Compact Low-Voltage Power-Efficient Operation Amplifier Cells for VLSI

1482IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.33,NO.10,OCTOBER1998

CompactLow-VoltagePower-Ef?cientOperationalAmpli?erCellsforVLSI

Klaas-JandeLangen,Member,IEEE,andJohanH.Huijsing,Fellow,IEEE

Abstract—Compactlow-voltagepower-ef?cientoperationalampli?ersaredescribedthatareverysuitableasvery-large-scale-integrationlibrarycellsbecauseofthesmalldieareaof0.08mm2andtheminimumsupplyvoltageof1.8V.Akeypartofthecircuitistherail-to-railclass-ABoutputstagewithfoldedmeshfeedbackcontrolthatcombinespoweref?ciencywithoperationdownto1.8Vandallowssuf?cientgaininacompacttwo-stagetopology.Aversionwithrail-to-railinputstagefeaturesarail-to-railinputrangeforsupplyvoltagesdownto2.5V.Thedcgainoftheop-ampsismorethan80dBwhiledriving10k??,andtheunity-gainfrequencyis4MHzwithphasemarginof67??whilepdriving5pF.Theequivalentinputnoisevoltageis38nV/ampli?ershavebeenimplementedatainfrequencyastandardof100digitalkHz.1.6-The??mcomplementarymetal–oxide–semiconductorprocess.

IndexTerms—Analogintegratedcircuits,CMOSintegratedcircuits,operationalampli?ers,very-large-scaleintegration.

I.INTRODUCTION

A

PPLYINGsimpletopologiesinordertoobtainhighef?ciencyisthekeydesigntechniqueforfutureana-logcellsinmixed-modevery-large-scale-integration(VLSI)circuits.Asthereductioninfeaturesizeofcomplemen-tarymetal–oxide–semiconductor(CMOS)processescontinuessteadily,thesupplyvoltagehastobereducedwhilethehigherintegrationdensityenforceslowerpowerconsumptionpercell.Digitalcellsbene?tfromthesizereduction,yieldingimproveddigitalperformance.Analogcells,ontheotherhand,onlybene?tmarginallybecauseminimumsizetransistorscannotbeusedduetonoiseandoffsetrequirements.Further,thelowsupplyvoltagecomplicatesthedesign,yieldingoftenmorecomplexcircuitsolutions,whichmayevenresultinaperformancereduction.Theonlywayforanalogcellstokeepupwiththedigitalperformanceandthesupply-voltagereductionisbyusingveryef?cienttopologiesthatcombinelow-voltageoperationwithhighpoweref?ciencyandsmalldiearea.

Existingop-ampscaneitheroperatewellbelow3Vbutuseacomplexstructure[1],[2]oremployasimpletwo-stagetopology[3]–[5]butrequireasupplyvoltageoftheorderof2.7–3.0Vdependingontechnology.However,asisshowninSectionII,theminimumrequiredsupplyvoltageforacompacttwo-stageop-ampisequaltoonegate-sourcevoltageandtwosaturationvoltages,whichisoftheorderof1.6–2.0V.This

ManuscriptreceivedJune18,1997;revisedMarch30,1998.ThisworkwassupportedbytheTechnologyFoundation.

TheauthorsarewiththeDelftInstituteofMicroelectronicsandSubmicronTechnology,DelftUniversityofTechnology,Delft2628CDTheNetherlands.PublisherItemIdenti?erS0018-9200(98)06996-0.

isonlyonesaturationvoltagemorethantheultimatelowestsupplyvoltage.Butthislowestlimitcanonlybeobtainedbyusingatleastfourstages[2].Thesubjectofthispaperistodevelopanampli?ertopologythatcombinesoperationdowntoasupplyvoltageequaltoonegate-sourcevoltageandtwosaturationvoltagesusingacompacttwo-stagestructureofferinghighpoweref?ciencyandsmalldiearea.

InSectionIIthebasiclow-voltagecompacttopologyispresented.Thereafter,low-voltageclass-ABcontrolcircuitsarediscussed,andasuitablecontrolcircuitisselectedinSectionIII.InSectionIV,thelow-voltagetopologyisex-tendedtoallowanoptionalrail-to-railinputstage.Twoop-ampimplementationsarepresentedinSectionV,togetherwiththemeasurementresults.InSectionVI,conclusionsaredrawn.

