High bandwidth low power operational amplifier design and compensation techniques

The need for high bandwidth operational amplifiers (op amp) exists for numerous applications. This need requires research in the area of Op Amp bandwidth extension. The exploited method in this thesis uses a class of compensation called Indirect Feedback Frequency Compensation in which the compensation current is fed back indirectly from the output to an internal high impedance node, to extend the bandwidth of an Op Amp. Among various compensation methods for operational amplifiers, indirect compensation offers potentially large benefits in regards to power to speed trade-off. The indirect compensated Op Amps can exhibit significant improvements in speed over traditional Miller compensated Op Amps and result in much smaller layout size and lower power consumption. However the technique has not been widely used in practice due to a lack of clear design procedure. This thesis develops an analytical description of how indirect compensation works and derives key trade off equations among various specifications. These results provide the insight needed for practically designing operational amplifiers with this technique. Based on the results, a step-by-step design procedure is proposed for an operational amplifier using indirect compensation. To demonstrate the proposed design procedure, a two stage Op Amp is designed. The Op Amp achieved a 2 MHz gain-bandwidth product (GBW) driving a large capacitive load (100 pF). The GBW of the Op Amp was improved by a factor of 10 times compared to the miller compensation scheme. The amplifier documented in this thesis achieved a higher simulated figures-of-merit (FoMs) compared to the state-of-art and can be directly used in integrated systems to achieve higher performance

Design and implementation of low power multistage amplifiers and high frequency distributed amplifiers

The advancement in integrated circuit (IC) technology has resulted in scaling down of device sizes and supply voltages without proportionally scaling down the threshold voltage of the MOS transistor. This, coupled with the increasing demand for low power, portable, battery-operated electronic devices, like mobile phones, and laptops provides the impetus for further research towards achieving higher integration on chip and low power consumption. High gain, wide bandwidth amplifiers driving large capacitive loads serve as error amplifiers in low-voltage low drop out regulators in portable devices. This demands low power, low area, and frequency-compensated multistage amplifiers capable of driving large capacitive loads. The first part of the research proposes two power and area efficient frequency compensation schemes: Single Miller Capacitor Compensation (SMC) and Single Miller Capacitor Feedforward Compensation (SMFFC), for multistage amplifiers driving large capacitive loads. The designs have been implemented in a 0.5??m CMOS process. Experimental results show that the SMC and SMFFC amplifiers achieve gain-bandwidth products of 4.6MHz and 9MHz, respectively, when driving a load of 25Kδ/120pF. Each amplifier operates from a ??1V supply, dissipates less than 0.42mW of power and occupies less than 0.02mm2 of silicon area. The inception of the latest IEEE standard like IEEE 802.16 wireless metropolitan area network (WMAN) for 10 -66 GHz range demands wide band amplifiers operating at high frequencies to serve as front-end circuits (e.g. low noise amplifier) in such receiver architectures. Devices used in cascade (multistage amplifiers) can be used to increase the gain but it is achieved at an expense of bandwidth. Distributing the capacitance associated with the input and the output of the device over a ladder structure (which is periodic), rather than considering it to be lumped can achieve an extension of bandwidth without sacrificing gain. This concept which is also known as distributed amplification has been explored in the second part of the research. This work proposes certain guidelines for the design of distributed low noise amplifiers operating at very high frequencies. Noise analysis of the distributed amplifier with real transmission lines is introduced. The analysis for gain and noise figure is verified with simulation results from a 5-stage distributed amplifier implemented in a 0.18??m CMOS process

A Four-stage Power and Area Efficient OTA with 30 × (400pf – 12nf) Capacitive Load Drive Range

Multistage operational transconductance amplifier (OTA) has been a major research focus as a solution to high DC Gain high Gain Bandwidth and wide voltage swing requirement on sub-micron devices. These system requirements, in addition to ultra-large capacitive load drivability (nF-range load capacitor), are useful in applications including LCD drivers, low dropout (LDO) linear regulators, headphone drivers, etc. The major drawback of multistage OTAs is the stability concerns since each added stage introduces low frequency poles. Numerous compensation schemes for three stage OTAs have been proposed in the past decade with only a few four stage OTA in literature. The proposed design is a four stage OTA which uses an active zero block (AZB) to provide left half plane (LHP) zero to help with phase degradation. AZB is embedded in the second stage ensuring reuse of existing block hence providing area and power savings. This design also uses single miller capacitor in the outer loop which ensures improved speed performance with minimal area overhead. A very reliable slew helper is implemented in this design to help with the large signal performance. The slew helper is only operational in the events slewing and does not affect the small signal performance. The proposed design achieves a DC gain of 114 dB, GBW > 1.77MHz and PM > 46.9⁰ for capacitive load ranging from 400pF–12nF (30x) which is the highest recorded range in literature for these type of compensation. It does this by consuming a total power of 143.5µW and an area of 0.007mm^2

