[논문 리뷰] Design Of Two Stage CMOS Operational Amplifier in 180nm Technology

Tong Zi Yuan, Qingyuan Fan|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 27.

Analog and Mixed-Signal Circuit Design참고 문헌 5인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 180nm CMOS 공정에서 설계된 이단형 CMOS 운용放大기로, 1.8V 공급 전원 하에서 204μW의 소비 전력으로 63dB 이득, 140kHz 대역폭, 61.8° 위상 여유 및 29.7V/μs 스르트 레이트를 달성하였다. 이 설계는 머티어르 보상과 2pF 보상 커패시터 및 노울링 저항을 사용하여 안정화시키며, 고이득, 위상 여유 및 스르트 레이트를 최적화하면서 엄격한 저전력 및 저전압 조건을 만족시킨다.

ABSTRACT

In this paper a CMOS two stage operational amplifier has been presented which operates at 1.8 V power supply at 0.18 micron (i.e., 180 nm) technology and whose input is depended on Bias Current. The op-amp provides a gain of 63dB and a bandwidth of 140 kHz for a load of 1 pF. This op-amp has a Common Mode gain of -25 dB, an output slew rate of 32 $V / μs$, and a output voltage swing. The power consumption for the op-amp is $300μW$.

연구 동기 및 목표

• 이동식 아날로그 시스템에 적합한 저전력, 저전압 이단형 CMOS 운용放大기 설계.
• 피드백 구성에서 안정 작동을 위해 충분한 위상 여유(≥60°) 및 이득-대역폭 제품 확보.
• 소비 전력 최소화를 위해 스르트 레이트 및 출력 전압 스윙 최적화.
• 노울링 저항을 포함한 효과적인 머티어르 보상 구현을 통한 안정화 및 위상 여유 제어.
• 1.8V 공급 전원 하에서 CMRR, ICMR 및 출력 스윙을 포함한 엄격한 아날로그 성능 지표 충족.

제안 방법

• 차동 입력 단계(M1, M2)와 공통소스 출력 단계(M6, M7)를 포함한 이단형 아키텍처를 사용하며, 전류 미러(M3–M5, M8)를 활용해 편향 공급.
• 머티어르 보상은 2pF 보상 커패시터(Cc) 및 노울링 저항(Rz = 5kΩ)을 사용하여 위상 여유 제어 및 안정성 확보.
• 소신호 모델을 기반으로 이론적 분석을 통해 주요 파라미터 유도: DC 이득(Adc = gm1R1 × gm2R2), 극점(p1 ≈ 1/(Cc × gm2 × R1 × R2)), 영점(z1 = gm2/Cc).
• 반복 최적화를 통한 설계 절차: Cc를 2pF로 설정하여 위상 여유 및 스르트 레이트 간 균형 확보, GBW = 100MHz 및 Cc 기반으로 gm1 및 gm2 계산.
• MOSFET의 W/L 비율은 (W/L) = gm² / (μCox × 2ID) 공식을 사용해 결정하며, ICMR, 출력 스윙 및 헤드룸 제약 조건 고려.
• Cadence Virtuoso를 활용한 DC, AC 및 일시적 시뮬레이션을 통한 파라미터 최적화로 성능 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 180nm 공정에서 이단형 CMOS 운용放大기 설계 시 고위상 여유(≥60°) 및 충분한 이득-대역폭 제품 확보 방법은 무엇인가?
• RQ2 위상 여유, 스르트 레이트 및 대역폭 간 균형을 고려할 때 최적의 보상 커패시터(Cc) 및 노울링 저항(Rz) 값은 무엇인가?
• RQ3 1.8V 공급 전원 및 저전력 조건에서 ICMR, 출력 스윙 및 이득 요구사항을 충족시키기 위한 MOSFET의 W/L 비율은 어떻게 결정되는가?
• RQ4 이론적 계산 결과와 시뮬레이션 결과 간 이득, 대역폭 및 위상 여유 측면에서 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 저소비 전력(≤300μW)의 운용放大기로는 고스르트 레이트(>10V/μs) 및 충분한 출력 스윙(>800mVpp)을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 설계된 운용放大기는 목표치인 60°를 초과하는 61.8°의 위상 여유를 확보하여 양호한 안정성 확보.
• 오픈 루프 차동 모드 이득은 67.5dB로 목표치인 60dB(1000V/V)를 약간 초과.
• 유니티 게인 대역폭은 131.9MHz로 목표치인 100MHz를 초과하여 뛰어난 주파수 응답 특성 확보.
• 스르트 레이트는 상승 시 29.7V/μs, 하강 시 12.6V/μs를 기록하며, 상승 에지가 10V/μs 요구사항 충족.
• 출력 전압 스윙은 936mVpp로 최소 요구사항인 800mVpp를 초과.
• 소비 전력은 204μW로 300μW 목표치 이하로, 효과적인 저전력 설계를 입증.