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6 - 14 |
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CHUNG-YU WU |
The numerator of H( s ) = |
V2 ( s ) |
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is g |
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( g |
|
+ g |
|
)( C R s +1) |
||
|
mi |
mg 1 |
mg 2 |
||||||||
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|
Vd ( s ) |
|
|
|
c out |
||||
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Þ LHP Zero : - |
1 |
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Cc Rout |
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||||
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If Rout is large , LHP Zero may form a pole-zero doublet with Sp1’ or Sp2’
Þ very slow slew rate !!
If Rout is small , too large gm1 or gm2 is required.
Þ(large area ,large power)
Þlarge Cout. Freq. Resp. ↓
*Somehow difficult to design.
*Also the power dissipation of the buffer is large. (additional power dissipation)
§6-2.2 Adding Rc in series with Cc. |
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CC |
RC |
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|||||||
H( s ) = |
v2 |
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can be solved. |
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|||||||||
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V1 |
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V2 |
|||||||||||||||||
vd |
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Low frequency gain : Adm |
= gmi (gmg 1 + gmg 2 )Ro Rd |
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LHP Poles : |
SP 1 @ |
|
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- 1 |
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(unchanged) |
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||||||||||
|
( |
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|
+ gmg2 |
) |
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||||||||||||||
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gmg1 |
Ro Rd Cc |
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|||||||||||
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SP 2 |
@ - |
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(gmg 1 |
+ gmg 2 )Cc |
(unchanged) |
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||||||||||||
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Cd CL + Cc CL + Cd Cc |
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||||||||||||||||||
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||||||||||
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SP 3 |
@ - |
Cd Cc + Cd CL +Cc CL |
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||||||||||||
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|||||||||||||
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RC Cd CL Cc |
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|||
æ LHP |
ö |
|
|
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gmg1 |
+ gmg 2 |
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ç |
÷Zero : SZ = - |
|
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|||||||
C |
[R |
(g |
|
+ g |
|
)-1] |
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||||||||||||
ç RHP÷ |
|
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|
mg1 |
mg 2 |
|
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|||||||||||||
è |
ø |
|
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|
c |
|
c |
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6 - 15 |
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CHUNG-YU WU |
1. If |
|
R |
= |
|
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|
1 |
|
|
|
|
|
or R = |
1 |
|
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|
g |
|
|
: second-stage transconductance |
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|
m 2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
C |
|
gmg1 + gmg 2 |
|
C |
|
|
|
gm2 |
|
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|||||||||||||||||||||||
SZ |
|
® ±¥ |
|
|
|
|
|
No effect on the frequency response of the OP. |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
S |
|
|
dominant pole Þ A (s ) @ |
|
|
Adm |
|
|
= |
Ado SP1 |
|
|
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
s + SP 1 |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
P 1 |
|
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|
|
d |
|
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|
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|
|
|
|
+1 |
|
|
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|||||||||||||||||||
|
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|||||||
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||||
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||||
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SP1 |
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|
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|
|
|
|||||||
For ω >> S |
P1 |
A ( jω ) = |
|
Adm SP 1 |
, |
|
A ( jω ) |
|
= |
|
AdmSP1 |
|
|
|
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|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
|
d |
|
|
|
|
jω |
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
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|
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|
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|
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|
|
gmi |
|
|
|
|
||||||||||
At ω , |
|
A ( jω |
u |
) |
|
= 1 Þ ω |
u |
= A S |
P1 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
dm |
|
|
|
|
|
Cc |
|
|
|
|
|
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|
||||||||||||
Large |
CL |
|
Þ SP 2 |
» - |
gmg 1 + gmg 2 |
|
|
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CL |
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|
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|
|
|
|
|
|
|
||
For phase margin |
|
|
45 |
0 |
~ 60 |
0 |
Þ |
|
|
S |
P 2 |
|
@ |
2 ~ 4, |
|
C |
|
|
gmg 1 |
+ gmg 2 |
= 2 ~ 4 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
ωu |
|
CL |
gmi |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
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|
||||||||||||||
If |
|
|
|
|
gmi |
|
|
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|
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|
|
@ 2 ~ 4 , |
CL @ Cc stable |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
gmg 1 + gmg 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
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|||||||||||||||
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Gain |
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1) NMOS Realization : |
|
dB |
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|
-6 dB/octave |
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|
|
|
fu |
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||||||||||||||||||||||||||||||
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0 dB |
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VDD |
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|
|
f p1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f p 2 |
|
log(f) |
||||||||||||||
|
|
|
CC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MC |
|
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-12 dB/octave |
||||
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|||||||
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|
|
|
-VSS |
|
|
V1 |
V2 |
phase |
log(f) |
|
|
0 o |
|
|
|
- 45 o |
|
|
|
- 90 o |
|
|
|
- 135 o |
- 180 o |

