Projecto de Amplificadores Operacionais OTA básico 1º andar 2º andar 3º andar saída V > I I > V V > I I > V v 2 v 1 M1 I1 M2 v out 1 AmpOp de transcondutância OTA Comparativamente com os AmpOp os OTA apresentam: Ausência do andar de saída Maior largura de banda Limitações Nãolinearidade (ausência de realimentação) Variabilidade de Gm com o processo e temperatura A função de transferência depende directamente de Gm v G m v v i out G m v v i I out v B v i out =G m *(v v ), G m =f(i B ) i out G m *v 2 1
AmpOp de transcondutância OTA Uma R de saída elevada não é crítica se a carga e a malha de realimentação forem Cs ou interruptores 2,5 V v2 v1 Ipol iout Gm Gm=iout/(v2v1) M 9 M 10 2,5 V M 5 M 7 2,5 V 1:1 M 3 M 4 1:k M 6 48/6 48/6 v M 1 M i1 2 v i2 v o 60/6 60/6 C=16pF Ip 1:k M 8 M 11 2,5 V 2,5 V β 1 = β 2 ; β 3 = β 4 β 6 =kβ 41 =kβ 31 β 8 = kβ 7 jωc >> r o6 //r o8 Av = k gm r o6 //r o8 jωc << r o6 //r o8 Gm = k gm 3 AmpOp de transcondutância OTA Exemplos v in v v G m i out R L v out =i out *R L v v out in = G m R L v in Gm τ = C G m v out C v in Z in G m Z in v in G m Z L v G m *v Modelo real i out 1/gout G m 4 2
M1a M1 V DD 1:1 M2a M2 v 2 v 1 AmpOp / OTA Ad = Av1 Av 2Av3 = M3 " gm R = ( gm r )( ) L o gm r 4 2 2 3 o3 1 gm4rl M4 v O (a baixas frequências) I1 I2 I3 R L r o4 =1/gm 4 V SS m1 e m2 do tipo n ou p? Especificações/aspectos a considerar: Parâmetros do processo DC correntes de polarização, tensões/excursão, potência, PSRR, desvios, CMRR AC ganho, impedância, margem de fase, produto ganhoxbanda, ruído Desenho área, W/L, potência, disposição relativa dos componentes e ligações 5 AmpOp / OTA Cancelamento do zero introduzido pela capacidade de compensação V DD M1a M1 1:1 M2a M2 v 2 v 1 A M3 C GD3 MI 1 I1 MI 2 MI I2 3 B M4 I3 v O Z L A B A V SS B A capacidade não pode ficar em série com a fonte do transístor. 6 3
AmpOp Definir as especificações: ganho, slewrate (Taxa de inflexão ), gama de modo comum, excursão da corrente de saída, excursão da tensão de saída, produto ganho x largura de banda Condições de polarização se I pol do amp. diferencial ganho, CMR, CMRR, potência, ruído, emparelhamento, slewrate V GS CMR Seleccionar as dimensões dos transístores L>L mínimo, se W : V GS ; CMR ;ruído ; emparelhamento ; ganho área ; capacidades parasitas 7 Regras para um bom desenho estrutural Transístores do mesmo tipo e mesma estrutura Usar a mesma geometria e dimensões Manter o equilíbrio térmico Minimizar os afastamentos Usar geometrias commoncentroid Manter a mesma orientação Mesmos circuitos circundantes Dimensões não mínimas 8 4
Abordagem ao projecto Escolher L min que garanta λ aprox. constante Impor I 2 e calcular gm 3 com V GSef 0,2V gm Calcular Cc>0,217CB, com fz = 3 10GLB CGD3 Calcular corrente de polarização a partir do SR (e.g. SR= máx derivada do sinal de saída), e a partir da excursão de modo comum na entrada V 1 CMmáx = VDD I VT 2a V β T 2 2a I1 2I V 1 CMmín = VSS V β T 2 2 βi1 Calcular transístores de entrada com V GSef =0,2 V, gm 1 = G. LB CGD3 Manter gm 1,2 = (3 a 10)xgm 1a,2a para que o ruído e Vos sejam condicionados pelo par diferencial 9 Abordagem ao projecto Garantir que o pólo da carga activa não é dominante gm2 a > 10G. LB 2Cgs2a Dimensionar transístor M I1 a partir de I1 e de V CMmín, com V GSef =0,5 V Confirmar M3 a partir da margem de fase C 3 2, 17 B C gm > gm A 2 CGD3 Sabendo I 2 dimensionar MI 2 V GSefI2 = V GSefI1 satisfazendo a relação que anula desvio na saída Confirmar ganho e potência consumida 10 5
Disposição estrutural layout W/L>>1 M1 M2 D1 D2 S D1a M1a S M2b D2b D2a M2a S M1b D1b 11 Disposição estrutural 12 6
Disposição estrutural Empilhamento 13 Disposição estrutural amplificador 14 7
Disposição estrutural amplificador 15 Disposição estrutural amplificador 16 8