DEFESA – DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Título do Trabalho de Mestrado:
Projeto de Amplificadores Operacionais CMOS Classe-AB Ope...
Overview
 Introdução
 Estágios de Entrada
 Estágios de Saída
 Projeto dos Amplificadores
 Simulações
 Resultados Exp...
INTRODUÇÃO
 Equipamentos portáteis
 Custo
 Temperatura de operação
 Segurança
 Meio ambiente
Por que baixa tensão e b...
INTRODUÇÃO
 Eletrônicos de consumo
 Equipamentos eletrônicos na área biomédica
 Eletrônicos de difícil acessibilidade
...
INTRODUÇÃO
Fase de pesquisa, com poucas opções disponíveis comercialmente
Situação atual do mercado de Amplificadores LPLV
ESTÁGIOS DE ENTRADA
Estágio de entrada rail-to-rail
VIN+
M1 M4
IOUT4
IOUT1
VIN-
IOUT3
M3 M2
IOUT2
ESTÁGIOS DE ENTRADA
Por que utilizar gm cte?
 Distorção harmônica
 Compensação em freqüência
VIN+
VIN-
IOUT1
M1 M4
IOUT2...
ESTÁGIOS DE ENTRADA
Limitações
Tensão de alimentação > 2VGS + 2VDSAT
Soluções
Variação Dinâmica de Tensão Modo-Comum
Bul...
ESTÁGIOS DE ENTRADA
Variação Dinâmica de Tensão Modo-Comum
IRVV
IRVV
CMPCM
CMNCM
−=
+=
_
_
ESTÁGIOS DE ENTRADA
Bulk-Driven
ESTÁGIOS DE ENTRADA
Dois pares diferencias tipo P
ESTÁGIOS DE SAÍDA
Como deve ser um estágio de saída?
 Boa eficiência de potência
 Polarizado com pequena IQ e prover alt...
ESTÁGIOS DE SAÍDA
Por que controle de corrente quiescente?
 Melhor controle do consumo do circuito
 Melhor controle de m...
ESTÁGIOS DE SAÍDA
Classe-AB rail-to-rail com controle direto (CD)
7531 GSGSGSGS VVVV +=+
8642 GSGSGSGS VVVV +=+
ESTÁGIOS DE SAÍDA
Classe-AB utilizando circuito seletor de mínimos simples (CSMS)
vin1
vin2
IREF
MS10
IQ1
2.IQ1
MS9
CM1
CM...
ESTÁGIOS DE SAÍDA
Classe-AB com controle preciso de corrente quiescente (CCPC)
vin2
MS13
MS10
IQ1
2.IQ1
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CM1
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vin1
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ESTÁGIOS DE SAÍDA
Classe-AB com controle preciso de corrente quiescente (BP)
IREF
MS10
MS8
MS11
2.IQ1
2.IQ1
MS12
MS7
MS5
M...
PROJETO DOS AMPLIFICADORES
4MHzBanda Passante
> 45°Margem de Fase
> 80dBGanho DC
1.8mA(RL=500Ω)Corrente Máxima de Saída
10...
PROJETO DOS AMPLIFICADORES
Amplificador CD
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VIN+
VIN-
VEN
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MS5 MS4
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MS2
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VSN
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MS6B
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PROJETO DOS AMPLIFICADORES
Circuito de Polarização
PROJETO DOS AMPLIFICADORES
Dimensões
Transistor W L W L W L W L
ME1, ME2 12 2 12 2 12 2 12 2
ME3, ME4 36 2 36 2 36 2 36 2
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Simulações
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Simulações
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gmnormalizado[A/V]
vin [ V ]
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P gm
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gm = gm
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+ gm...
Simulações
Resumo dos resultados obtidos em simulações
Caracterização
Como ter um parâmetro de comparação real?
Utilizando um amplificador comercial de características semelhant...