I DS |
= |
μnCox |
W [ |
-V2 -VTH )VDS -VDS |
2 ] |
, |
|||||||
|
2 |
|
2( VDD |
|
|||||||||
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
æ |
¶I DS |
ö |
−1 |
= |
|
|
|
1 |
|
|
|
RC |
= ç |
÷ |
|
μn Cox |
W |
|
|
|
|||||
|
ç |
¶V |
÷ |
|
|
[2( V |
-V |
-V )] |
|||||
|
|
è |
DS |
ø V |
DS =0 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
L |
DD |
2 |
|
TH |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
V2 |
- VTH - body effect |
|
|
|
|
|
|
||||||
RC |
|
|
|
|
|
( RC |
)o = |
|
1 |
|
|
|
RCmax |
|
|
|
|
|
|
+ gmg 2 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
gmg 1 |
|
|
|||||
|
RCmin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nonlinear Rc |
||
V2min |
|
|
|
|
|
0V |
|
|
|
|
|
V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V2max |
|||
(negative) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 - 16
CHUNG-YU WU
Design R |
c |
: |
(1) Design R , s.t. |
( R ) |
|
= |
1 |
( |
1 |
) |
=0V |
|
|
||||||||
|
|
c |
c V2 |
|
gm 2 |
|
gmg1 + gmg 2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) At Rc= Rcmax or Rcmin ,
Sz must be large enough ! Otherwise, frequency performance will be degradated.
1) CMOS Realizations :
a. |
C |
|
|
VDD |
|
|
|
|
|
|
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b. |
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c. |
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||||||||||||||||||||||||
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|||||||||||||||||||||||||||||
|
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C |
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|
|
CC |
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C |
|
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Mcn |
||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||
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C |
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|||||||||||
|
|
|
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|
|
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|
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|
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|
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|
Mcp |
|
|
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|
|
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|
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|
|
|
|||
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
2 |
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
2 |
|
V |
|
|
|
|
|
|
V |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
-VSS |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
-V |
2 |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SS |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Consider the case in c.: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
= |
μnCox |
|
|
Wn |
[ 2(V − V −V )V −V |
2 |
] |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
DSn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 Ln |
|
|
|
|
DD |
2 |
|
|
|
THn |
|
DS DS |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
Rcn = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
μn C ox |
|
W n |
[ 2( V DD − V2 |
− VTHn |
)] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

|
|
|
|
|
= μp Cox Wp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 - 17 |
||||
|
I |
DSp |
[ 2( V +V |
SS |
-V |
|
|
)V |
|
-V |
2 |
] |
CHUNG-YU WU |
|||||||||||||
|
|
|
|
2 |
Lp |
|
|
2 |
|
|
THp |
|
DS |
|
DS |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Rcp |
= |
μ pCox |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Wp [ 2( V +V -V )] |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Lp |
|
2 |
|
SS |
|
THp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Rc −1 = ( Rcn // Rcp )−1 = Rcn −1 + Rcp −1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
= |
μn Cox |
Wn |
[ 2(VDD |
− V2 − VTHn )] + |
μp Cox |
Wp |
|
[ 2(V2 |
+ VSS − VTHp )] |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
Ln |
|
2 |
|
Lp |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
If |
μ |
C |
W |
μ pCox Wp |
= β |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
n |
|
|
ox |
|
n = |
2 |
Lp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2 |
|
|
|
Ln |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
R |
− 1 |
= β [ 2V |
- 2V |
|
+ 2V |
-2V |
|
] nearly indep. Of V2 |
||||||||||||||||
|
|
|
c |
|
|
|
|
DD |
|
THn |
|
|
SS |
|
|
|
THp |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
R |
−1 |
|
= g |
mg1 |
+ g |
mg 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
c |
|
V2=0V |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
R |
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
R |
cp |
-1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
V2min |
|
|
|
0V |
|
|
|
|
|
|
|
V2max |
V2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. If Rc |
= |
1 +( Cd +CL ) / CC |
|
gmg1 + gmg 2 |
|||
|
|
Sz = Sp2 and pole-zero cancellation occurs.
Þ Sp3 >> Sp1 Þ AdmSp1 < Sp3 Þ stable
However, if the cancellation is not complete
Þ pole-zero doublet occurs ! Þ slow slew rate.

