CIA2 - basic OPAMP (1)

Cours Circuits Intégrés Analogiques
- 2009/2010
Basic
OpAmp Design
26/02/2010
1
Polytech’Montpellier – ERII 4
M2 EEA – Systèmes Microélectroniques
Circuits Intégrés Analogiques
Chapitre III
Amplificateur Opérationnel CMOS élémentaire
Pascal Nouet – Janvier 2010
[email protected]
Introduction
• Amplification de tensions différentielles
– Caractéristiques de la tension d’entrée :
• tension et plage de mode commun,
• offset,
– Gain différentiel, gain de mode commun
– Réjection du bruit d’alimentation
• Fonctionnement en boucle fermée
– Système rebouclé : Stabilité, Gain élevé
• Fonctionnement en boucle ouverte (≠OPAMP)
– Gain fini, Gain de mode commun, offset
2
Introduction
Av2 1
Etage
différentiel
d’entrée
2ème étage
de gain Etage de sortie
AV1
+
-
Ccmp
−
+
−
+
−=
−=
+=
VVv
v
V
V
v
V
V
in
in
mc
in
mc
2
2
in
v
out
v
A
V
⋅
=
V+ V-
Ibias1
Vdd Vdd
Ibias2
Vout
Ibias3
Vdd
3Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
– Paire différentielle CMOS
– Charge active
– Gain en tension
– Polarisation et mode commun
– Choix de la source de courant
– Dimensionnement
• Amplificateur à deux étages
• Etage de sortie
4
Paire différentielle CMOS
V+ V-
Ibias
T1T2
Id1 Id2
2
21 bias dd
I
II ==
−
+
−
+
−=
−=
+=
VVv
v
V
V
v
V
V
in
in
mc
in
mc
2
2
Modèle petit-signal
2
1
222
111
2
2
m
m
in
mmd
in
mmd
gg
v
gvgi
v
gvgi
=
⋅−=⋅=
⋅=⋅=
−
+
gm2.v-
gm1.v+
id2 id1
Rout(Ibias)
5Charge active par miroir de courant
V+ V-
Ibias
T1T2
Id1 Id2
Vdd
T3T4
Vout
Id4 Modèle petit-signal
2
3
14
444
3
1
4
2111
2
d
m
dm
gsmd
m
d
gs
d
in
mmd
i
gig
vgi
g
i
v
i
v
gvgi
−≅
⋅
=⋅=⇒=
−=⋅=⋅=
+
rout
(
)
in
out
m
d
d
out
out
v
r
g
i
i
r
v
⋅
⋅
=
−
⋅
=
1
2
4
gm2.v-
gm1.v+
id2
id1
Vout
1/gm3
gm4.vgs4
id4
vgs4
Rout(Ibias)
6

