Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

material1 / different / Allen&Holberg - Analog CMOS Circuit Design

.pdf
Скачиваний:
58
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
2.21 Mб
Скачать

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Small-Signal Analysis

va

vb

gm3v1

1

gm8vb

 

gm5

 

va = -v1

gm3

-

vb

gm8

gm5

gm5

 

 

 

 

vb = -v2

gm4

-

va

gm7

gm6

gm6

 

 

 

 

v1gm3

 

-1

 

gm5

 

 

 

 

gm4 =

 

gm7

v2gm6

 

-gm4

gm7va

1

gm4v2

 

gm6

 

-gm8 va

gm5

-1 vb

va =

gm3 gm8 v1gm5 -gm5

gm4 v2gm6 -1

gm8

-1 -gm5

gm7

-gm4 -1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-v1

g

 

g

 

g

 

 

 

m 3

+ v2

m4

 

m 8

 

=

gm5

gm5gm6

 

 

gm7 gm 8

 

 

 

 

1 -

 

 

 

 

 

gm5gm6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

 

 

 

gm3

 

 

-1

v1gm5

 

 

gm7

gm4

vb =

 

-gm6

v2gm6

 

 

gm8

 

 

 

 

-1

-gm5

 

 

gm7

 

 

 

-gm4

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-v2

g

 

g

 

g

 

 

 

m 4

+ v1

m3

 

m 7

 

=

gm6

gm5gm6

 

 

gm7 gm 8

 

 

 

 

1 -

 

 

 

 

 

gm5gm6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gm3

gm4gm 8

 

gm4

gm3gm 7

-v1

+ v2

-

-v2

+ v1

 

 

gm5

gm5gm6

 

gm6

gm5gm6

va - vb =

 

 

 

 

 

 

gm7 gm 8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 - gm5gm4

 

 

 

gm3 = gm4 = gmI ;

gm5 = gm6 = gmII ;

gm7 = gm8 = gmIII

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gmI

+ v2

gmIgmIII

 

gmI

gmIgmIII

 

 

-v1

gmII

 

 

- -v2

+ v1

gmII2

 

va - vb =

 

 

 

gmII2

 

gmII

 

 

 

 

 

 

 

 

gmIII2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 -

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gmII2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Define:

 

gmIII

= k

 

 

 

 

 

 

 

 

gmII

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( v 2

 

- v1 )

gmI

1 + k)

gmI

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gmII

 

 

gmII

 

va - vb =

 

 

 

1 - k2

 

= ( v 2 - v1 ) 1 - k

 

va - vb

=

gmI

 

1

 

( v 2

- v1 )

 

 

 

 

gmII

 

-

 

 

 

 

 

 

 

1

k

 

 

 

 

 

 

Consider dc currents under balanced condititions: I4 = I6 + I7

I3 = I5 + I8

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

I8

 

S8

 

 

S7

 

 

= I6 ; I7

= I5

 

 

 

 

 

S6

 

 

S5

 

 

I8

=

S8

in W.I. gm is proportional to I

I6

S6

 

 

 

 

 

 

 

 

I8

 

S8

I7

 

S7

 

 

 

I

6

= S

= k; I

5

=

S

= k

 

 

 

 

6

 

 

5

 

 

 

Since under balanced conditions

 

 

 

 

 

I3 = I4 ; I4 = I5

 

 

 

 

 

 

I4 = I6 (1 + k)

 

 

 

 

 

 

 

I3 = I5 (1 + k)

 

 

 

 

Again, since gm I

in

weak inversion, then

 

 

 

gm4 I6(1 + k)

or gm4 =

I6

(1 + k)

 

 

 

kT

 

 

 

 

 

 

 

 

nN q

 

and

gm3 I5(1 + k)

since

gm3 = gm4 = gmI

I6

 

gmI =

k T

(1 + k)

 

nN

q

 

Also

I6

gm4 = gmII =

k T

nN

q

then

gmI

nP

gmII

=

(1 + k)

 

nN

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

finally:

nP 1 + k

va - vb = nN 1 - k ( v 2 - v1 )

1 + k

1 - k ( v 2 - v1 )

Therefore,

1+k

vo = gm9 ro 1-k vid

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

OTA CURRENT OVERDRIVE

Need large sinking and source currents without having to have large quiescent currents.