6 - 18
CHUNG-YU WU
§6-2.2 Feedforward compensation
Av3 is the gain of the source follower
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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A V3 |
|
|
+ Vout |
||
|
|
Vin |
|
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
å |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
-A V2 |
|
|
|
|
|
|
|
A |
( 0 )( 1 + |
s |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
v 3 |
|
|
|
|
|
z3 |
|
|
|
|
|
|
|
1 LHP zero |
||||||||
Av 3 |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
( 1 + |
s |
|
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 LHP pole |
|||||||||||
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
( 0 )( 1− |
s |
|
)( 1+ |
|
|
s |
) |
2 LHP poles |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Av 2 |
= |
v 2 |
|
|
|
|
|
z1 |
|
|
|
|
|
z2 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 RHP zero (CC) |
|||||||||||||
|
( 1 + |
s |
|
)(1 + |
s |
|
) |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 LHP zero |
|||||||||||||||
|
|
|
P |
|
P |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z3 & z2 are generated from the Cgs of the source follower.
|
Vout |
= A |
( s ) = A |
( s ) + A |
|
( s ) |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
VTOT |
V 2 |
|
V 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Vin |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1+ |
s |
)(1 + |
s |
)(1 + |
s |
) |
|||
|
|
|
|
z1' |
z2' |
z3' |
|||||||
|
|
= [AV 2 ( 0 ) + AV 3 ( 0 )] |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
s |
|
s |
|
s |
|
|
|||
|
|
|
|
( 1+ |
|
)(1 + |
)(1 + |
|
) |
||||
|
|
|
|
p1 |
p2 |
p3 |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p1' : dominant pole
z1' , z2 ' , z3 ' : LHP Zeros
Design consideration : Any zeros below the unity-gain frequency must be placed as close as possible to their matching poles. This prevents the formation of any doublet !
z1' = p2 by adding CB1 and CB2(3.8pF) to control Cgs 9 + Cgs11

6 - 19
CHUNG-YU WU
Ref:IEEE JSSC , col SC-14, no.6 pp.1070-1077 , DEC.1979 Feedfoward +Miller(direct)
Ref:IEEE JSSC , col SC-15, no.6 pp.921-928 , DEC.1980
Feedfoward +Unity gain buffer + Miller
§6-3 Settling Behavior |
|
|
|
|
|
Vo |
|
|
± 0.1%V or ± 0.01%V |
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
V − Io |
g m1 |
|
|
|
|
0 |
T S |
TP |
t |
|
TSET |
|||
|
Slewing |
|
|
Settling |
|
Period |
|
|
Period |
Slewing Period (Ts): Vo from 0V to V-Io/gm1 under voltage follower connection and worse case loading.(nonlinear operation)
Settling Period (TSET-Ts):
Vo from (V-Io/gm1) to ± 0.1% V or ± 0.01% V (quasi-linear operation) Settling Time (TSET): Ts +( TSET-Ts) = slewing period + settling period.
§6-3.1 Single-pole case
|
|
CC |
|
+ Input |
Gain |
|
|
- |
Stage |
Stage |
Vo |
|
Io |
|
|
|
|
|
~ differential-input to single-ended output converter

Slew rate: |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 - 20 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CHUNG-YU WU |
||
SR ≡ |
dVo |
= |
I o |
|
|
|
|
|
|||||
dt |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|max Cc |
|
|
|
|
|
||||||
ωu = |
gmi |
← single-pole case |
|||||||||||
|
|||||||||||||
|
|
Cc |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SR = |
I oωu |
|
= ω |
|
|
|
Io |
|
|||||
gmi |
|
|
|
|
uCox |
W |
|||||||
|
|
|
u |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
( |
|
)i |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
L |
§6-3.1 Two-pole case
Ref IEEE JSSC vol.SC-17, no.1 pp.74-80, Feb. 1982
Ts = − |
1 |
ln[1 − |
gm 1 |
( V − |
I o |
) |
Fig.2 |
|||
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|||||||
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ω1 |
|
I o ao |
gm1 |
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|||||
approximation e− ω 1TS 1 − ω T |
=> eq.(19) conventional expression |
|||||||||
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1 S |
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After Ts Vo= V-Io/gm1 |
Input voltage = V-( V-Io/gm1) = Io/gm1 |
|||||||||
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=> enter the linear (or quasi-linear) region |
||
Feedback Function for unity-gain voltage-follower connection |
||||||||||
=> A( s ) = |
|
a( s ) |
|
eq.(20)-(23) |
||||||
|
+ a( s ) |
|||||||||
1 |
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two poles S = −ξω n ± |
ξ |
2 |
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eq.(24) |
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ξ = |
ω1 + ω2 |
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|||||||
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|||||||||||
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− 1ωn |
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2ωn |
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||||||||||
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||
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(double negative real poles) |
damping ratio |
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ξ |
= 1 critically damped |
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|||||
ξ |
< 1 underdamped |
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ξ > 1 overdamped |
|||||||||
|
(complex conjugate poles) |
|
|
(real and negative pole) |
||||||||||||
ξ = |
ω + ω |
2 |
|
ω 2 |
= |
ω |
2 |
= |
gm 2 / c2 |
(CC, C2 >> C1) |
||||||
1 |
|
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|||||||||||
2ω n |
|
2 aoω1 |
2 ωu |
2 gm 1 / cc |
||||||||||||
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6 - 21
CHUNG-YU WU
ξ |
1 |
=> CC |
4( gm1 )C2 |
(CC, C2 >> C1) |
|
||
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gm 2 |
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|
=> |
ω2 |
4ωu ω2 = 2 ~ 4 |
ω 2 < 4ω u |
underdamped |
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ω 2 > 4ω u |
overdamped |
||||
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ωu |
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(1) Underdamped: TS eq. (14) or (19) |
max.overshoot: eq.(36) |
||||||
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TP eq. (35), (33) |
settling time: eq.(40),(39) |
|||
(2) Critically Damped |
Vo(t): eq.(41) |
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|||
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TSET : eq.(43) |
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V |
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0.001 |
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TS |
TSET |
t |
|
(3) Overdamped TSET : eq.(47)
Simulation & Calculation : Fig.7, Fig.8
V |
t
Further references:
(1)IEEE JSSC, vol. SC-18, pp.389-394, Aug. 1983
(2)IEEE JSSC, vol. SC-21, pp.478-483, June. 1986

