넓은 동적 영역을 갖는 저전압 CMOS 연산 증폭기

Abstract

CMOS technology의 감소와 모바일 및 포터블 기기의 수요 증가로 인해 공급전압은 점점 줄어드는 추세이다. 이에 따라 당연히 1V에서 동작가능한 넓은 동적 영역의 CMOS op amp 가 필요하게 되었다. 하지만 기존의 op amp 구동방식에서는 MOSFET의 문턱전압 강하로 인한 원천적인 문제로 인해 1V CMOS op amp의 설계가 어렵다. 이에 대한 해결책으로 Bulk-driving 방식의 op amp 는 MOSFET의 문턱전압 강하문제를 제거함으로 해서 넓은 동적 영역을 갖을 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되어 왔다. 본 논문에서는 rail-to-rail 입력 동상 전압 범위 와 rail-to-rail 출력 범위를 갖는 1V CMOS op amp를 연구하였다. 설계된 op amp 의 DC open-loop gain 은 공급전압 절반의 동상 입력 신호에서 37dB이다. 또한 같은 입력 동상 전압에서 15pF의 load capacitance를 갖았을 때 Phase margin 은 84.6° 이고, Unity-gain frequency는 20khz다. 저주파에서 59dB의 VDD PSRR을 갖으며, 1Mhz에서는 35dB의 값을 갖는다. 이 op amp 의 소비 전력은 12uW이다.; The scaling of CMOS technology and the increasing popularity of potable battery-powered applications has prompted a trend towards reduced supply voltage. As a result, there will inevitably be a great need for wide dynamic range CMOS op amps capable of 1V operation. The bulk-driving technique has been developed to remove the MOSFET’s threshold voltage overhead from the signal path, thereby improving signal swing within the signal path and consequently dynamic range. A 1V CMOS wide dynamic range op amp has been designed and implemented which achieves rail-to-rail input common-mode range and rail-to-rail output swing. A bulk-driven differential pair at the op amp’s input provides the 1V operation with rail-to-rail input common-mode range. This op amp’s simulated DC open-loop gain is 37dB for mid-supply common-mode input voltage. Also with a mid-supply common-mode input voltage, a phase margin of 84.6°C and unity-gain frequency of 20kHz is achieved for a 15pF load capacitance. The 1V CMOS op amp also provides lowfrequency VDD PSRR of over 59dB and over 35dB at 1MHz. The op amp's power dissipation is 12uW.