Projektiranje operacijskih pojačala opće namjene u CMOS tehnologiji

undergraduate thesis

• Title (english): Design of general purpose operational amplifiers in CMOS technology
• Author: Marin Soče
• Mentor: Marko Koričić (mentor)
• Committee member: Marko Koričić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Tihomir Knežević (član povjerenstva)
• Committee member: Josip Žilak (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Electrical Engineering and Computing; Zagreb
• Defense date and country: 2015-07-13, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Electrical Engineering

Abstract

CMOS je poluvodička tehnologija korištena kod tranzistora te se koristi u velikom dijelu današnje mikroelektronike. Integrirana tehnika je tehnika pri kojoj se milioni tranzistora postavljaju na male silikonske pločice. Operacijska pojačala su dio analogne integrirane tehnike i većini slučaja se koriste u Analagno-Digitalnim pretvornicima. Glavna funkcija pojačala je pojačanje signala. Operacijsko pojačalo koje je dizajnirano i analalizirano u ovom radu je takozvana preklopljena kaskoda prikazana na slici 2.4 Općenita jednađžba koja opisuje ukupno pojačanje je
A_V=g_m R_iz
U provoj verziji pojačala projektirano je diferencijsko pojačalo u sklopu preklopljene kaskode i provedena simulacija sa parametrima prikazanim u tablici 2.4. S obzirom da dobiveno pojačanje nije zadovoljavajuće tehnika produživanja kanala je korištena u drugoj verziji. Produživanjem kanala dobiva se veći izlazni otpor te pojačanje se povisuje sa 49dB(ver 1) na 72dB (ver 2). Međutim time se sužava širina frekvencijsko pojasa.U poglavlju 3 opisano je kako je izvedeno napajanje tranzistora koristeći tehniku strujnih zrcala i pokazano na slici 3.4. U simulaciji su korištene tipične verzije parametara tranzistora, ali u stvarnom fizikalnom svijetu ti parametri mogu varirati ovisno o kakvoći izrade, temperaturi. Zbog toga se vrši korner analiza u ulomaku 4. Četri različita ekstrema korener parametara su korištena da se provjeri radi li preklopljena kaskoda u tim ekstremnim slučajevima.Kao što je prikazano na grafu 4.4 za sve ekstremne parametre amplitudne karaktristike su zadovoljavajuće.
Za dobivanje još većih pojačaja koristi se tehnika 'povećanja pojačanja'. U toj tehnici dva dodatna pojačala izvedna također kao preklopljena kaskoda da postave tranzistore M5,M6,M7,M8 u strujno povratnu vezu (slika5.3). Na ovaj način otpor u izlaznim stezaljkama raste još više te se dobivam pojačanje od 97dB (slika 5.6). S obzirom da pojačalo izvedeno u ovoj tehnici je višepolni sustav njegova stabilnosti nije zajamčena. Ulomak 6 bavi se problematikom stabilnosti. Prva verzija pojačala sa povećanjem pojačanja se pokaziva nestabilnom (slika 6.3) i zbog toga se radi druga verzija. U drugoj verziji potrošnja pomoćnih tranzistora se smanjiva i kapacitet se se postavlja na izlaz kako bi postavio pojačalo u stabilnost. Na slikama 6.7, 6.8, 6.9 napravljene su tranzijentne analize na narinuti step signal za tri različite vrste kapaciteta.

Abstract (english)

CMOS is semiconductor technology used in transistors. It is used in most of today microelectronics. Integrated technique is technique in which milions of transistors are puted on small silicon tiles.Operation amplifiers are part of analog integrated technique and are mostly used for making Analog-digital Convertors.
Main function of operation amplifier is to increase the gain of a signal.
Operation amplifier that is described in this work is called Folded Cascode as shown in figure 2.4. General quation that describe output gain is
A_V=g_m R_out
In first version of amplifier , differential folded cascode is designed and put in simulation with parametars from table 2.1. Since gain in first exampel is not sufficient ,techuniqe of modulating channels lenght is used in secend version. By incerasing the chanell lenght higher output resistance is obtained, increasing the gain from 49dB(ver1) to 72dB(ver2). Also in increasing the gain total gain-baindwith is narrowed (table 2.3).In chapter 3 power supply of transistors using current mirrors technique is described and showed in figure 3.4. In simultions typical parametars of transistors are used, but in physical world those paramteras can variet depending on manufactoring process, temperature. For that sake corner analasys is made in chapter 4. Four different extremes of our corner parametars are used to see if Folded Cascode (ver2). will still work. As shown in graph 4.4 for all extreme parametars amplitude chracteristic are satisfactorily.
For aquiring even more gain gain boosting techinque is used .In this technique two extra folded cascode amplifiers are used to put transistors M5,M6,M7,M8 in current voltage feedback.(Figure 5.3). On this way output resistance go up even more. Total gain is 97dB (Figure 5.6). Since Gain boosted amplifiers is multipole system its stability comes to question. In chapter 6 is dealth with testing the stability. First version of Gain Boosted amplifier shows up as unstable amplifier (Figure 6.4) and second version is made. In second version power supply is lowed and capacitance is placed on the output nodes. Function of capacitance is to narrow width Gain-bainwidth to put amplifier in stability. In figures 6.7, 6.8, 6.69 transient analisys on step signal for diferent amount of capacitance is showed.

• Keywords: CMOS; analogona integrirana tehnika; preklopljena kaskoda
• Keywords (english): CMOS; analog integrated technique; folded cascode
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:168:638767
• Study programme: Title: Electrical Engineering and Information Technology; Study programme type: university; Study level: undergraduate; Academic / professional title: sveučilišni/a prvostupnik/ prvostupnica (baccalaureus/baccalaurea) inženjer/inženjerka elektrotehnike i informacijske tehnologije (sveučilišni/a prvostupnik/ prvostupnica (baccalaureus/baccalaurea) inženjer/inženjerka elektrotehnike i informacijske tehnologije)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Closed access
• Created on: 2018-02-06 11:50:59