II.LOW-VOLTAGECOMPACTTOPOLOGY

Thebasictopologyofalow-voltagecompactop-ampisshowninFig.1.Theampli?erconsistsofaP-channel(P)MOS

input

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stage

with

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cascodes

DELANGENANDHUIJSING:AMPLIFIERCELLSFORVLSI

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1483

http://wendang.chazidian.compactlow-voltageoperationalampli?erprinciple.

totheotherisobtained,avoidinggrosscrossoverdistortion,becausetheoutputtransistorsaregraduallyswitchedonandoff.A?nalpropertyisthatthesignalfrom

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cascode

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and

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–

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and

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or

and

?Themeshistruly?oatingsinceitisonly

connectedtohighimpedances,thegates

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of

current

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source,

and

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cascode

To?ndoutifthesmall-signalimpedanceofthemeshissuf?cientlylowtoimplementavoltagesource,wecalculate

betweenthegates

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ofThethe

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impedance

impedanceisfoundbydividingthesignal

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voltage

andthegate-sourcevoltage

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of

canbe

negative,theoretically,theminimumsupplyvoltageneededbytheoutputstagecanbeverysmall.Practically,however,thegateofanoutputtransistorisalwaysatleastconnectedviaacurrentsourcetothesupplyrails.Becauseweneedtoobtainsuf?cientgaininonlytwostages,thecurrentsourceshouldnotdeterioratetheimpedanceandmustbecascoded.Toallowthelowestpossiblesupplyvoltage,thetransistorsofthecurrentsourceshouldbebiasedattheedgeofthetrioderegion,resultinginaminimumsupplyvoltagelimitedbyagate-sourcevoltageandtwosaturationvoltages.

Concluding,eachcomponentofthecompactop-ampshowninFig.1hasatleastoneimportantfunction:provingthehighef?ciencyintermsofthenumberofcomponents.Be-causeofthelownumberofcomponentsandthetwo-stagetopology,whichcanbeef?cientlycompensatedusingMillercompensation,arelativelysmallbiascurrentisrequired.AnexistingrealizationoftheprincipleshowninFig.1ispresentedinFig.2.Thiscircuitisusedinconventionalcompactop-amps[4].Theclass-ABvoltage

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source

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the

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voltage

(2)

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where

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,

isthevoltageatthegate

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of

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,

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and

and

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cascode

1484IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.33,NO.10,OCTOBER

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1998

Fig.2.Conventionalcompacttwo-stageoperationalampli?erwithrail-to-railfeed-forwardclass-ABoutputstagewith

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mesh.

Fig.3.Low-voltagecompacttwo-stageoperationalampli?erwithrail-to-railfeed-forwardclass-ABoutputstagewithlevelshiftinmesh.

outputcurrent,theotheroutput

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transistor

atthegate

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of

http://wendang.chazidian.coming

(2),itcanbeconcludedthatthemeshimpedanceisverylarge,sothatthereisnocouplingbetweenthetwogatesoftheoutputtransistors.However,

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transistor

Summarizing,theclass-AB

controlcircuitcouplesthegatesoftheoutputtransistorsinthequiescentmodeofoperationbygeneratingalowimpedance.Whenoneoutputtransistordeliversalargeoutputcurrent,theotheroutputtransistorisregulatedataconstantdraincurrentandthegatesoftheoutputtransistorsaredecouplingbygeneratingalargeimpedance.Atthesametime,however,

theclass-ABcontrolcircuitsteersallthesignaltotheactiveoutputtransistor.

Anotherimportantpropertyoftheclass-ABcontrolcircuitisthecontributiontothenoiseandoffset.Fortunately,theclass-ABcontrol

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transistorsarebiasedbyusingthebiascurrent,whichisalreadyneededtobiasthesumming

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andcircuit

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andsuf?cientvoltageacrosscurrent

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sourceinside

thesupplyvoltage.

