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TE 823 Projeto de CIs Analógicos 1

CAPÍTULO 5

AMPLIFICADORES OPERACIONAIS CMOS

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 2

+

vi

-

+

-

+Avi-

RS

+vo-

A→∞RS=0

+

vi

-

+

-

Gmvi GS +vo-

Gm=AGS

5.1 Introdução amp op ideal

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 3

+vi-

-

+

R2

R1 +vo-

2 2

1 12

1

11 111 1

o

i

v R Rv R RR

A R

= + ≅ + + +

Aplicações

amplificador inversor

2 2

1 12

1

111 1

o

i

v R Rv R RR

A R

= − ≅ −

+ +

-

+

R2

R1

+vi-

+vo-

amplificador não inversor

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 4

Transimpedance amplifier

2 2 211

1ov AR R Ri A A

= − ≅ − − ≅ − +

-

+

R2

i +vo-

- Continuous-time filters- SC filters- D/A & A/D converters- Sensor signal conditioning- Voltage & current references- Comparators- Nonlinear analog functions,- .......

Aplicações - 2

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 5

Etapas de projeto:•Escolha da arquitetura;• Correntes de polarização & dimensões dos transistores;•Compensação;•Simulação;•Layout; • Simulação pós-layout

Requisitos de projeto:

Tecnologia;

•Tensão de Alimentação;

•Ganho, GBW, excursão de tensão na saída, ruído, tensão de

offset, CMRR, PSRR, ICMR, SR ...

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 6

P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.

Diagrama em blocos de um amp. op. genérico

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 7

5.2 Parametros de Desempenho

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 8

Vid(mV)

Vod(V)

VOS

Tensão de Offset

Offset sistemático – é resultado do projeto do circuito e está presente mesmo quando todos os dispositivos supostamente idênticos são casados ( geralmente pode-se obter baixos valores). Offset randômico – é resultado dos descasamentos nos pares de dispositivos supostamente idênticos (depende da área e da polarização).

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 9

P. R. Gray and R. G. Meyer, MOS Operational Amplifier Design – A Tutorial Overview, IEEE JSSC, vo. 17, n0. 6, pp. 969-982, Dec. 1982.

Ganho de Tensão Diferencial

d dBA

Extrapolated unity-gain frequency

1p−0 dB

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 10

P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.

Tempo de Acomodação (Settling time)

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 11

Outros Parâmetros de Desempenho

CMRR, PSRR, Slew rate, Noise, Common-Mode Input Range, Output Swing, Power, Silicon Real State, ....

Faixa Dinâmica (Dynamic Range) - DR

,max

,min

20log in

in

vDR

v

=

Ruído (distinção entre sinal e ruído)

Distorção (dentro de um nível aceitável: depende da aplicação).

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 12

5.3 OTA (amp op de um estágio) OTA – Amplificador Operacional de Transcondutância

VSS

IT

+vG1

-

M1 M2

I1 I2

+vG2

-

1:B CM 1:B CM

1:1 CM

CL

BI1 BI2

BI1

Io= B(I2-I1)

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 13

Faixa de modo comum na entrada = amp. dif.

( )T

L P

BISRC C

=+

1 2id g gv v v= −

CL+CP1m idBg v−oR

+vo

-

( ) ( )1

1m o

do L P

Bg RA ssR C C

=+ +

( )11( )

2m

L P

BgGBW HzC Cπ

=+

Io= B(I2-I1)

VSS

IT

+vG1

-

M1 M2

I1 I2

+vG2

-

1:B CM 1:B CM

1:1 CM

BI1 BI2

BI1CL

asymmetry

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 14

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 15

5.4 Amplificadores Cascode & Folded-Cascode

Amp. Dif. Telescópico amp. Com espelho cascode auto-polarizado

Amp. diff. Telescópico com espelho cascode de baixa tensão

- Reduzida excursão de tensão;

-Doublet !

- Não adequado para para aplicações de baixa tensão

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 16

Amplificador folded-cascode

D. Johns and K. Martin, Analog Integrated Circuit Design, Wiley, 1997.

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 17

P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.

Amplificador folded-cascode

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 18

IT

IT/2

IT

IT/2

IT/2IT/2

IT

∆i ∆i∆i∆i

∆i2∆i

P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.

Pode ser alterado para aumentar a excursão de tensão

Amplificador folded-cascode

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 19

0

01d

dL

AAsC R

≅+

P.R. Gray, P.J. Hurst, S.H. Lewis, and R.G. Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 4th. Ed., Wiley, 2001.

