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
nouet@lirmm.fr
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
VV
v
VV
in
in
mc
in
mc
2
2
invout vAV ⋅=
V+ V-
Ibias1
Vdd Vdd
Ibias2
Vout
Ibias3
Vdd
3
Plan
• 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
T1 T2
Id1 Id2
2
21
bias
dd
I
II ==
−+
−
+
−=
−=
+=
VVv
v
VV
v
VV
in
in
mc
in
mc
2
2
Modèle petit-signal
21
222
111
2
2
mm
in
mmd
in
mmd
gg
v
gvgi
v
gvgi
=
⋅−=⋅=
⋅=⋅=
−
+
gm2.v-gm1.v+
id2id1
Rout(Ibias)
5
Charge active par miroir de courant
V+ V-
Ibias
T1 T2
Id1 Id2
Vdd
T3 T4
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
g
ig
vgi
g
i
v
i
v
gvgi
−≅
⋅
=⋅=⇒=
−=⋅=⋅= +
rout
( ) inoutmddoutout vrgiirv ⋅⋅=−⋅= 124
gm2.v-gm1.v+
id2
id1
Vout
1/gm3
gm4.vgs4
id4
vgs4
Rout(Ibias)
6
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26/02/2010
2
Gain en tension : calcul de rout
gm2.v-gm1.v+
ix2
Vx
1/gm3
gm4.vgs4
Vgs4
rds4
rds1
rds2
ix1ix3
44
3214
321
/1
gsm
mdsds
x
ds
x
xxxx vg
grr
v
r
v
iiii ⋅−
++
+=++=
244343
3
2
4 avec xgsmxmm
m
x
gs ivgigg
g
i
v =⋅−=⇒=−=
243214
321
/1
2
ds
x
ds
x
mdsds
x
ds
x
xxxx
r
v
r
v
grr
v
r
v
iiii +≅
++
⋅+=++=
42 // dsdsout rrr =
V+ V-
Ibias
T1 T2
Id1 Id2
Vdd
T3 T4
Vout
Id4
7 Gain en tension : influence des
dimensions
V+ V-
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
VB
VA
42
1
1
dsds
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
2
bias
ndsn
ds
ds
I
I
r
g λλ =≅=
2
1
4
4
4
bias
pdsp
ds
ds
I
I
r
g λλ =≅=
242
1
)(
2
effpndsds
m
in
out
Vgg
g
v
v
⋅+
=
+
=⇒
λλ
8
2
2
22
22
2
)(
22
L
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
T1 T2
Id1 Id2
Vdd
T3 T4
Id4
pC
Z
in
e
1
=
Av2 1
42
1
dsds
out
gg
r
+
=
out
inout
out
eoutout r
pCr
r
ZrZ ≤
+
==
1
//
in
dsds
c
effpn
v
dsds
indsds
m
outm
in
out
v
C
gg
f
V
dcA
p
gg
Cgg
g
Zg
v
v
A
⋅
+
=⇒
⋅+
=⇒
+
+
⋅
+
=⋅==
πλλ 2)(
2
)(
1
1
42
2
1
42
42
1
11
9
Polarisation et Mode commun
• Tous les transistors sont saturés
• Absence de signal
V+ V-
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
VB
VA
2,1min,
min,2,1
efftnAmc
AefftnmcA
VVVV
VVVVV
++>⇒
>−−=
min,
2,1
4,3
AA
effAB
tpeffddB
VV
VVV
VVVV
>
>−
−−=
tntpeffddmc
tnmcBeffAB
VVVVV
VVVVVV
+−−<⇒
−>⇒>−
4,3
2,1
0=−=⇒== −+−+ VVvVVV inmc
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
)(VVout
)(VVVvin −+ −=
↑1biasI
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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 AIbias
Effet de la résistance interne de la
source de courant sur le gain
14
↑outR)(VVout
)(VVVvin −+ −=
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 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07
in
out
v
v
)(ΩoutR
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
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T8
T7
Ibias
T5T6
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 T3 et T4
– Influence sur le niveau haut du mode commun et sur
le gain du second étage compromis avec surface
V+ V-
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T7
Ibias7
Vbias
p
n
λ
λ
2
2,12,1
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
2
4,34,3
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
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T8