Caracterização
Preparação para o teste
Caracterização - Transiente
CD CSMS CCPC
BP LM931
Caracterização - THD
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
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-30
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THD[dB]
Amplitude [ V ]
CD
CSMS
CCPC
...
Caracterização - AC
Caracterização – Resumo de Resultados
LM931
sim. prat. sim. prat. sim. prat. sim. prat. prat.
Consumo [µA] 182 299 228 193...
Conclusões
 Em opamps LPLV -> classe-AB rail-to-rail com controle de IQ
Estruturas realimentadas -> maior precisão
 Uni...
Agradecimentos
• FAPESP
• CenPRA
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  1. 1. DEFESA – DISSERTAÇÃO DE MESTRADO Título do Trabalho de Mestrado: Projeto de Amplificadores Operacionais CMOS Classe-AB Operando em Baixa Tensão de Alimentação Orientador: prof. Dr. Jacobus Swart Co-orientator: Prof. Dr. Jader de Lima Orientado: Peterson R. Agostinho Banca Examinadora: Prof. Dr. Jacobus Swart. . . . . . . . . . . . . DSIF/FEEC/Unicamp Prof. Dr. Fabiano Fruet. . . . . . . . . . . . . . DSIF/FEEC/Unicamp Prof. Dr. Fúrio Damiani. . . . . . . . . . . . . . DSIF/FEEC/Unicamp Prof. Dr. Everson Martins. . . . . . . . . . . FEE/UNESP
  2. 2. Overview  Introdução  Estágios de Entrada  Estágios de Saída  Projeto dos Amplificadores  Simulações  Resultados Experimentais  Conclusões
  3. 3. INTRODUÇÃO  Equipamentos portáteis  Custo  Temperatura de operação  Segurança  Meio ambiente Por que baixa tensão e baixo consumo de potência?
  4. 4. INTRODUÇÃO  Eletrônicos de consumo  Equipamentos eletrônicos na área biomédica  Eletrônicos de difícil acessibilidade  Processadores Aplicações para circuitos LPLV
  5. 5. INTRODUÇÃO Fase de pesquisa, com poucas opções disponíveis comercialmente Situação atual do mercado de Amplificadores LPLV
  6. 6. ESTÁGIOS DE ENTRADA Estágio de entrada rail-to-rail VIN+ M1 M4 IOUT4 IOUT1 VIN- IOUT3 M3 M2 IOUT2
  7. 7. ESTÁGIOS DE ENTRADA Por que utilizar gm cte?  Distorção harmônica  Compensação em freqüência VIN+ VIN- IOUT1 M1 M4 IOUT2 M7 IOUT4 VN M5 M6 VPM3 M2 IOUT3 M8
  8. 8. ESTÁGIOS DE ENTRADA Limitações Tensão de alimentação > 2VGS + 2VDSAT Soluções Variação Dinâmica de Tensão Modo-Comum Bulk-Driven Dois pares diferencias tipo P
  9. 9. ESTÁGIOS DE ENTRADA Variação Dinâmica de Tensão Modo-Comum IRVV IRVV CMPCM CMNCM −= += _ _
  10. 10. ESTÁGIOS DE ENTRADA Bulk-Driven
  11. 11. ESTÁGIOS DE ENTRADA Dois pares diferencias tipo P
  12. 12. ESTÁGIOS DE SAÍDA Como deve ser um estágio de saída?  Boa eficiência de potência  Polarizado com pequena IQ e prover altas correntes a carga  Apresentar baixa distorção harmônica Soluções inviáveis em LPLV?  Classe A -> baixa eficiência em potência  Classe B -> introduz alta distorção harmônica  Classe AB convencional -> eficiência de potencia mediana Melhor solução? Classe AB rail-to-rail