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2
Gain en tension : calcul de rout
gm2.v-
gm1.v+
ix2 Vx
1/gm3
gm4.vgs4
Vgs4
rds4
rds1 rds2
ix1ix3
44
3
2
1
4
321
/1
gsm
m
ds
ds
x
ds
x
xxxx
vg
grr
v
r
v
iiii ⋅−
++
+=++=
244343
3
2
4
avec
xgsmxmm
m
x
gs
ivgigg
g
i
v=⋅−= ⇒ =−=
2
4
3
2
1
4
321
/1
2
ds
x
ds
x
m
ds
ds
x
ds
x
xxxx
r
v
r
v
grr
v
r
v
iiii +≅
++
⋅+=++=
4
2
//
ds
ds
out
r
r
r
=
V+ V-
Ibias
T1T2
Id1 Id2
Vdd
T3T4
Vout
Id4
7Gain en tension : influence des
dimensions
V+ V-
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
VB
VA
4
2
1
1
ds
ds
m
outm
in
out
gg g
rg
v
v+
=⋅=
22,1
2,1
2,1
2
eff
bias
eff
ds
m
V
I
V
I
g=⋅=
2
1
2
2
2bias ndsn
ds
ds
I
I
r
g λλ =≅=
2
1
4
4
4bias pdsp
ds
ds
I
I
r
g λλ =≅=
242
1
)(
2
effpndsds
m
in
out
Vgg
g
v
v
⋅+
=
+
=⇒
λλ
8
2
2
2
2
22
2
)(
2
2L W
I
Cµ
v
v
W
L
Cµ I
V
dspn
oxn
in
out
oxn
ds
eff
⋅+
=⇒=
λλ
*
Gain en tension : prise en compte du
2nd étage de gain
V+ V-
Ibias
T1T2
Id1 Id2
Vdd
T3T4
Id4
pC
Z
in
e
1
=
Av2 1
4
2
1
ds
ds
out
gg
r+ =
out
in
out
out
eoutout
r
pCrr
ZrZ ≤
+
== 1 //
in
dsds
c
effpn
v
dsds
in
dsds
m
outm
in
out
v
C
gg
f
V
dcA
p
gg C
gg
g
Zg
v
v
A
⋅
+
=⇒
⋅+
=⇒
+
+
⋅
+
=⋅==
πλλ 2)( 2
)(
1
1
42
2
1
42
42
1
11
9Polarisation et Mode commun
• Tous les transistors sont saturés
• Absence de signal
V+ V-
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
VB
VA
2,1min,
min,2,1
efftnAmc
AefftnmcA
VVVV
V
V
V
V
V
++>⇒
>
−
−
=
min,
2,1
4,3
AA
effAB
tpeffddB
V
V
VV
V
VVV
V
>>− −−=
tntpeffddmc
tnmcBeffAB
VVVVV
V
V
V
V
V
V
+−−<⇒
−
>
⇒
>
−
4,3
2,1
0
=
−
=
⇒
=
=
−+−+
V
V
v
V
V
V
in
mc
10
Choix de la source de courant
• La qualité de l’amplificateur
dépend de la qualité de la source
de courant
– Courant indépendant de Vdd (influence
sur le gain en tension)
– Le courant doit être constant sur
toute la plage de MC
Grande résistance de sortie
– Source de courant saturée pour
une faible tension de sortie
(valeur minimale du Mode Commun)
V+ V-
Ibias1
Vdd
Vout
11
2
2
2
)(
2
L
W
I
Cµ
v
v
dspn
oxn
in
out
⋅+
=
λλ
2,1min, efftnAmc
VVVV ++>
2,1efftnmcA
VVVV −−=
VA
Effet du courant de polarisation sur
le gain
12
V+ V-
Ibias1
Vdd
Vout
)(VV
out
)(VVVv
in −+
−=
↑
1 bias
I

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3
0
50
100
150
200
250
300
0,00E+00 2,00E-05 4,00E-05 6,00E-05 8,00E-05 1,00E-04 1,20E-04
Effet du courant de polarisation sur
le gain
13
V+ V-
Ibias1
Vdd
Vout
in
out
v
v
)(
1
AI
bias
Effet de la résistance interne de la
source de courant sur le gain
14
↑
out
R
)(VV
out
)(VVVv
in −+
−=
V+ V-
Ibias1
Vdd
Vout
VA
Rout
Effet de la résistance interne de la
source de courant sur le gain
15
0
50
100
150
200
250
1,00E+03 1,00 E+04 1,00E+0 5 1,00E+06 1,00E+07
in
out
v
v
)(Ω
out
R
V+ V-
Ibias1
Vdd
Vout
VA
Rout
Choix de la source de courant
• Rappel
Sensibilité à
Vdd
Résistance de
sortie
Plage de
fonctionnement
Miroir simple ±12% 673kΩ> 0,5V
indépendante de Vdd ±1,5% 533kΩ> 0,35V
indépendante de Vdd +
Cascode
±0,4% 250MΩ> 0,8V
indépendante de Vdd +
Cascode large excursion
±2,9% 16,5MΩ> 0,35V
16
Choix de la source de courant
V+ V-
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
T8
T7
Ibias
T5
T6
T9
R
Ibias/10
Dimensionnement ?
Gain statique  Courant Ibias
Performances dynamiques  Gain du 2nd étage
17 Dimensionnement
• Exemple avec Ibias7 et Av1(dc)
• Dimensionnement de T3et T4
– Influence sur le niveau haut du mode commun et sur
le gain du second étage compromis avec surface
V+ V-
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
T7
Ibias7
Vbias
p
n
λ
λ
22,12,1
2,1
2,1
1
.
.2
effoxn
ds
eff
VC
I
L
W
V⋅=⇒⇒
µ
242
1
1
)( 2
)(
effpndsds
m
v
Vgg g
dcA ⋅+ −=
+
−=
λλ
18
24,34,3
4,3
4,3
1
.
.2
effoxp
ds
eff
VC
I
L
W
V⋅=⇒⇒
µ