T7
Ibias
T5T6
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
21312
12
2
outdsds
m
v
ggg
g
A
++
−=
V- V+
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T8
T7
Ibias
T5T6
T9
R
Ibias/10
T12
T13
Ibias
Vout
p
gg
Cgg
g
A
dsds
indsds
m
v
42
242
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
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
7
7
13
13
L
W
L
W
=
( )
( )7
134
12
4312
2 LW
LWI
I
VVV
ds
ds
effeffeff
⋅=
==
( )
( )
( )4
7
13
12
12
2 LW
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
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5
Amplificateur à deux étages : gain
basse fréquence
• Calcul du gain basse fréquence de l’amplificateur
à deux étages
2
22
bias
oxnm
I
L
W
Cg ⋅⋅= µ
2
2
bias
nds
I
g λ≅
2
4
bias
pds
I
g λ≅
42
2
1
dsds
m
v
gg
g
A
+
−=
biasoxpm I
L
W
Cg ⋅⋅= µ212
biaspds Ig λ≅12
biasnds Ig λ≅13
1312
12
2
dsds
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+
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T12
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T12
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T12
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T12
1212
3
2
ings CC ⋅=
24, dd CC
1212 %10 ingd CC ⋅=
121212 LWCC oxpin ⋅⋅=
27
p1
1
gg
g
ggg
g
A
4ds2ds
2m
1out4ds2ds
2m
1v
τ+
⋅
+
−=
++
−=
πτ
τ
2
1
10
1
42
122
=⇒
+
≅ c
dsds
inv
f
gg
CA
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+
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
V- V+
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
V- V+
Ibias
T1 T2
Vdd
T3 T4
Vout
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
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
T5T11
T9
R
Ibias/10
T6T10
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vref
Cf
T16
Vout1
4ds2ds
1m
1v
gg
g
A
+
−≅
1312
12
2
dsds
m
v
gg
g
A
+
−≅
30
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6
31
59000
70500
57600
Réponse statique
Gain du 1er étage
Gain total
Amplificateur à deux étages : Effet
d’une résistance en sortie
• Rout = 10MΩ, 1MΩ et 100kΩ
'1312
1312
'
outdsds
outdsds
vv
ggg
ggg
AA
++
++
⋅=
32
réponse en fréquence
-40 dB/décade
-20 dB/décade
1er pôle
2ème pôle
33 Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Diagramme de phase (AOP non compensé)
– 1er pôle : 23900 Hz
– 2ème pôle : 19,2 MHz
– Déphasage de 180° : 67,6 MHz
34
Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Extraction des capacités pour vérification du 1er
pôle
0:m2 0:m4 0:m12
– cdtot 178.5f 188.1f
– cgs 655.3f
– cgd 83.27f
pFC
pFCAA
total
gdvv
92,19
9,18227 1222
=
=⋅⇒−=
kHzfµs
gg
C
c
dsds
total
4,24
2
1
51,6 1
42
≅=⇒=
+
=
πτ
τ
35 Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Diagramme de gain (AOP non compensé)
– Gain statique : 59566 (95,5 dB )
– Gain unitaire : 153 MHz
– Gain pour un déphasage de 180° > 0 dB
36
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7
Amplificateur à deux étages : Effet
d’une capacité en sortie
• Effet sur le gain déplacement du 2nd pôle
Cout = 1fF, 100fF, 10pF et 1nF
out
c
out
dsds
out
C
f
C
gg
C
⋅
=⇒=
+
≅
−
−
π
τ
2
10.4
10.4
6
26
1312
2
Amplificateur à deux étages : Effet
d’une capacité en sortie
