e f o r 0 . 8 V o p e r a t i o n s i n

t h e

t e c h n o l o g y

u s e d

h e r e .

3 . A m p l i f i e r P e r f o r m a n c e

T h e

a m p l i f i e r

h a s

b e e n

f a b r i c a t e d

i n

a s t a n d a r d d i g i -

t a l

0 . 1 8 , u m

n - w e l l

MOS

p r o c e s s

t h r e s h o l d v o l t a g e s

o f

0 . 4 5 V a n d - 0 . 5 V

f o r

nMOs

a n d pMOS, r e s p e c t i v e l y ) . T h e

c h i p p h o t o g r a p h i s

s h o w n

i n

F i g .

2 .

T h i s i n c r e a s e i s d u e t o t h e i n c r e a s e o f t h e q u i e s c e n t c u r r e n t

i n t h e

o u t p u t

t r a n s i s t o r s f o r

h i g h e r

s u p p l y

v o l t a g e .

T h e s i m u l a t e d

GBW v a r i a t i o n a s a f u n c t i o n o f t h e

common-mode

v o l t a g e

i s

c o m p a r e d t o

t h e

m e a s u r e d

v a r i -

a t i o n

i n

F i g .

4 . T h e m e a s u r e d

v a r i a t i o n

i s

8 ,

w h i c h i s

v e r y

c l o s e

t o

t h e

v a r i a t i o n s f o r t r a n s i s t o r s i n w e a k

i n v e r -

s i o n f o u n d

i n

t h e

l i t e r a t u r e

[ 1 , 5 ] .

x 10 6

1 . 1 5

1. 1

1 . 0 5

0 . 9 5 *

0 . 9 T

/ -

0 . 8 5

V

0 0. 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6

V c o m

V

F i g u r e 2 : C h i p p h o t o .

F i g u r e 4 :

S i m u l a t e d

v e r s u s m e a s u r e d + ) v a r i a t i o n

o f

t h e

GBW

a s a

f u n c t i o n o f t h e

i n p u t

common-mode

v o l t a g e .

M e a s u r e m e n t

r e s u l t s

w h e n t h e

a m p l i f i e r

i s c o n n e c t e d

i n

a

u n i t y - g a i n

b u f f e r

c o n f i g u r a t i o n

a r e

s h o w n

i n

F i g .

5 .

L a r g e ( 3 0 0 m V )

a n d

s m a l l ( 5 O m V )

2 5 0 k H z

i n p u t s t e p s i g -

n a l s

a r e

s h o w n ,

a l o n g

w i t h t h e

r e s p e c t i v e

m e a s u r e d a n d

s i m u l a t e d

o u t p u t s .

T h e m e a s u r e d

s l e w

r a t e i s

0 . 6 V / , u s ,

0 . 4

U s i n g

a

l p F

M i l l e r

c a p a c i t o r ,

t h e s i m u l a t e d

u n i t y - g a i n

f r e q u e n c y GBW)

i s

1 . IMHz f o r a 5 p F l o a d ,

w i t h

a p h a s e

m a r g i n

o f

7 1 . T h e

s i m u l a t e d D C g a i n i s

8 4 d B ,

w h i l e t h e

m e a s u r e d v a l u e i s

7 4 d B .

T h e c a p a c i t i v e l o a d

i n t h e m e a -

s u r e m e n t

s e t u p

i s e s t i m a t e d

a t

1 2 p F

i n

p a r a l l e l

t o

1 0 0 k Q .

T h e m e a s u r e d u n i t y - g a i n f r e q u e n c y i s 8 7 0 k H z . When r e -

d u c i n g

t h e

s u p p l y

v o l t a g e

t o

0 . 7 V ,

t h e

a m p l i f i e r

w i l l s t i l l

b e

o p e r a t i o n a l ,

w i t h

a

GBW

r e d u c e d

t o

7 6 0 k H z .

S i m -

u l a t e d

a n d m e a s u r e d

f r e q u e n c y

c h a r a c t e r i s t i c s a r e c o m -

p a r e d

i n

F i g .

3

( V D D = 0 . 8 V , i n p u t

common-mode

v o l t a g e

VCOM=0.4

V ) .

0 . 3

0 . 2

0 . 1

- 0 . 4

L

0

2

T i m e

s

X l o - ,

10 0

F

F i g u r e

5 :

M e a s u r e d

i n p u t

a n d

o u t p u t

a n d

s i m u l a t e d

o u t p u t

. s i g n a l

f o r

u n i t y - g a i n

b u f f e r

c o n f i g u r a t i o n .