Design and characterization of low voltage operational amplifiers for smart sensors using low cost CMOS technology

This bachelor thesis brackets the use of different OTA topologies and compares them under the scope of their application as low power comparators and adders for a ΣΔ ADC. This was undertaken under the “Design and characterization of main building blocks for Medical instrumentation ADCs” research project and, more specifically, in the “Design of a Low-IF Sigma-Delta Modulator” section. The researched topologies include a folded cascode, telescopic cascode, class A Miller as well as a class AB Miller. The implementation was performed at transistor level of the for all topologies in a 0.18 μm with original 1.8 V, downscaled to 1.5 V with the goal of reducing power consumption.Ingeniería Biomédic

A 0.1–5.0 GHz flexible SDR receiver with digitally assisted calibration in 65 nm CMOS

© 2017 Elsevier Ltd. All rights reserved.A 0.1–5.0 GHz flexible software-defined radio (SDR) receiver with digitally assisted calibration is presented, employing a zero-IF/low-IF reconfigurable architecture for both wideband and narrowband applications. The receiver composes of a main-path based on a current-mode mixer for low noise, a high linearity sub-path based on a voltage-mode passive mixer for out-of-band rejection, and a harmonic rejection (HR) path with vector gain calibration. A dual feedback LNA with “8” shape nested inductor structure, a cascode inverter-based TCA with miller feedback compensation, and a class-AB full differential Op-Amp with Miller feed-forward compensation and QFG technique are proposed. Digitally assisted calibration methods for HR, IIP2 and image rejection (IR) are presented to maintain high performance over PVT variations. The presented receiver is implemented in 65 nm CMOS with 5.4 mm2 core area, consuming 9.6–47.4 mA current under 1.2 V supply. The receiver main path is measured with +5 dB m/+5dBm IB-IIP3/OB-IIP3 and +61dBm IIP2. The sub-path achieves +10 dB m/+18dBm IB-IIP3/OB-IIP3 and +62dBm IIP2, as well as 10 dB RF filtering rejection at 10 MHz offset. The HR-path reaches +13 dB m/+14dBm IB-IIP3/OB-IIP3 and 62/66 dB 3rd/5th-order harmonic rejection with 30–40 dB improvement by the calibration. The measured sensitivity satisfies the requirements of DVB-H, LTE, 802.11 g, and ZigBee.Peer reviewedFinal Accepted Versio

A Low Power Integrated Circuit for Implantable Biosensor Incorporating an On-Chip FSK Modulator

Medical care has been significantly improved in recent years due to tremendous technological advancement in the field of CMOS technology. Among those improvements, integrated circuit design and sensing techniques have brought to the doctors more flexibility and accuracy of examinations of their patients. For example, a diabetic patient needs to visit a hospital on a regular basis for the examination and proper treatment. However, with the tremendous advancement in electronic technology, a patient can soon monitor his or her own blood glucose level at home or at office with an implantable sensor which can also trigger insulin pump attached to the body. The insulin delivery system can be precisely controlled by the electronics embedded in the implantable device. In this thesis, a low power integrated circuit for the implantable biosensor incorporating an on-chip FSK modulator is presented. This design has been fabricated using AMI 0.5-μm CMOS process available through MOSIS. The simulation and test results are also presented to verify its operation

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

A Methodology to Derive a Symbolic Transfer Function for Multistage Amplifiers

In this paper, a simple while effective methodology to calculate the symbolic transfer function of a multistage amplifier with frequency compensation is proposed. Three general amplifier models are introduced and analyzed, which represent basic topologies found in the literature. For these amplifier models, the symbolic transfer function is derived and specific strategies for the zero and non-dominant pole expressions are presented. The methodology is suited for hand calculations and yields accurate results while offering more intuition into the operation of the widely adopted frequency compensation solutions discussed in the literature. The effectiveness of the proposed approach is validated through various typical cases of study