A statistical design approach for a digitally programmable mismatch-tolerant high-speed nauta structure differential OTA in 65-nm CMOS

The Nauta structure differential operational transconductance amplifier (OTA) is introduced as a solution to an amplifier design in deep submicrometer CMOS. This simple high-speed inverter-based architecture uses a negative conductance dc gain enhancement technique to produce high dc gains and large unity gain frequencies. The design tradeoff is that the achievable dc gain is proportional to transistor device matching. Our analysis shows that fixed width Nauta structure OTAs have low dc gains due to variations, and thus viable Nauta OTAs need to have tuning mechanisms available to correct for mismatch. This paper presents a digitally programmable Nauta structure OTA architecture built using digital-to-transconductance converters (DTCs). These DTCs are designed to allow for flexibility in producing digital tuning solutions to the device mismatch problem using Nauta OTAs. We present a theoretical analysis of the digital Nauta OTA solution space for high dc gains and a statistical framework to estimate the likelihood of achieving certain gain specifications. Experimental results from a 65-nm CMOS prototype shows that the architecture achieves an average dc gain of greater than 60 dB in line with the minimum expected gain of 59 dB, and on-chip unity gain bandwidth is inferred above 5.8 GHz

Uma Topologia CMOS Nauta OTA sem Calibração em Ultra-Baixa Tensão e Ultra-Baixa Potência

Este trabalho apresenta a topologia do amplificador operacional de transcondutância Nauta OTA, construído com inversores CMOS intrinsecamente casados, dispensando qualquer tipo de circuito de calibração. Adicionalmente, essa topologia é implementada em um processo CMOS utilizando transistores de canal não uniformemente dopado do tipo halo-implantado, sendo projetada para se adequar a aplicações G-C de baixa frequência, tais como aplicações biomédicas. O projeto do inversor CMOS intrinsecamente casado é baseado na utilização do transistor MOS matricial halo-implantado operando em inversão fraca. Neste trabalho é demonstrado que essa técnica é capaz de estabilizar a tensão de switching point de um inversor CMOS, reduzindo sua variação estatística e permitindo o aumento do ganho, o que é desejado para projetos de circuitos G-C. Portanto, baseando-se na topologia original proposta por Bram Nauta (e trabalhos derivados), focados na sintonia de filtros VHF, este trabalho adapta o Nauta OTA para aplicações com G constante. O circuito proposto apresenta uma transcondutância de 2,46-S quando alimentado com 0,25-V, dissipando 55-nW durante sua operação, o que o torna adequado para aplicações de baixa potência