  13. 13. ESTÁGIOS DE SAÍDA Por que controle de corrente quiescente?  Melhor controle do consumo do circuito  Melhor controle de margem de fase (estabilidade) IAB + IREF I2 MS4 MS3 MS5 MS1I1 MS6 MS2 CONTROLE CLASSE-AB
  14. 14. ESTÁGIOS DE SAÍDA Classe-AB rail-to-rail com controle direto (CD) 7531 GSGSGSGS VVVV +=+ 8642 GSGSGSGS VVVV +=+
  15. 15. ESTÁGIOS DE SAÍDA Classe-AB utilizando circuito seletor de mínimos simples (CSMS) vin1 vin2 IREF MS10 IQ1 2.IQ1 MS9 CM1 CM2 MS4 MS1 MS2 MS8 IQ1 MS7 MS3 MS6 OUT MS5 VDD VSS
  16. 16. ESTÁGIOS DE SAÍDA Classe-AB com controle preciso de corrente quiescente (CCPC) vin2 MS13 MS10 IQ1 2.IQ1 MS9 CM1 MS2 vin1 IREF CM2 MS1 MS8 IQ1 MS12 MS11 MS7 VSS OUT MS4 MS5 VDD MS3 MS6 ∆+=∆+= 22 13 12 REFII I ∆+= 2 7 REFI I REFIII =∆−= 73
  17. 17. ESTÁGIOS DE SAÍDA Classe-AB com controle preciso de corrente quiescente (BP) IREF MS10 MS8 MS11 2.IQ1 2.IQ1 MS12 MS7 MS5 MS6A MS3 CM1 CM2 MS1 OUT MS2 VDD VSS MS9 vin1 vin2 VcasP MS4 MS6B
  18. 18. PROJETO DOS AMPLIFICADORES 4MHzBanda Passante > 45°Margem de Fase > 80dBGanho DC 1.8mA(RL=500Ω)Corrente Máxima de Saída 10kΩ // 10pFCarga de Saída Nominal ± 0.9VTensão de Alimentação ValorParâmetro Especificações para as configurações CD, CSMS e CCPC MinimizarPotência > 45Margem de Fase > 60dBGanho DC 10kΩ // 10pFCarga de Saída Nominal ± 0.75VTensão de Alimentação ValorParâmetro Especificações para a configuração BP
  19. 19. PROJETO DOS AMPLIFICADORES Amplificador CD
  20. 20. VEN ME1 VEP ME3 ME2 MS13 MS10 CM1 MS4 MS2 ME5 ME7 MS11 MS12 CM2 MS1 VIN- ME9 ME13 VcasP ME14 MS7 MS9 MS3 MS6 MS5 ME15 VSS OUT ME10 VIN+ ME6 MS8 VcasN ME11 VSP ME16 VSN ME12 VDD ME4 ME8 PROJETO DOS AMPLIFICADORES Amplificador CSMS
  21. 21. VIN+ VIN- VEN ME9 MS14 ME15 MS9 MS7 MS6 MS5 MS3 CM1 OUT MS2 ME6 VSN VSP VcasP MS4 CM2 VSS MS1 VDD ME10 ME12 VEP MS8 MS10 MS11ME16 MS12 ME14 MS12 ME1 ME3 ME2ME4 ME7 ME5 ME8 VcasN ME13 MS13 ME11 MS11 PROJETO DOS AMPLIFICADORES Amplificador CCPC
  22. 22. VIN+ VIN- VEN MS9 MS12 MS7 MS5 MS4 VSS OUT MS2 VEP ME10 VSN VSP MS8 ME11 VcasN ME12 MS3 CM1 CM2 MS6B MS1 VDD ME9 ME6 ME13 ME14 ME16 VcasP ME15 MS10 ME7 ME8 MS11 ME3 ME4 ME2 ME5 MS13 MS6A ME1 PROJETO DOS AMPLIFICADORES Amplificador BP
  23. 23. PROJETO DOS AMPLIFICADORES Circuito de Polarização