One possible solution uses "tail current boosting" -

Assume that S3 = S4 = S11 = S13, S18 = AS17, S15 = S16 = S17 = ..

M11

 

 

M3

 

M4

M13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1 I2

I2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

+

 

 

I1

 

M1

 

M2

 

 

 

 

 

 

 

 

I2

 

 

 

I2+I1+A I2-I1

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

I2-I1

A I2-I1

I10 I19 ≈0

 

 

 

 

 

M15

M16 M17

M18

M9

M10

M19

 

 

W18

= AW17

 

 

 

 

 

L

L

 

 

 

 

 

18

17

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Principle in Achieving Current Overdrive

Differential amplifier transconductance characteristics - iD

I10 (overdrive)

 

 

 

I10 (normal)

 

 

I10 (overdrive)

 

 

 

2

 

 

 

 

I10 (normal)

 

 

 

2

 

 

0

vIN

 

I10 (overdrive)

I10 (overdrive)

-

 

B

 

B

 

 

 

-

I10 (normal)

I10 (normal)

 

B

B

 

 

Positive feedback -

iOUT (max/min) ≈

I10

=

I10

=

I10

1 - Loop gain

gm 1 8 gm 1 3

gm 1 3

 

 

1 -

gm17 gm14

 

1 - gm9 A

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

A Dynamically Biased Micropower Op Amp

VDD

M8

M12

M4

M13

M14

 

M5A

M3

 

 

 

 

M11

 

 

 

 

 

 

I1

I2

 

 

 

 

 

-

M2

+

 

VBP

 

 

M1

 

 

M5B

 

 

 

 

 

 

vOUT

 

 

 

 

 

 

 

VBN

M6B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I10

 

 

 

 

M7

M15

M16 M17

M18 M9

M10 M19

M20

M21

M22

M6A

VSS

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

Parametric Overdrive Curves for Dynamically Biased Op Amp

2

A = 2

 

 

A = 1.5

IOUT

1

A = 1

I10

 

A = 0.3

 

 

A = 0

0

0

1

2

vIN/nVt

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

IX.7 - DYNAMICALLY BIASED AMPLIFIERS

Dynamic circuits take advantage of the fact that many applications are synchronously clocked resulting in periods of time where the circuits is not functioning.

Will examine:

-Dynamic or switched resistors

-Dynamically biased amplifiers

-Dynamically biased, push-pull, cascode op amp Two Phase Clock

φ1

φ1 switches on

 

φ1

switches

 

 

 

 

 

 

 

 

t/T

 

 

 

off

0

 

1

 

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2 switches

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

on

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2 switches

0

 

1

 

2

3

4

5

t/T

 

 

 

off

 

 

 

 

 

 

 

 

A Switched Resistance Realization

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pretune

 

φ2

 

G

VSS

 

RFET

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

circuit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2

 

CG

 

 

 

φ1

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Switched resistor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Allen and Holberg - CMOS Analog Circuit Design

A Continuous Time Resistor Realization with Increased Signal Swing

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

+ D

V

-

 

 

D1 M1

 

 

C

+

 

 

G1

VSS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D2

M2

 

S1

vDS

RFET

 

G2

 

+

 

 

 

 

VSS

 

 

 

 

 

VC

 

 

 

S2

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

S

Implementation of the Continuous Time Switched Resistor Realization using Dynamic Techniques

 

φ2

 

 

φ1

 

φ2

CG

 

 

 

 

VSS

 

 

 

 

 

Pretune

 

 

M2

 

 

 

 

RFET

circuit

 

 

 

φ2

 

 

 

 

 

 

VSS

 

 

 

 

 

φ2

CG

M1

φ1

 

 

 

 

Switched resistor

 

Соседние файлы в папке different