6 - 22
§6-4 Slew rate of CMOS OP AMPs
§6-4.1 Two-stage OP AMPs
CHUNG-YU WU
Two poles: |
S p1 , S p 2 , |
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S p 1 |
<< |
S p 2 |
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If |
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S p1 |
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<<ωu << |
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Sp 2 |
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,Vout ( s ) = gmiVin ( s ) / sCc |
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Vout |
( jw ) |
= |
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gm |
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Vin ( jw ) |
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jwCc |
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At |
ω =ωu , |
|
Vout |
=1 |
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CC |
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||||||||||||||
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- |
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Vout |
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Vin |
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g |
V |
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+ |
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|
C |
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|||||||||||
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|||||||||||||||||||||||||
Þ ω |
u |
|
= |
gmi |
|
or C |
C |
|
= g |
|
mi |
/ ω |
|
|
m1 |
|
in |
|
|
|
|
|
|
L |
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|||||||||||||||||||||||||||||
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|||||||||||||||||||
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CC |
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|
u |
|
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||
The slew rate SR = |
dVout |
|
max |
= I |
o |
/ C |
= |
ICωu |
= ω |
u |
|
|
Io |
|
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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||||||||||||||||||||||||||||||||||
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|
dt |
|
|
|
C |
|
|
|
gmi |
2uCox(W / L )i |
|
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||||||||||||||||||||||||||||
|
|
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ωu -, Io -,( W / L )i ¯ Þ SR − |
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* Io / CL |
³ I o / CC or CL |
dVout |
£ CC |
dVout |
( = I o ) |
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||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
dt |
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|
dt |
|
|
|
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Slew rate enhancement and degradation
Vin
V1
t
Vo
V1 |
degradation |
|
- |
Vo |
|
+ |
||
|
Vin
t
enhancement

6 - 23
(1) Positive step
CHUNG-YU WU
|
+ VDD |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M3 |
|
|
off |
|
|
|
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|
Io + iw |
||
off |
|
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|||||
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M4 |
|
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|
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|
|
|
||
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|
|
|
Io + iw |
|
|
|
|
|
|
|||
|
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|
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|
CC |
||||
|
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|
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|
- |
|
|
vout |
|
|
|
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|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
- |
off |
|
on |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
CL |
|
|
vw |
|
|
M2 |
|
|
+ |
|
V1 |
|
|
|
|
|
M1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Cw |
|
|
Io |
~ vin |
|
|
|
|
|
|
||
|
iw |
|
|
|
|
- |
0 |
|
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- VSS |
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dvω |
( t ) |
Cω |
dvin ( t ) |
|
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||
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iω ( t ) = Cω |
dt |
dt |
|
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||
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|
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|
|
|
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|||
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1 |
t |
|
|
I |
o |
|
C |
t |
dv |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
ò |
|
in |
|
||
|
vout( t ) = C ò( I o + iω )dt = C |
t |
+ C |
|
dt |
|
dt |
||||||
|
C |
0 |
|
|
|
C |
|
C |
0 |
|
|
|
|
= I o t + Cω V1u( t ) CC CC
(2) Negative step
|
+ VDD |
|
|
|
|
|
M |
M4 |
|
|
|
|
3 |
on |
|
|
Io + iw |
|
on |
|
|
||
|
|
Io |
- iw |
|
CC |
|
|
|
|
|
|
|
Io- iw |
|
|
- |
vout |
|
|
|
|
+ |
|
- |
on |
off |
+ |
|
|
|
vw |
M2 |
+ |
V1 |
|
|
M1 |
|
|||
|
Cw |
Io |
~ vin |
|
|
|
iw |
- |
|
|
|
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|
||
|
|
- VSS |
|
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