Cout = 1fF, 100fF, 10pF et 1nF
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
39 Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Introduction d’un pôle
dominant par ajout
d’une capacité
• Cf en parallèle sur Cgd12
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
Cf
Vout1
40
pF5
500.2.227
10.6,3
CHz500f.n.a
f.2.A
gg
C
CACCC
gg
C
f.2
1
2
1
f
6
f1c
1c2v
4ds2ds
f
f2vtotal12gdf
4ds2ds
total
1c
1c
=
π
=⇒=
π
+
=
⋅=⇒>>
+
=
π
=τ⇒
πτ
=
−
100fF 1pF 5pF 10pF
41
fc=519Hz
Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Autres caractéristiques dynamiques
– Produit gain-bande
– fréquence de gain unitaire
• Hypothèse 1er ordre
– Slew-rate
Rythme de variation maximum de tension en sortie
42
MHz8,31
pF5.2
V/mA1
GBWV/mA1g.n.a
C.2
g
GBW
C.2.A
gg
A
gg
g
fAAGBW
f
2m
f2v
4ds2ds
2v
4ds2ds
2m
1c2v1v
=
π
=⇒=
π
=⇒
π
+
+
==
m2
f
2m
u
C.2
g
GBWf
π
==
f
bias
max
f
C
I
dt
)C(dV
.R.S ==
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8
100fF 1pF 5pF 10pF
43
fc=519Hz
fu=33MHz
A=0dB
Amplificateur à deux étages :
Slew-Rate
• Calculer le SR de cet
amplificateur avec
Cf=5pF
• Calculer de W/L de T1 et
T2 de façon à doubler le SR sans changer fu et
Ibias
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
Cf
Vout1
44
µs/V20
pF5
µA100
.R.S
C
I
dt
)C(dV
.R.S
f
bias
max
f
==
==
11 T
'
T
1eff
1eff
1eff
bias2m
2m
f
2m
u
f
f
L
W
4
1
L
W
2
'V
V
'V
I.2
2
g
'g
C.
'g
f
2
C
'C =⇒=⇒==⇒
π
=⇒=⇒
Amplificateur à deux étages :
Slew-Rate
SR = 29,1 V/ s
45 Amplificateur à deux étages :
Slew-Rate
SR = 57,2 V/ s
pFC
L
W
L
W
f 5.2et23,5
4
94
2
2
1
1
=≅==
46
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
47
100fF 1pF 5pF 10pF
48
fc=519Hz
fu=33MHz
A=0dB
fu=33MHz
φ=-180°
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9
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1
Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
Cf
Vout1
12
13122
13122
12421
421
////
//
gdfc
loaddd
loaddsds
gsdd
dsds
CCC
CCCC
gggr
CCCC
ggr
+⇒
++⇒
⇒
++⇒
⇒
49 50Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
( )
( )
( )
12
2
2
1
12
2
112
1111
1
1
2
1
...
),(...
mc
c
outout
outoutcout
out
outm
outinoutoutoutcout
out
inm
gpC
pCC
r
vv
vvpCvpC
r
v
vg
vvfvvvpCvpC
r
v
vg
−
++
=⇒
−++=−
=⇒−++=−
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1
( ) ( )
( )cc
cmcc
CCCCCCrrb
CrrgCCrCCra
122121
21121122
++=
++++=
2
12
21212
1
1
bpap
g
pC
rgrg
v
v m
c
mm
in
out
++






−⋅⋅
=
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1
Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Augmentation de Cc
– Le zéro se déplace comme le pôle dominant
• Augmentation de gm12 coût en silicium
( )
c
12m
z
21
12m
2p
c212m1
1p
C2
g
f
CC2
g
f
Crgr2
1
f
⋅π
−
=
+⋅π
=
⋅π
=
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1








ω
+








ω
+=++
++






−⋅⋅
=
2p1p
2
2
12m
c
212m12m
in
out
p
1
p
1bpap1
bpap1
g
pC
1rgrg
v
v
51 Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
gm2.vin
Vout
r1
Cc
C1
gm12.vout1 r2 C2
Vout1
• Solution : introduction d’une résistance série
– Pôles 1 et 2 sensiblement identiques
– 3ème pôle à haute fréquence
– Modification du zéro :
Le zéro peut-être placé
Compensation du 2ème pôle : C1+C2=?