  24. 24. PROJETO DOS AMPLIFICADORES Dimensões Transistor W L W L W L W L ME1, ME2 12 2 12 2 12 2 12 2 ME3, ME4 36 2 36 2 36 2 36 2 ME5, ME6 6 2 6 2 6 2 6 2 ME7, ME8 2 2 2 2 2 2 2 2 ME9 128 2 128 2 128 2 128 2 ME10 64 2 64 2 64 2 64 2 ME11-ME14 68 2 64 2 64 2 64 2 ME15-ME18 204 2 192 2 192 2 192 2 ME19 72 2 ME20 110 2 MS1 316 2 316 2 316 2 316 2 MS2 948 2 948 2 948 2 948 2 MS3 6 2 52,7 2 52,7 2 52,7 2 MS4 18 2 158 2 158 2 158 2 MS5 106 2 158 2 158 2 158 2 MS6 316 2 158 2 158 2 158 2 MS7 6 2 2 5 2 5 2 8 MS8 18 2 2 5 2 5 2 8 MS9-MS10 32 2 32 2 32 2 MS11-MS12 96 2 96 2 96 2 MS13-MS15 158 2 MP2,MP3,MP10,MP12 24 2 24 2 24 2 16 2 MP6 96 2 96 2 96 2 24 2 MP8 96 2 96 2 96 2 40 2 MP5, MP15, MP19 8 2 8 2 8 2 8 2 MP7 3 2 3 2 3 2 MP9 2 3.55 2 3.55 2 3.55 8 2 MP11 60 2 90 2 90 2 2 2 MP18 4 2 3,4 3 3,4 2 Dimensão dos Transistores dos Amplificadores CD CSMS CCPC BP
  25. 25. Simulações 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 0 50 100 Magnitude[dB] Frequencia [Hz] 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 -150 -100 -50 0 Fase[graus] CD CSMS CCPC BP Resposta AC
  26. 26. Simulações -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 gmnormalizado[A/V] vin [ V ] gm P gm N gm = gm N + gm P THD = -75dB (com controle de gm) THD = -63dB (sem controle de gm) Transcondutância do estágio de entrada
  27. 27. Simulações Resumo dos resultados obtidos em simulações
  28. 28. Caracterização Como ter um parâmetro de comparação real? Utilizando um amplificador comercial de características semelhantes LM931 – Texas Instruments
  29. 29. Caracterização Preparação para o teste
  30. 30. Caracterização - Transiente CD CSMS CCPC BP LM931
  31. 31. Caracterização - THD 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 THD[dB] Amplitude [ V ] CD CSMS CCPC LM931 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 THD[dB] Frequencia [Hz] CD CSMS CCPC LM931 Frequencia [Hz]
  32. 32. Caracterização - AC
  33. 33. Caracterização – Resumo de Resultados LM931 sim. prat. sim. prat. sim. prat. sim. prat. prat. Consumo [µA] 182 299 228 193 244 206 18 25.8 71 GANHO DC [dB] 96 108 110 107 108 104 77 75 105* Margem de Fase [ º ] 45 x 66 x 60 x 78 x x GBW [MHz] 3.1 2.44 3.9 3.3 4 3.9 0.33 0.52 1.4* Slew-Rate [V/µs] 9,2 4,37 10,3 8 9,7 8,37 2,3 0,85 5 Settling-Time [us] 0,61 3,96 0,47 1,62 0,31 1,82 0,75 4,2 0,9 THD [dB] @ Vin = 1Vpp, 1kHz -68,8 -39,23 -68,8 -35,4 -68,8 -33,7 -54,4 -33 -46,4 THD [dB] @ Vin = 100mVpp, 1kHz -70,5 -55 -70,5 -57 -70,5 -39,4 -40 -25 -61 BTCD CSMS CCPC CD CSMC CCPC BP Desvio [%] 2,56 2,42 1,78 1,60 Desvio entre amostras
  34. 34. Conclusões  Em opamps LPLV -> classe-AB rail-to-rail com controle de IQ Estruturas realimentadas -> maior precisão  Uniformidade das amostras Opamp LM931 -> no geral, melhor resultados que os desenvolvidos
  35. 35. Agradecimentos • FAPESP • CenPRA

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