E354 - Institut für Elektrische Mess- und Schaltungstechnik
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Date (published):
2004
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Number of Pages:
169
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Keywords:
Operationsverstärker; CMOS
de
Abstract:
Die Versorgungsspannung von CMOS Technologien mit sehr kleinen Strukturgrößen und sehr dünnen Oxiden ist auf unter 2V z.B. 1,5V in der verwendeten 120nm CMOS Technologie begrenzt. Die Schwellspannung von deep-sub-µm CMOS Transistoren ist ein großer Teil der Versorgungsspannung. Die kleinen Transistorlängen verursachen sehr hohe Ausgangsleitwerte. Die erreichbare Verstärkung pro Verstärkerstufe ist sehr niedrig. Schnelle Verstärkerstufen haben eine Verstärkung unter 10.<br />Viele altbekannte Schaltungen können in deep-sub-µm Operationsverstärkern nicht verwendet werden. Einiger Forschungsaufwand ist notwendig um die optimalen Schaltungen für die neuen Technologien zu finden.<br />In dieser Arbeit wurden voll differenzielle Operationsverstärker entwickelt. Die Verstärker wurden hauptsächlich auf hohe Verstärkung und große Bandbreite optimiert. Ein Eingangsspannungsbereich von größer als ±0,2V in der Mitte der Versorgungsspannung von 1,2V wurde erreicht. Die meisten Verstärkerausgänge können bis an die Versorgungsspannung ausgesteuert werden. Die meisten Ausgangsstufen sind Klasse AB. Einer der realisierten Operationsverstärker hat eine gemessene Verstärkung von 128dB, wobei mit einfachen zweistufigen Operationsverstärkern eine Verstärkung von 60dB bei geringer Geschwindigkeit erreichbar ist. Mit einem solchen hochverstärkenden Operationsverstärker wurde eine Transitfrequenz von 693MHz erreicht.<br />Die Entwicklung von neuen Kompensationsmethoden war notwendig, um eine Kombination von hoher Verstärkung und hoher Geschwindigkeit zu erreichen. Mit der entwickelten Kompensationsmethode kann die Verstärkung beliebig erhöht werden. Die sinnvoll verwendbare Verstärkung wird durch das Rauschen begrenzt.<br />
de
The supply voltage in technologies with very small structure sizes and very thin oxide thickness is limited to below 2V e.g. to 1.5V in 120nm CMOS. The threshold voltage of deep-sub-µm CMOS transistors is a large portion of the supply voltage. The small transistor length causes a high output conductance. The reachable gain per transistor stage is very low. Especially for high-speed circuits the reachable gain per stage is below 10.<br />Some well known circuits are not useable to meet all requirements for deep-sub-µm operational amplifiers. Some research is necessary to find the optimal circuits for these applications.<br />In this work fully differential operational amplifiers are developed.<br />The operational amplifiers are optimized mainly on high gain and high bandwidth. An input-voltage range of bigger than ±0.2V in the middle of the supply voltage is achieved and most of the outputs are rail-to-rail.<br />A class AB behavior of the output stage is realized in most of the operational amplifiers.<br />The gain of the realised operational amplifiers is up to 128dB, whereas with a simple 2-stage operational amplifier a gain of only 60dB at low speed is reachable. With such a high-gain operational amplifier a unity-gain frequency of 693MHz is reached.<br />To reach such a combination of high gain and high unity-gain frequency the development of new compensation schemes was necessary. With the developed compensation the reachable gain can be increased to any value.<br />The useful gain is limited by noise.