Juste après la fréquence de gain unitaire
Rs
( )smc
z
RgC
f
−⋅
−
=
1212
1
π
52
Amplificateur à deux étages :
réponse en fréquence
• Amélioration de la
stabilité par ajout
d’un zéro
• Comment placer le zéro introduit par Rs+Cf pour
qu’il compense l’effet du 2nd pôle ?
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
Cf
Vout1
Rs
53 Amplificateur à deux étages :
Placement du zéro
• Solution 1
• 1ère étape :
– simulation ac avec Cf0 arbitraire (5pF) et Rs=0
– choix d’une marge de phase
fréquence de gain unitaire fu
mesure du gain Av(fu)
• 2ème étape :
– calcul de Cf= Cf0.Av(fu)
– positionnement du zéro à fu+20%
calcul de Rs
54
Cours Circuits Intégrés Analogiques - 2009/2010
Basic OpAmp Design
26/02/2010
10
55CC=5pF et RS=0
fu=10,7MHz
φ=-125°
fu=10,7MHz
AV=2,6 (8,3dB)
CC=13pF
fc=520Hz
56
fu=21MHz
AV=-0,46dB
CC=13pF et RS=0
fu=21MHz
φ=-180°
( )
Ω≈+
⋅π
=⇒
=
−⋅π
−
=
1020
g
1
Cf2
1
R
MHz12
Rg1C2
1
f
12mcz
s
s12mc
z
fc=200Hz
57
fc=200Hz
fu = 10,3 MHz
Marge de phase
73°
Fréquence pour
déphasage de 180°
77,6 MHz
Marge de gain
20,2dB
Stabilité de l’AOP Compensé
(13pF+1020Ω)
58
Amplificateur à deux étages :
Placement du zéro
• Autre solution :
– Choix de la position de la fréquence de gain unitaire :
• Ex : GBW=18MHz
– Calcul de la capacité de
compensation :
– Positionnement du zéro
• fu + 20% : 22MHz
( )
Ω≈+
⋅
=⇒=
−⋅
−
= 1820
1
2
1
22
12
1
1212 mcz
s
smc
z
gCf
RMHz
RgC
f
ππ
MHz18fu =
pF
f
g
C
u
m
f 8,8
2
2
≈=
π
59
Marge de phase
100° @ 18,4MHz
Marge de gain
23,3dB @ 282MHz
Stabilité de l’AOP Compensé
(8,8pF+1820Ω)
60
Cours Circuits Intégrés Analogiques - 2009/2010
Basic OpAmp Design
26/02/2010
11
Amplificateur à deux étages :
Placement du zéro
• Amélioration de la
stabilité par ajout
d’un zéro
• Le zéro introduit par T16+Cf compense le 2nd pôle
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
13pF
T16
Vout1
w=16µ
L=1µ
61 Stabilité de l’AOP Compensé
(13pF+T16)
Marge de phase
80°
Marge de gain
>24dB
62
fu = 25,8 MHz
Marge de phase
32°
Fréquence pour
déphasage de 180°
47,4 MHz
Marge de gain
5,68dB
Stabilité de l’AOP Compensé
(5pF ; w=30u ; l=0,8u)
63
Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
• Etage de sortie
64
Ldsds
m
vL
Ggg
g
AG
++
−≅⇒
1312
12
2
Amplificateur à deux étages:
ajout d’un étage de sortie
T8
T5T11
T9
R
Ibias/10
T6T10
V- V+
T1 T2
Vdd
T3 T4
T7
Ibias7
T12
T13
Ibias13
Vout
Vbias
Cf
T16
Vout1
T14
Vout
T15
pACgg
g
A
vfdsds
m
v
242
1
1
++
−≅
1312
12
2
dsds
m
v
gg
g
A
+
−≅
Lmdsds
m
v
Gggg
g
A
+++
≅
151514
15
3
65
Plan
• Introduction
• Etage différentiel d’entrée
• Amplificateur à deux étages
• Etage de sortie
• Autres montages amplificateurs
66
Cours Circuits Intégrés Analogiques - 2009/2010
Basic OpAmp Design
26/02/2010
12
AOP 2 étages PMOS
67
M4
Vdd=+3,3V
M5M10
M12
M1
M11
M3
M2
Vin-
Vin+
M9
M7
M6
M8
CC
Vout
Amplificateur de Transconductance
(OTA)
V1 V2
T1 T2
Vdd
T4T8
T7
Ip
Vp
T8
T5 T6
T9
CL
Vout
Amplificateur opérationnel
« Folded-cascode »
Ib1
V- V+
Ib2
T1 T2
Vdd
T11
T3
T12
T4
T13
T8
VB2
T7
T10T9
T5 T6
VB1
CL
Vout
Amplificateur opérationnel
« Folded-cascode »

Cia2 basic opamp

  • 1.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 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 nouet@lirmm.fr 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 VV v VV in in mc in mc 2 2 invout vAV ⋅= V+ V- Ibias1 Vdd Vdd Ibias2 Vout Ibias3 Vdd 3 Plan • 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 T1 T2 Id1 Id2 2 21 bias dd I II == −+ − + −= −= += VVv v VV v VV in in mc in mc 2 2 Modèle petit-signal 21 222 111 2 2 mm in mmd in mmd gg v gvgi v gvgi = ⋅−=⋅= ⋅=⋅= − + gm2.v-gm1.v+ id2id1 Rout(Ibias) 5 Charge active par miroir de courant V+ V- Ibias T1 T2 Id1 Id2 Vdd T3 T4 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 g ig vgi g i v i v gvgi −≅ ⋅ =⋅=⇒= −=⋅=⋅= + rout ( ) inoutmddoutout vrgiirv ⋅⋅=−⋅= 124 gm2.v-gm1.v+ id2 id1 Vout 1/gm3 gm4.vgs4 id4 vgs4 Rout(Ibias) 6