Toallowlowersupplyvoltages,thevoltagesatthegates

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of

shouldbeonegate-sourcevoltageclosertothe

supplyrails,whichcanbeobtainedbyremoving

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transistors

andplacingthesetransistorsasalevelshift

inthemesh.TheresultisshowninFig.3,wherethemesh

DELANGENANDHUIJSING:AMPLIFIERCELLSFORVLSI

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1485

Fig.4.Low-voltagecompacttwo-stageoperationalampli?erwithrail-to-railfeedbackclass-ABoutputstagewithfoldedmeshandclass-ABcontrol.

isindicatedbythedashedline.Themeshnowconsistsof

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anddiode-connected

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transistors

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transistors

and

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thecontrolblock.

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Transistorsformacontrol

ampli?erthatregulatesthesignalattheinputsoftheoutputtransistorsinsuchawaythatthecontrolvoltageisequaltoareferencevoltageformed

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by

formsa?xedbiasvoltagefor

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transistors

and

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and

thereforethegate-sourcevoltage

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of

isverysmall,and

asaturationvoltage

andanothersaturationvoltageto

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biasto

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bias

distributesthesignal

fromtheinputstageoverbothoutputtransistors;and,becausethemeshisonlyconnectedtohighimpedances,thesignalcannotbelost,andallthesignalisusedtodrivetheoutputtransistors.Thisisalsothereasonwhythemeshtransistorsfunctionascascodes.Normally,whenwetiethesourcesoftwocascodestogether,theoutputimpedancesaredegraded.Ifweconsider,for

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example,

and

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transistor

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canonlybecreatedbymaking

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theratio

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of

verylarge.Thereiscertainlyno

roomtoinsertcascodes.Duetothediode

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connection,

alsodonotfunctionasacascode,sothattheobtainablegainistoolowinatwo-stagetopology.

Theproblemsdiscussedabovearerelatedtothediodeconnection

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of

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and

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andcanbecreatedmore

easily.Theprincipleoftheresultinglow-voltagecompacttopologyispresentedinFig.4.Themeshconsistingoftransis-

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tors

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and

and

functionsasa

cascode,andtheimpedanceatthegate

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of

multipliedbythevoltage

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gain

todrivefolded-mesh

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transistors

andisfedintothecontrolblock.Thecurrentof

andisalsofedintooutput

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transistor

ofthecontrolblock

andpartlybyinput

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iscontrolledpartlybyinput

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current

dependingonthestateoftheoutputstage.Thecurrent

small-signaltransferfunctionofthecontrolblockcanbeexpressed

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by

(4)

1486IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.33,NO.10,OCTOBER1998

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where

and

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and

(6)

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where

istheoutputcurrentoftheminimumselectorcircuit.Examining(6)forsmallsignals

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yields

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and

areequal.Bycomparing

(7)with(4),weconclude

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that

and

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therefore

ismuchlarger

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thaninthiscase.

Wenowreturntothemainproblemofcalculatingthemeshimpedance.Byexaminingtheremainingpartofthecontrolloopconsistingofdifferential

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pair

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and

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,

,

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and

isthetransconductanceof

class-ABcontrol

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ampli?er

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and

isverysmall.

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Further,

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andtotheactiveoutput

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transistor

maygivereasonforconcernsince

differential-pairtransistorsnormallycontributetothenoise.However,thesetransistorsoperateonlyasdifferentialpairsforclass-ABsignals,whichdonotcontributetotheoutputsignal.Fornormalsignals,themeshtransistorsoperateascascodes,whichdonotcontributetothenoise.

Becauseafeedbackloopisusedtoimplementtheclass-ABcontrol,alsothestabilityoftheclass-ABloopshouldbeconsidered.Theloopconsistsofclass-AB

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ampli?ermeasuring

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transistors

andwiththeMillercapacitorsandthegate-sourcecapacitorsasloadcapacitors.Sincetheoutputtransistorsaredrivenoutofphasebytheclass-ABampli?er,thereisnoclass-ABsignalvoltageattheoutputnode.Therefore,theMillercapacitorscanbeconsideredasiftheyareconnectedtogroundinparallelwiththegate-sourcecapacitance.Theunity-gainfrequencyoftheclass-ABloopisthereforegiven

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by

(10)

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where

In

thequiescent

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state,

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and

is

biasedbyacurrentthatisafactoroftwosmallerthaninthequiescentstate.Therefore,inbipolartechnologyandinCMOStechnologywithtransistorsoperatinginweak

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inversion