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Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
– Principe
– Dimensionnement
– Gain en basse fréquence
– Calcul du premier pôle
– Simulations
– Analyse de la réponse en fréquence
• Etage de sortie
19 Amplificateur à deux étages :
principe
V+ V-
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
T8
T7
Ibias
T5
T6
T9
R
Ibias/10
T12
T13
Ibias
Vout
V- V+
20
Amplificateur à deux étages :
principe
Dimensionnement & polarisation statique
Simulation (op, dc) et étude petit signal Gain BF
Simulation (ac) stabilité
2
13
12
12
2
out
ds
ds
m
v
ggg
g
A++ −=
V- V+
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
T8
T7
Ibias
T5
T6
T9
R
Ibias/10
T12
T13
Ibias
Vout
p
gg C
gg g
A
ds
ds
in
dsds
m
v
4
2
2
42
1
1
1
1
+
+
⋅
+
−=
21 Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
– Principe
– Dimensionnement
– Gain en basse fréquence
– Calcul du premier pôle
– Simulations
– Pôle dominant et slew-rate
– Analyse de la réponse en fréquence
• Etage de sortie
22
Amplificateur à deux étages :
dimensionnement
• Dimensionnement de T12 et T13
– T13 réglage du courant
de polarisation
identique T7(Slew-Rate)
– T12 Veff et Ids imposés
– gm12 est imposé par le dimensionnement du 1er étage
V- V+
Ibias
T1T2
Vdd
T3T4
Vout
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
7
7
13
13
L
W
L
W=
( )
( )
7
134
12
4312
2LW LW
I
I
V
V
V
ds
ds
effeffeff
⋅=
=
=
(
)
( ) ( )
4
7
13
12
12
2LW
LW LW L
W⋅⋅=
23 Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
– Principe
– Dimensionnement
– Gain en basse fréquence
– Calcul du premier pôle
– Simulations
– Pôle dominant et slew-rate
– Analyse de la réponse en fréquence
• Etage de sortie
24

Cours Circuits Intégrés Analogiques
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5
Amplificateur à deux étages : gain
basse fréquence
• Calcul du gain basse fréquence de l’amplificateur
à deux étages
2
2
2bias oxnm
I
L
W
Cg ⋅⋅= µ
2
2bias nds
I
g λ ≅
2
4bias pds
I
g λ ≅
42
2
1
dsds
m
v
gg g
A+ −=
biasoxpm
I
L
W
Cg ⋅⋅= µ 2
12
biaspds
Ig λ ≅
12
biasnds
Ig
λ
≅
13
1312
12
2dsds
m
v
gg g
A+ −=
25 Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
– Principe
– Dimensionnement
– Gain en basse fréquence
– Calcul du premier pôle
– Simulations
– Pôle dominant et slew-rate
– Analyse de la réponse en fréquence
• Etage de sortie
26
Amplificateur à deux étages :
calcul du 1er pôle
prise en compte des capacités…
V- V+
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
T
12
V- V+
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
V- V+
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
T
12
V- V+
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
T
12
V- V+
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
V- V+
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
T
12
12
12
3
2
ings
CC ⋅=
2
4
,
d
d
C
C
1212
%
10
ingd
C
C
⋅
=
121212
LWCC
oxpin
⋅⋅=
27
p1 1 gg g ggg g
A
4ds2ds
2m
1out4ds2ds
2m
1v
τ+
⋅
+
−=
++
−=
πτ
τ
21 10
1
42
12
2
=⇒
+
≅
c
dsds
in
v
f
gg C
A
Amplificateur à deux étages :
calcul du 1er pôle
• Calcul du pôle lié au premier
étage
– Calcul de la capacité qui charge
le 1er étage prise en compte
de l’effet Miller
p
C
Ag
in
vout
10
12
21
≅⇒
V- V+
I
bias
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
T
7
I
bias7
T
12
T
13
I
bias13
V
out
V
bias
V- V+
I
bias
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
V- V+
I
bias
T
1
T
2
Vdd
T
3
T
4
V
out
T
7
I
bias7
T
12
T
13
I
bias13
V
out
V
bias
28
Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
– Principe
– Dimensionnement
– Gain en basse fréquence
– Calcul du premier pôle
– Simulations
– Pôle dominant et slew-rate
– Analyse de la réponse en fréquence
• Etage de sortie
29 Montage étudié
T8
T5
T11
T9
R
Ibias/10
T6
T10
V- V+
T1T2
Vdd
T3T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vref
Cf
T16
Vout1
4ds2ds
1m
1v
gg g
A+ −≅
13
12
12
2
ds
ds
m
v
gg
g
A+ −≅
30