T

L

ISRC

± = ±

0d m oA G R=

& doublet

1m mG g=

( )

44

4

212 2

2

1 ds Ao ds

o ms A

ds Ads ds

ms A

gG gR g

gg gg

= =

+ +High-swing current mirror

Amplificador folded-cascode

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 20

5.5 Amplificador Operacional de dois estágios

ICMR: ver amp. dif.VDD

Excursão de tensão na saída

4 5DD DSsat o SS DSsatV V V V V− > > +

Ganho de tensão:

1 6

2 2 6 7

o m mdo

i ds ds ds dsLF

v g gAv g g g g

= = −+ +

CL

VSS

M4M3

M1 M2

M8 M5

M7

M6

ITvi

+

-

CC

vo

1:1 1:B

1:1 1:2B

inv noninv

Para offset sistemático → 0.

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 21

( )1

2 12 1

o x o o To C C

C

o o o oo o L

L

d v v dv dv II C Cdt dt dt Cdv dv I II I Cdt dt C

−= ≅ → =

−= + → =

CC

CL

voGmI -AdII

Io1

Io2

vi

+

-

vx

T

C

ISRC

± = ±

6max ( 1) Bext

L

I B ISR SRC

+ +− +≅ >

( 1) Text

L

B ISRC

− −= −

Amplificador Operacional de dois estágios

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 22

( ) ( )( ) ( )1

=+

o

in

A sV sV A s F s

Allen & Holberg, 1st ed.

Amplificador Operacional de dois estágios

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 23

x x x x1

I IR C−1

II IIR C− 1p2p

jω

σ

s-plane

φ M

Allen & Holberg, 1st ed.

Amplificador Operacional de dois estágiosResposta em freqüência

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 24

Resposta de um sistema de segunda ordem para vários valores de margem de fase

Allen & Holberg, 1st ed.

Amplificador Operacional de dois estágios

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 25

Circuito Equivalente diferencial

1mI mg g=

( ) 12 4

2 4 6 6

I ds ds

I db db gb gs

R g gC C C C C

−= += + + +

6mII mg g=

( ) 16 7

6 7

II ds ds

II db db L

R g gC C C C

−= += + +

Se CC→0, então

( ) ( ) ( )1 1o mI mII I II

in I I II II

V g g R RsV sR C sR C

≅ −+ +

Pólos relativamente próximos, a margem de fase pode ser baixa ou até negativa!

Amplificador Operacional de dois estágios não compensado

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 26

( ) ( ) ( )( ) ( )

0

1 2

11 / 1 /

dod

in

A s zVA s sV s p s p

−= = −

− −

Amplificador operacional compensado

0d mI mII I IIA g g R R=

( ) ( )11 1

I I C II II C mII I II c mII I II c

pR C C R C C g R R C g R R C

≅ − ≅ −+ + + +

( )2mII c

I II

mII

I I IC II

g CpC C C C C

gC

−≅ − ≅+ +

mII

c

gzC

=

Nota: 0 12 /d mI CGBW A p g Cπ = =

/T CSR I C=( ) ( )/ 1 1

2 T mI t fSR I g n iGBW

φπ

= = + +

+

vin

-

RIgmIvinCI

+

vI

-

gmIIvIRII CII

+

vo

-

CC

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 27

Para evitar baixa margem de fase ,escolher

2 , 2π>p z GBW 12π ≅ m

C

gGBWC

1 1

2

2 2tan tan2π π πφ − − ≅ − − −

MGBW GBWp z

1 1

6 6

( / ) + +

m I II C I II m

m C m

g C C C C C gg C g

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 28

P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.

Amp op CMOS de dois estágios com compensação RC

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 29

P. Allen and D. Holberg – CMOS Analog Circuit Design, 2nd. Ed., Oxford, New York, 2002.

11

mII I II c

pg R R C

≅ −

( )2mII c

I II

mII

I I IC II

g CpC C C C C

gC

−≅ − ≅+ + ( )6

11/c z m

zC R g

= −−

31

z I

pR C

= −

Colocando z sobre p2:6 6

11 c IIz

m c

c L

m c

CC

CRg C

Cg

C += ≅

+

Pólo de alta freqüência

Amp op CMOS de dois estágios com compensação RC

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 30

Amplificador de dois estágios: equações de projeto

0 1 2

11

2 4

62

6 7

d d d

md

ds ds

md

ds ds

A A AgA

g ggA

g g

=

=+

=+

( )2mII c

I II

mII

I I IC II

g CpC C C C C

gC

−≅ − ≅+ +

mII

c

gzC

=

0 12 /d mI CGBW A p g Cπ = =

/T CSR I C=

CL

VSS

M4M3

M1 M2

M8 M5

M7

M6

ITvi

+

-

CC

vo

1:1 1:B

1:1 1:2B

inv noninv

VDD

TE 823 Projeto de CIs Analógicos 31

7 7SS DSsat o DD DSsatV V V V V− + < < −

max

min

ICM

ICM

VV

==

Ver amp. dif.

CL

VSS

M4M3

M1 M2

M8 M5

M7

M6

ITvi

+

-

CC

vo

1:1 1:B

1:1 1:2B

inv noninv

VDD

Amplificador de dois estágios: equações de projeto