  • 2.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 2 Gain en tension : calcul de rout gm2.v-gm1.v+ ix2 Vx 1/gm3 gm4.vgs4 Vgs4 rds4 rds1 rds2 ix1ix3 44 3214 321 /1 gsm mdsds x ds x xxxx vg grr v r v iiii ⋅− ++ +=++= 244343 3 2 4 avec xgsmxmm m x gs ivgigg g i v =⋅−=⇒=−= 243214 321 /1 2 ds x ds x mdsds x ds x xxxx r v r v grr v r v iiii +≅ ++ ⋅+=++= 42 // dsdsout rrr = V+ V- Ibias T1 T2 Id1 Id2 Vdd T3 T4 Vout Id4 7 Gain en tension : influence des dimensions V+ V- Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout VB VA 42 1 1 dsds 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 2 bias ndsn ds ds I I r g λλ =≅= 2 1 4 4 4 bias pdsp ds ds I I r g λλ =≅= 242 1 )( 2 effpndsds m in out Vgg g v v ⋅+ = + =⇒ λλ 8 2 2 22 22 2 )( 22 L 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 T1 T2 Id1 Id2 Vdd T3 T4 Id4 pC Z in e 1 = Av2 1 42 1 dsds out gg r + = out inout out eoutout r pCr r ZrZ ≤ + == 1 // in dsds c effpn v dsds indsds m outm in out v C gg f V dcA p gg Cgg g Zg v v A ⋅ + =⇒ ⋅+ =⇒ + + ⋅ + =⋅== πλλ 2)( 2 )( 1 1 42 2 1 42 42 1 11 9 Polarisation et Mode commun • Tous les transistors sont saturés • Absence de signal V+ V- Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout VB VA 2,1min, min,2,1 efftnAmc AefftnmcA VVVV VVVVV ++>⇒ >−−= min, 2,1 4,3 AA effAB tpeffddB VV VVV VVVV > >− −−= tntpeffddmc tnmcBeffAB VVVVV VVVVVV +−−<⇒ −>⇒>− 4,3 2,1 0=−=⇒== −+−+ VVvVVV inmc 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 )(VVout )(VVVvin −+ −= ↑1biasI
  • 3.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 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 AIbias Effet de la résistance interne de la source de courant sur le gain 14 ↑outR)(VVout )(VVVvin −+ −= 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 1,00E+04 1,00E+05 1,00E+06 1,00E+07 in out v v )(ΩoutR 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 T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T8 T7 Ibias T5T6 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 T3 et T4 – Influence sur le niveau haut du mode commun et sur le gain du second étage compromis avec surface V+ V- Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T7 Ibias7 Vbias p n λ λ 2 2,12,1 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 2 4,34,3 4,3 4,3 1 . .2 effoxp ds eff VC I L W V ⋅=⇒⇒ µ
  • 4.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 4 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 T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T8 T7 Ibias T5T6 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 21312 12 2 outdsds m v ggg g A ++ −= V- V+ Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T8 T7 Ibias T5T6 T9 R Ibias/10 T12 T13 Ibias Vout p gg Cgg g A dsds indsds m v 42 242 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 T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias 7 7 13 13 L W L W = ( ) ( )7 134 12 4312 2 LW LWI I VVV ds ds effeffeff ⋅= == ( ) ( ) ( )4 7 13 12 12 2 LW 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
