Design of low-voltage CMOS class-AB operational amplifiers

Orientadores: Jacobus Willibrordus Swart, Jader Alves de Lima FilhoDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho descreve o procedimento de projeto de amplificadores operacionais rail-to-rail em tecnologia CMOS. Para isto, foram objetos desse processo quatro configurações distintas. As quatro topologias utilizam estágio de entrada rail-to-rail com controle de gm e estágio de saída classe-AB com controle de corrente quiescente. Como especificação para as três primeiras configurações estão tensão de alimentação de ± 0.9V, ganho de manha aberta em baixas freqüências de 60dB e freqüência de ganho unitário de 4MHz para uma carga externa de 10k? em paralelo com 10pF. A quarta configuração é uma nova topologia adaptada para que os transistores operem na região de inversão fraca, com o objetivo de reduzir o consumo de potência. Como especificação para esta configuração temos tensão de alimentação de ± 0.75V e minimização do consumo de potência. Os resultados obtidos a partir dos protótipos fabricados em tecnologia CMOS 0.35µm foram próximos às especificações. Uma placa de circuito impresso foi implementada para caracterização dos amplificadores e, além disso, foi utilizado nessa placa um amplificador comercial para realizar comparaçõesAbstract: This dissertation describes the process of designing rail-to-rail operational amplifiers in CMOS technology. To accomplish this, the author focused on four distinct structures. The four topologies have rail-to-rail input stage with gm-control circuit and Class-AB output stage with quiescent-current control. The specification of three configurations included the nominal power supply of ± 0.9V, minimum open-loop low-frequency gain of 60dB and unity-gain frequency of 4MHz driving an external load of 10k? in parallel with 10pF. The fourth one is a new topology adapted to operate with transistors in weak inversion, in order to decrease the power consumption. The specification included nominal power supply of ± 0.75V and minimization of power consumption. Prototypes of the amplifiers were fabricated in 0.35µm CMOS technology and the results were in good agreements with the specifications. A printed circuit board was implemented to test the amplifiers and, additionally, was inserted a commercial amplifier, to make comparisonsMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestre em Engenharia Elétric