Cadence OpAmp Schematic Design Tutorial (2001)

summerwaww · 发表于 2007-8-15 22:11:16

马上注册，结交更多好友，享用更多功能，让你轻松玩转社区。

您需要登录才可以下载或查看，没有账号？注册

x

Contents
Preface iv
1 Introduction 1
1.1 Review of CMOS FET's . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Creating a New Library in Cadence . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Schematic Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.1 Virtuoso Schematic Editor . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3.2 Virtuoso Symbol Editor . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.3 A±rma Analog Circuit Design Environment . . . . . . 6
1.3.4 The Waveform Window . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.5 The Cadence Calculator . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Generating the Characteristic MOSFET Curves . . . . . . . . 9
1.4.1 N-channel Enhancement-Type MOSFET . . . . . . . . 9
1.4.2 P-channel Enhancement-Type MOSFET . . . . . . . . 14
2 An Introduction to Op-Amps 17
2.1 Parameters of an Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 O®set Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.2 Input Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Input Common Mode Voltage Range . . . . . . . . . . 19
2.1.4 Maximum Output Voltage Swing . . . . . . . . . . . . 19
2.1.5 Output Impedance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.6 Common-Mode Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.7 Supply Voltage Rejection Ratio . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.8 Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1.9 Unity Gain Bandwidth and Phase Margin . . . . . . . 22
2.1.10 Settling Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2 Methodology of Choosing Op-Amp Parameters . . . . . . . . 24
2.3 How to Adjust the Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

summerwaww · 发表于 2007-8-15 22:12:39

CONTENTS ii
2.3.1 Speci¯cation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.2 Procedure of Optimization . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.3.3 Optimize the Parameters of the Op-Amp . . . . . . . 27
2.3.4 How to get the Quiescent point in a complex circuit . 33
2.4 Target Op-Amp Speci¯cations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3 Current Mirrors and Biasing Networks 35
3.1 Ideal Characteristics of a Current Mirror . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Basic Current Mirror Derivation . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3 Benchmark Test Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Examined Current Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.1 Basic Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.2 Cascade/Cascode Current Mirror . . . . . . . . . . . . 41
3.4.3 Wilson Current Mirror . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4.4 Modi¯ed Wilson Current Mirror . . . . . . . . . . . . 44
3.4.5 Reduced Cascade Current Mirror . . . . . . . . . . . . 45
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Di®erential Input Stage 48
4.1 The Unbu®ered Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.2 Small Signal Equivalent Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 The Frequency Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.4 Phase Margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.5 Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.6 Adding Rz in series with Cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 Gain Bandwidth Product . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.8 Large Signal Consideration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.9 Slew Rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.10 The Common-Mode Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.11 Important Relationships for The Design . . . . . . . . . . . . 66
4.12 Tradeo®s for Increasing the Gain of the Two Stage Op-Amp. 66
4.13 Design Methodology for the Two Stage Op-Amp . . . . . . . 67
4.14 Design Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.15 Limitations of the Two Stage Op-Amp . . . . . . . . . . . . . 72
4.16 The Cascode Op-Amp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5 Inverting Ampli¯ers 76
5.1 Inverter with Active Resistor Load . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2 Inverter with Current Source/Sink Load . . . . . . . . . . . . 83
5.3 Push-Pull Inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

summerwaww · 发表于 2007-8-15 22:14:41

CONTENTS iii
5.4 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.5 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6 Control Network and Output Stage 95
6.1 Classi¯cation of Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2 Class-A Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2.1 Simple output ampli¯er using a Class-A, current-source
inverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.2.2 Common-Drain (Source-Follower) Output Ampli¯er . 98
6.2.3 Power Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3 Class-B Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.3.1 Push-Pull, Inverting CMOS ampli¯er . . . . . . . . . 99
6.3.2 Power Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4 Class-AB Output Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.5 Short Circuit Protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.7 Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.7.1 Negative Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.7.2 Frequency Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7 Integrating the Sub-Circuits 108
7.1 Overall Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.2 The Measurement of Some Main Parameters . . . . . . . . . 110
7.2.1 Input O®set Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.2.2 Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) . . . . . . . 112
7.2.3 Output Resistance - Ro . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.3 Delivering Power to the Load/Instantaneous Power . . . . . . 117
7.4 Improving the Output Bu®er . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.4.1 Stabilizing the Output . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.4.2 The Final Schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
8 Closing Remarks 122
8.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
8.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9 Bibliography 124