  • 5.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 5 Amplificateur à deux étages : gain basse fréquence • Calcul du gain basse fréquence de l’amplificateur à deux étages 2 22 bias oxnm I L W Cg ⋅⋅= µ 2 2 bias nds I g λ≅ 2 4 bias pds I g λ≅ 42 2 1 dsds m v gg g A + −= biasoxpm I L W Cg ⋅⋅= µ212 biaspds Ig λ≅12 biasnds Ig λ≅13 1312 12 2 dsds 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+ T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T12 V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 Vout V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T12 V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T12 V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 Vout V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T12 1212 3 2 ings CC ⋅= 24, dd CC 1212 %10 ingd CC ⋅= 121212 LWCC oxpin ⋅⋅= 27 p1 1 gg g ggg g A 4ds2ds 2m 1out4ds2ds 2m 1v τ+ ⋅ + −= ++ −= πτ τ 2 1 10 1 42 122 =⇒ + ≅ c dsds inv f gg CA 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+ Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias V- V+ Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout V- V+ Ibias T1 T2 Vdd T3 T4 Vout T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias 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 T5T11 T9 R Ibias/10 T6T10 V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vref Cf T16 Vout1 4ds2ds 1m 1v gg g A + −≅ 1312 12 2 dsds m v gg g A + −≅ 30
  • 6.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 6 31 59000 70500 57600 Réponse statique Gain du 1er étage Gain total Amplificateur à deux étages : Effet d’une résistance en sortie • Rout = 10MΩ, 1MΩ et 100kΩ '1312 1312 ' outdsds outdsds vv ggg ggg AA ++ ++ ⋅= 32 réponse en fréquence -40 dB/décade -20 dB/décade 1er pôle 2ème pôle 33 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Diagramme de phase (AOP non compensé) – 1er pôle : 23900 Hz – 2ème pôle : 19,2 MHz – Déphasage de 180° : 67,6 MHz 34 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Extraction des capacités pour vérification du 1er pôle 0:m2 0:m4 0:m12 – cdtot 178.5f 188.1f – cgs 655.3f – cgd 83.27f pFC pFCAA total gdvv 92,19 9,18227 1222 = =⋅⇒−= kHzfµs gg C c dsds total 4,24 2 1 51,6 1 42 ≅=⇒= + = πτ τ 35 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Diagramme de gain (AOP non compensé) – Gain statique : 59566 (95,5 dB ) – Gain unitaire : 153 MHz – Gain pour un déphasage de 180° > 0 dB 36
  • 7.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 7 Amplificateur à deux étages : Effet d’une capacité en sortie • Effet sur le gain déplacement du 2nd pôle Cout = 1fF, 100fF, 10pF et 1nF out c out dsds out C f C gg C ⋅ =⇒= + ≅ − − π τ 2 10.4 10.4 6 26 1312 2 Amplificateur à deux étages : Effet d’une capacité en sortie Cout = 1fF, 100fF, 10pF et 1nF 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 39 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Introduction d’un pôle dominant par ajout d’une capacité • Cf en parallèle sur Cgd12 V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias Cf Vout1 40 pF5 500.2.227 10.6,3 CHz500f.n.a f.2.A gg C CACCC gg C f.2 1 2 1 f 6 f1c 1c2v 4ds2ds f f2vtotal12gdf 4ds2ds total 1c 1c = π =⇒= π + = ⋅=⇒>> + = π =τ⇒ πτ = − 100fF 1pF 5pF 10pF 41 fc=519Hz Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Autres caractéristiques dynamiques – Produit gain-bande – fréquence de gain unitaire • Hypothèse 1er ordre – Slew-rate Rythme de variation maximum de tension en sortie 42 MHz8,31 pF5.2 V/mA1 GBWV/mA1g.n.a C.2 g GBW C.2.A gg A gg g fAAGBW f 2m f2v 4ds2ds 2v 4ds2ds 2m 1c2v1v = π =⇒= π =⇒ π + + == m2 f 2m u C.2 g GBWf π == f bias max f C I dt )C(dV .R.S ==
  • 8.