5 0

_

- 5 0

_

1 0

1 1

1 0 -

1

1 0 - 1 0 -

1

F r e q u e n c y H z )

1

Figu re

3 :

Comparison

of the simulated and measured

+ )

f r e q u e n c y r e s p o n s e

o f

t h e

a m p l i f i e r .

T h e m e a s u r e d c u r r e n t

c o n s u m p t i o n

f o r t h i s

a m p l i f i e r

i s

7 , u A w i t h 0 . 8 V

s u p p l y v o l t a g e ,

a n d

i t

i s

s i m u l a t e d

t h a t t h e

s u p p l y

c u r r e n t w i l l i n c r e a s e t o 1 0 . 5

, u A

f o r

V D D

o f 1 . 5 V .

m a t c h i n g

w e l l t h e s i m u l a t e d

0 . 6 6 V / , u s .

Due

t o t h e

h i g h

l o a d

c a p a c i t a n c e ,

t h e

p h a s e m a r g i n

o f t h e

a m p l i f i e r

i s

r e d u c e d , c o m p a r e d

t o t h e s i m u l a t e d

v a l u e ,

a n d

t h e r e -

f o r e

a n

o v e r s h o o t c a n

b e

n o t i c e d

i n

t h e

m e a s u r e d

r e -

s p o n s e .

I t h a s

b e e n

s i m u l a t e d t h a t t h e

f r e q u e n c y r e s p o n s e

o f t h e

b u f f e r

s t a r t s

d e t e r i o r a t i n g

f o r

common-mode

v o l t -

a g e s

5 0 m V f r o m t h e

s u p p l y

r a i l s . When

t h e

a m p l i f i e r

i s

l o a d e d

r e s i s t i v e l y

i n

t h e

u n i t y - g a i n

b u f f e r

c o n f i g u r a t i o n , i t

h a s

b e e n

m e a s u r e d t h a t t h e

o u t p u t

s i g n a l

w i l l b e

c l i p p e d

20mV f r o m t h e

s u p p l y

w i t h a

l k Q l o a d ,

w h i l e s i m u l a -

t i o n s s h o w

c l i p p i n g

a t

VDD-16mV

a n d

V s s + 1 0

m V .

T h e

s i m u l a t e d

v a l u e o f t h e maximum c u r r e n t t h a t c a n

b e

d e l i v -

e r e d i s

2 mA

f o r a n

o u t p u t v o l t a g e

100mV f r o m t h e

s u p p l y

r a i l s .

0 . 7 0 . 8

II

II

II

II

II

II

II

5

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4/4

M e t h o d R e f .

T e c h . ] VDD

( V )

T G a i n

( d B )

]

GBW,

PM L o a d I s u p

, u A )

T

W

mW

C o m p l .

p a i r

[ 2 ] 1 t 2 . 5 - 6 8 5 2 . 6 MHz, 6 6 1 0 p F , 1 0 k Q 1 8 0 5 . 7 7

C o m p l .

p a i r

[ 2 ] 1

t

2 . 5 - 6 8 7 6 . 4 MHz, 5 3 1 0 p F , 1 0

k Q

1 8 0

1 4

C o m p l .

p a i r [ 3 ]

1 . 6

t 1 . 8 - 7 8 6

4 MHz, 6 7 p F , 1 0 k Q 2 3 0 9 . 6 6

C o m p l .

p a i r [ 4 ] 0 . 7

t

1 . 3 - 1 . 8

8 4

1 . 3

MHz, 6 4 1 5 pF

3 5 0 2 . 8 5

C o m p l . p a i r

l e v e l

s h i f t [ 5 ]

0 . 8

H

1 7 5 1 . 8

MHz,

5 7

1 5

p F , l

MQ

1 3 6 1 3 . 2 5

B u l k - d r i v e n [ 6 ] 2

/ t

1

4 8

1 . 3

MHz,

5 7 2 2 pF

3 0 0 4 . 3

B u l k - d r i v e n [ 7 ]

0 . 3 5

t

1

7 0 1 9 0 k H z,

6 0

7

pF

5 3 8

C u r r e n t - d r i v e n b u l k [ 8 ] 0 . 5 t

0 . 7 - 1 6 2 2

MHz,

5 7

2 0 pF

4 0

7 1

F l o a t i n g - g a t e

[ 9 ] 0 . 3 5

t

1 . 2 6 5 2 3 0 k H z , 6 2

9 pF 4 . 3 4 4

DTMOS S i m u l . o n l y )

[ 1 0 ]

0 . 1 8

t

1 6 4 3 5 . 7 MHz, 6 4

p F ,

1 0

kQ 5 2 2 6 8

C o m p l .

p a i r

T h i s w o r k 0 . 1 8

t

0 . 8

7 4

8 7 0 k H z , 6 6

1 2

p F , 1 0 0

k Q 7

1 5 5

T a b l e

2 :

P r o p e r t i e s

o f l o w - v o lt a g e

a m p l i f i e r s

f r o m

l i t e r a t u r e .

