HIGH GAIN LOW POWER OPERATIONAL AMPLIFIER DESIGN AND COMPENSATION TECHNIQUES

XUSHICAI

by
Lisha Li
Table of Contents
Acknowledgements xiii
List of Tables xxi
List of Figures xxv
1 Introduction 1
1.1 Research Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Dissertation Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Frequency Compensation Techniques 9
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2 Feedback Circuit Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Stability of Feedback Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 Basic Frequency Compensation Techniques of Operational Amplifiers 17
2.4.1 Parallel Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 Pole Splitting - Single Miller Compensation (SMC) . . . . . . 18
2.5 Other Multistage Operational Amplifier Compensation Techniques . . 19
2.5.1 Nested Miller Compensation (NMC) and the Variants . . . . . 20
2.5.2 Single Miller FeedForward Compensation (SMFFC) . . . . . 23
2.5.3 Nonstandard NMC Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.4 No Capacitor Feed Forward (NCFF) . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.5 Negative Miller Capacitance Compensation (NMCC) . . . . . 26
xv
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3 Creative Feedforward Op amp Compensation Design 29
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 Configuration of the Feedforward Compensation Op amp . . . . . . . 31
3.2.1 Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 System Analysis of Feedforward Compensation . . . . . . . . . 33
3.3 Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.1 Damping Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2 Maximally Flat Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4 Frequency and Transient Domain Simulation . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 Example 1 - Conventional Feedback Amplifier (Uncompensated) 40
3.4.2 Example 2 - Pole Splitting (Simple Miller Capacitor Compen-
sation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.3 Example 3 - Proposed Active Feedforward . . . . . . . . . . . 42
3.5 Open Loop Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.6 Generic Op amp Device Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7 Modified Feedforward Compensation Model Including The Lead And
Lead-lag Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.8 Design of the gm with the Lead-lag Circuit . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4 Low Voltage Low Power Op Amp Gain Boosting Techniques 55
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 MOSFET Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1 Strong Inversion Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.2.2 Moderate Inversion Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
xvi
4.2.3 Weak Inversion Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3 The Conventional Cascode Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4 Other Cascode Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.1 Gain Boosted Cascode Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.2 Folded Cascode Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5 Other Low Supply Voltage Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5.1 Composite Cascode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5.2 Bulk-Driven Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.5.3 Floating Gate MOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5 Design of High Gain Op Amp Using Composite Cascode Connec-
tions 75
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 The Composite Cascode Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Practical Composite Cascode Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.4 Circuit Realization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4.1 Input Dierential Composite Cascode Stage . . . . . . . . . . 80
5.4.2 Composite Cascode Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.3 Second Composite Cascode Stage . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.4 Output Source Follower With A Current-sink Load . . . . . . 83
5.4.5 Composite Cascode Op Amp in Widlar Architecture . . . . . 84
5.4.6 Total Harmonic Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.5 Simple Miller Compensation (Pole Splitting) . . . . . . . . . . . . . . 86
5.6 Simulation and Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.7 Layout Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
xvii
5.8 Dierent Configurations of Various Composite Cascode Op Amp . . . 91
5.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Op Amp Test Procedure and Methods 95
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.2 Power Supply Current Test and Debugging . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Op amp Test Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.4 Op Amp Closed Loop Characteristic Test Configuration . . . . . . . . 101
6.5 Opamp Open Loop Gain Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.5.1 Measurement Strategy One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.5.2 Measurement Strategy Two . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.5.3 Measurement Strategy Three . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5.4 Measurement Strategy Four . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.6 Composite Cascode Op Amp Chip Test Results . . . . . . . . . . . . 108
6.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7 Conclusion and Future Research 111
7.1 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.1.1 Current Compensation Methods Investigation . . . . . . . . . 112
7.1.2 Feedforward Compensation Method . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1.3 System-Level and Combined Device/Transfer Function Simula-
tion Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1.4 Stability Analysis of the Feedforward Architecture . . . . . . . 113
7.1.5 MOSFET in Subthreshold Inversion Used for Low Power Op
Amp Designs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.1.6 Architecture of A High gain Composite Cascode Operational
Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
xviii
7.1.7 Modified Composite Cascode Operational Amplifiers for Dier-
ent Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.1.8 Practical Test Methods of High Gain Op Amps . . . . . . . . 115
7.2 Future Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Bibliography 121

wangdexiaowu

貌似是本好书啊

shit164

thx!!!

sjxu007

thanks

sjxu007

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eemitel

真在做这个，看看先。
谢谢了。

joe70611

thx thx thx thx

demi81

2# wangdexiaowu

leizhao.ic

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ni3131

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