    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 8 100fF 1pF 5pF 10pF 43 fc=519Hz fu=33MHz A=0dB Amplificateur à deux étages : Slew-Rate • Calculer le SR de cet amplificateur avec Cf=5pF • Calculer de W/L de T1 et T2 de façon à doubler le SR sans changer fu et Ibias V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias Cf Vout1 44 µs/V20 pF5 µA100 .R.S C I dt )C(dV .R.S f bias max f == == 11 T ' T 1eff 1eff 1eff bias2m 2m f 2m u f f L W 4 1 L W 2 'V V 'V I.2 2 g 'g C. 'g f 2 C 'C =⇒=⇒==⇒ π =⇒=⇒ Amplificateur à deux étages : Slew-Rate SR = 29,1 V/ s 45 Amplificateur à deux étages : Slew-Rate SR = 57,2 V/ s pFC L W L W f 5.2et23,5 4 94 2 2 1 1 =≅== 46 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 47 100fF 1pF 5pF 10pF 48 fc=519Hz fu=33MHz A=0dB fu=33MHz φ=-180°
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    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 9 gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias Cf Vout1 12 13122 13122 12421 421 //// // gdfc loaddd loaddsds gsdd dsds CCC CCCC gggr CCCC ggr +⇒ ++⇒ ⇒ ++⇒ ⇒ 49 50Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence ( ) ( ) ( ) 12 2 2 1 12 2 112 1111 1 1 2 1 ... ),(... mc c outout outoutcout out outm outinoutoutoutcout out inm gpC pCC r vv vvpCvpC r v vg vvfvvvpCvpC r v vg − ++ =⇒ −++=− =⇒−++=− gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1 gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1 ( ) ( ) ( )cc cmcc CCCCCCrrb CrrgCCrCCra 122121 21121122 ++= ++++= 2 12 21212 1 1 bpap g pC rgrg v v m c mm in out ++       −⋅⋅ = gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Augmentation de Cc – Le zéro se déplace comme le pôle dominant • Augmentation de gm12 coût en silicium ( ) c 12m z 21 12m 2p c212m1 1p C2 g f CC2 g f Crgr2 1 f ⋅π − = +⋅π = ⋅π = gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1 gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1         ω +         ω +=++ ++       −⋅⋅ = 2p1p 2 2 12m c 212m12m in out p 1 p 1bpap1 bpap1 g pC 1rgrg v v 51 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence gm2.vin Vout r1 Cc C1 gm12.vout1 r2 C2 Vout1 • Solution : introduction d’une résistance série – Pôles 1 et 2 sensiblement identiques – 3ème pôle à haute fréquence – Modification du zéro : Le zéro peut-être placé Compensation du 2ème pôle : C1+C2=? Juste après la fréquence de gain unitaire Rs ( )smc z RgC f −⋅ − = 1212 1 π 52 Amplificateur à deux étages : réponse en fréquence • Amélioration de la stabilité par ajout d’un zéro • Comment placer le zéro introduit par Rs+Cf pour qu’il compense l’effet du 2nd pôle ? V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias Cf Vout1 Rs 53 Amplificateur à deux étages : Placement du zéro • Solution 1 • 1ère étape : – simulation ac avec Cf0 arbitraire (5pF) et Rs=0 – choix d’une marge de phase fréquence de gain unitaire fu mesure du gain Av(fu) • 2ème étape : – calcul de Cf= Cf0.Av(fu) – positionnement du zéro à fu+20% calcul de Rs 54