T h e c o r n e r f r e q u e n c y o f t h e

f l i c k e r

n o i s e l i e s

a t

2 . 5 k H z ,

a n d t h e t h e r m a l n o i s e l e v e l

i s 1 2 0 V.

T h e a m p l i f i e r

o c -

_ _

c u p i e s a n

a r e a

o f 0 . 03 3

mm2.

4 .

C o n c l u s i o n

T h e

d e s i g n e d

a m p l i f i e r s h o w s v e r y g o o d

p e r f o r m a n c e s

c o n c e r n i n g l o w - v o l t a g e , l o w - p o w e r , r a i l - t o - r a i l o p e r a -

t i o n s , a n d i t i s c a p a b l e o f

d r i v i n g

r e s i s t i v e l o a d s

e f f i c i e n t l y

a s

w e l l .

I t s

d e s i g n

i s b a s e d o n a r o b u s t

a p p r o a c h ,

a n d l o w -

p o w e r

o p e r a t i o n s

a r e

a c h i e v e d

b y

t h e

u s e

o f

v e r y

l o w

b i a s

c u r r e n t s

i n

a

m o d e r n t e c h n o l o g y .

T h e

m a i n

p r o p e r t i e s

o f

r a i l - t o - r a i l , l o w - v o l t a g e

a m p l i -

f i e r s f o u n d

i n

t h e l i t e r a t u r e a r e s u m m a r i z e d

i n

T a b l e

2 ,

a n d

t h e p r o p e r t i e s o f t h e a m p l i f i e r d e s i g n e d

i n

t h i s

w o r k

a r e

l i s t e d

i n

T a b l e 3 . I f t h e r a t i o

o f

GBW t o

p o w e r

c o n -

s u m p t i o n f o r

t h e s a m e

l o a d )

i s

t a k e n

a s

a

f i g u r e

o f

m e r i t ,

a s

p r o p o s e d

i n

[ 2 ] ,

t h e

a m p l i f i e r

d e s cr i b ed h e r e s h o w s s u -

p e r i o r p e r f o r m a n c e c o m p a r e d

t o

t h e

a m p l i f i e r s

i n T a b l e 2 .

P a r a m e t e r

V

V a l u e

I

U n i t

D i e

a r e a

2 4 5

x

1 3 5

0 . 0 3 3 )

/ i m 2 7 m - ) 7

S u p p l y

v o l t a g e

0 . 8

t o

2

V

S u p p l y

c u r r e n t

7

, A

M a x . o u t c u r r . ( S u p I 1 0 0

mV)

2

mA

gm

v a r i a t i o n 8

CMIR*

0 . 0 5 t o

VDD

0 . 0 5

V

O u t .

s w i n g

w i t h

1

k Q

l o a d )

0 . 0 2

t o

VDD

0 . 0 2

V

O f f s e t

v o l t a g e

3 . 6

mV

I n p u t n o i s e

f l o o r

1 2 0

n V

vHz

C o r n e r

f r e q u e n c y

2 . 5

kHz

CMRR*

7 5

d B

O p e n - l o o p g a i n

7 4 d B

U n i t y - g a i n

f r e q u e n c y

8 7 0

kHz

U n i t y - g a i n p h a s e - m a r g i n

6 6

O

S l e w - r a t e

0 . 6

V / t s

PSRR* 5 6 d B

G W

1 5 5

MHz

V D D = 0 . 8

V ,

C L = 1 2

p F ,

1 0 0

k Q ,

T = 2 7

C

* s i m u l a t e d

v a l u e , CL

= 5

p F

T a b l e

3 :

A m p l i f i e r p r o p e r t i e s .

6 .

R e f e r e n c e s

[ 1 ]

R .

H o g e r v o s t

a n d J . H . H u i j s i n g ,

D e s i g n

o f L o w - V o l t a g e

L o w - P o w e r

O p e r a t i o n a l

A m p l i f i e r C e l l s ,

K l u w e r A c a d -

e m i c P u b l i s h e r s , 1 9 9 6 .