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    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 10 55CC=5pF et RS=0 fu=10,7MHz φ=-125° fu=10,7MHz AV=2,6 (8,3dB) CC=13pF fc=520Hz 56 fu=21MHz AV=-0,46dB CC=13pF et RS=0 fu=21MHz φ=-180° ( ) Ω≈+ ⋅π =⇒ = −⋅π − = 1020 g 1 Cf2 1 R MHz12 Rg1C2 1 f 12mcz s s12mc z fc=200Hz 57 fc=200Hz fu = 10,3 MHz Marge de phase 73° Fréquence pour déphasage de 180° 77,6 MHz Marge de gain 20,2dB Stabilité de l’AOP Compensé (13pF+1020Ω) 58 Amplificateur à deux étages : Placement du zéro • Autre solution : – Choix de la position de la fréquence de gain unitaire : • Ex : GBW=18MHz – Calcul de la capacité de compensation : – Positionnement du zéro • fu + 20% : 22MHz ( ) Ω≈+ ⋅ =⇒= −⋅ − = 1820 1 2 1 22 12 1 1212 mcz s smc z gCf RMHz RgC f ππ MHz18fu = pF f g C u m f 8,8 2 2 ≈= π 59 Marge de phase 100° @ 18,4MHz Marge de gain 23,3dB @ 282MHz Stabilité de l’AOP Compensé (8,8pF+1820Ω) 60
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    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 11 Amplificateur à deux étages : Placement du zéro • Amélioration de la stabilité par ajout d’un zéro • Le zéro introduit par T16+Cf compense le 2nd pôle V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias 13pF T16 Vout1 w=16µ L=1µ 61 Stabilité de l’AOP Compensé (13pF+T16) Marge de phase 80° Marge de gain >24dB 62 fu = 25,8 MHz Marge de phase 32° Fréquence pour déphasage de 180° 47,4 MHz Marge de gain 5,68dB Stabilité de l’AOP Compensé (5pF ; w=30u ; l=0,8u) 63 Plan • Introduction • Etage différentiel d’entrée • Amplificateur à deux étages • Etage de sortie 64 Ldsds m vL Ggg g AG ++ −≅⇒ 1312 12 2 Amplificateur à deux étages: ajout d’un étage de sortie T8 T5T11 T9 R Ibias/10 T6T10 V- V+ T1 T2 Vdd T3 T4 T7 Ibias7 T12 T13 Ibias13 Vout Vbias Cf T16 Vout1 T14 Vout T15 pACgg g A vfdsds m v 242 1 1 ++ −≅ 1312 12 2 dsds m v gg g A + −≅ Lmdsds m v Gggg g A +++ ≅ 151514 15 3 65 Plan • Introduction • Etage différentiel d’entrée • Amplificateur à deux étages • Etage de sortie • Autres montages amplificateurs 66
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    Cours Circuits IntégrésAnalogiques - 2009/2010 Basic OpAmp Design 26/02/2010 12 AOP 2 étages PMOS 67 M4 Vdd=+3,3V M5M10 M12 M1 M11 M3 M2 Vin- Vin+ M9 M7 M6 M8 CC Vout Amplificateur de Transconductance (OTA) V1 V2 T1 T2 Vdd T4T8 T7 Ip Vp T8 T5 T6 T9 CL Vout Amplificateur opérationnel « Folded-cascode » Ib1 V- V+ Ib2 T1 T2 Vdd T11 T3 T12 T4 T13 T8 VB2 T7 T10T9 T5 T6 VB1 CL Vout Amplificateur opérationnel « Folded-cascode »