[ 2 ] R . H o g e r v o r s t e t

a l . ,

C o m p a c t

P o w e r - E f f i c i e n t

3 V CMOS

R a i l - t o - R a i l I n p u t / O u t p u t O p e r a t i o n a l A m p l i f i e r f o r VLSI

L i b r a r i e s ,

IEEE

J . S o l i d - S t a t e C i r c u i t s , v o l . 2 9 , n o . 1 2 , p p .

1 5 0 5 - 1 5 1 3 ,

D e c . 1 9 9 4 .

[ 3 ]

L . d e

L a n g e n a n d J .

H . H u i j s i n g ,

C o m p a c t L o w - V o l t a g e

P o w e r - E f f i c i e n t

O p er at i on a l A m p li f ie r

C e l l s

f o r

V L S I ,

IEEE J . S o l i d - S t a t e C i r c u i t s , v o l .

3 3 ,

n o . 1 0 , p p . 1 4 8 2 - 1 4 9 6 ,

O c t . 1 9 9 8 .

[ 4 ]

G . F e r r i

a n d W.

S a n s e n ,

A R a i l - t o - R a i l

C o n s t a n t - g m

L o w -

V o l t a g e

CMOS

O p e r a t i o n a l

T r a n s c o n d u c t a n c e

A m p l i f i e r ,

IEEE J . S o l i d - S t a t e

C i r c u i t s ,

v o l .

3 2 ,

n o .

1 0 , p p . 1 5 3 6 - 1 5 6 7 ,

O c t .

1 9 9 7 .

[ 5 ]

J .

M. C a r r i l l o ,

J . F .

D u q u e - C a r i l l o , G . T o r e l l i

a n d J .

L .

A u s i n ,

1 - V

Q u a s i

C o n s t a n t - g m I n p u t / O u t p u t R a i l - t o - R a i l

CMOS

O p - a m p ,

I N T E G R A T I O N ,

t h e V L S I

J o u r n a l ,

v o l .

3 6 ,

n o .

4 , p p . 1 6 1 - 1 7 4 ,

2 0 0 3 .

[ 6 ]

B . J .

B l a l o c k ,

P .

E .

A l l e n a n d

G .

A .

R i n c o n - M o r a ,

D e s i g n -

i n g

1 - V

Op

Amps

U s i n g

S t a n d a r d

D i g i t a l

CMOS

T e c h n o l -

o g y ,

IEEE

T r a n s .

C i r c u i t s

a n d

S y s t e m s I I ,

v o l .

4 5 ,

n o . 7 ,

p p .

7 6 9 - 7 8 0 ,

J u l y

1 9 9 8 .

[ 7 ]

K .

L a s a n e n ,

E .

R a i s an e n - R u o t sa l a i n e n a n d J .

K o s t a m o v a a r a ,

A

1 - V 5

, u W CMOS-Opamp

w i t h

B u l k - D r i v e n

I n p u t

T r a n -

s i s t o r s ,

P r o c .

4 3 r d IEEE M i d w e s t

S y m p .

o n C i r c u i t s

a n d

S y s t e m s ,

v o l .

2 , p p . 1 0 3 8 - 1 0 4 1 , A u g .

2 0 0 0 .

[ 8 ]

T . L e h m a n n a n d M.

C a s s i a ,

1 - V P o w e r

S u p p l y

CMOS

C a s -

c o d e

A m p l i f i e r ,

IEEE

J . S o l i d - S t a t e

C i r c u i t s ,

v o l .

3 6 ,

n o .

7 ,

p p . 1 0 8 2 - 1 0 8 6 , J u l y

2 0 0 1 .

[ 9 ]

E .

R a i s a n e n - R u o t s a l a i n e n ,

K .

L a s a n e n

a n d

J .

K o s t a m o v a a r a ,

A

1 . 2

V

M i c r o p o w e r

CMOS

Op

Am p

w i t h

F l o a t i n g - G a t e

I n p u t

T r a n s i s t o r s ,

P r o c .

4 3 r d

IEEE

M i d w e s t

S y m p .

C i r c u i t s

a n d

S y s t e m s ,

v o l .

2 ,

p p . 7 9 4 - 7 9 7 , A u g .

2 0 0 0 .

[ 1 0 ]

H . F .

A c h i g u i ,

C . J .

F a y o m i

a n d M.

S a w a n ,

A

DTMOS-

b a s e d

1

V

OPAMP ,

P r o c .

I C E C S ,

v o l .

1 , p p . 2 5 2 - 2 5 5 ,

D e c .

2 0 0 3 .

5 .

A c k n o w l e d g m e n t s

C h i p d e s i g n

a n d f a b r i c a t i o n

h a s

b e e n

s u p p o r t e d b y

GN

R e S o u n d .

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