Subthreshold Transconductance Amplifier

Das Design im Subthreshold-Regime unterscheidet sich meiner Meinung nach gar nicht so sehr vom normalen OTA-Design. Wenn das Design in einem Sallen-Key-Abschnitt verwendet werden soll, wird der OTA höchstwahrscheinlich als Puffer verwendet.

Im OTA-Design ist die$g_m$Ihres OTA ergibt sich typischerweise aus der Gleichung:

$GBW = \frac{g_m}{2\pi C_L}$

Diese Gain-Bandwidth (GBW) ist eine Schätzung der Frequenz, bei der die Verstärkung 1 ist, aber sie gibt Ihnen zufällig auch die Bandbreite des OTA an, wenn Unity-Feedback angewendet wird. Dies ist also Ihre Hauptgleichung zur Bestimmung des Bedarfs$g_m$für M1 und M2.

Von dort aus können Sie den Bias-Strom für Mb bestimmen, indem Sie die Beziehung verwenden

$\frac{g_m}{I_{DS}} = \frac{1}{nU_T}$

Dies ist eine etwas andere Formel als bei einem "normalen" OTA mit starker Inversion, bei dem Sie normalerweise die Gleichung verwenden würden

$\frac{g_m}{I_{DS}} = \frac{2}{V_{GS}-V_T}$

Es gibt auch eine zweite Eigenschaft, die wichtig sein könnte, nämlich die Anstiegsgeschwindigkeit (SR) . Das ist ganz einfach:

$SR = \frac{dV_{out}}{dt}|_{max} \approx \frac{1}{C_L}I_{bias}$

Die Wahl einer geeigneten Anstiegsgeschwindigkeit hängt von der Situation ab. Stellen Sie sicher, dass sowohl für GBW als auch für SR genügend Vorspannungsstrom vorhanden ist.

Ich werde Ihnen jetzt eine Möglichkeit geben, einen OTA zu entwerfen. Beachten Sie, dass andere Entwurfsüberlegungen oder -schwerpunkte berücksichtigt werden können (z. B. Rauschen, Eingangs-Offsetspannung, maximale Geschwindigkeit, minimaler Stromverbrauch, ...).

1. Design Mb, um das gewünschte zu haben$I_{bias}$.
   • Wählen Sie keine Mindestlänge. Da Mb als Stromquelle ausgelegt ist, möchten Sie eine hohe Ausgangsimpedanz. Reduzieren Sie Kurzkanaleffekte, um die Ausgangsimpedanz zu erhöhen, indem Sie L erhöhen. Normalerweise können Sie die Beziehung verwenden$r_0 \approx \frac{V_E L}{I_{DS}}$Wo$V_E$ist die frühe Spannung. Übertreiben Sie hier nicht, da W/L später festgelegt wird, wird W zusammen mit L zunehmen!
   • Sie wählen ein$V_{GS}$($= V_{bias}$). Dies bedeutet, dass Sie es tunen müssen$W/L$Verhältnis, um den Bias-Strom bei diesem spezifischen zu erreichen$V_{GS}$. Ein Tief$V_{GS}$ermöglicht es Mb, schneller in die Sättigung zu gehen. Allerdings abnehmend$V_{GS}$bedeutet, seine zu erhöhen$W/L$was das Gleichtakt-Transientenverhalten beeinflussen kann, da es auch die Drain-Kapazität erhöht.
2. Entwerfen Sie M1 und M2, um das gewünschte zu haben$g_m$.
   • Verwenden Sie keine Mindestlänge! Dies hat mehrere Gründe:
     • Es würde die DC-Verstärkung der Schaltung stark hemmen. Die DC-Verstärkung ist gegeben durch$A_0 = \frac{g_m}{g_{02} + g_{04}}$. Minimieren von L bedeutet Maximieren$g_{02}$.
     • Dies würde zu einer erheblichen Fehlanpassung zwischen M1 und M2 führen. Für Transistoren, die angepasst werden müssen, wählen Sie am besten Transistoren mit größerer Fläche.
   • Simulieren Sie die AC-Antwort des OTA, um die GBW zu finden und abzustimmen$W/L$passend zum GBW. Es stimmt die$g_m$. Beachten Sie auch, dass sich das GBW später nicht mehr wesentlich ändert, sodass Sie es zu diesem Zeitpunkt einstellen können.
   • Typischerweise (in nicht unterschwelligen Designs) wählen Sie a$V_{GS}-V_T$und gib den Transistoren a$W/L$Verhältnis, um dies zu erreichen und gleichzeitig das GBW im Auge zu behalten (denken Sie daran$I_{DS}$ist eingestellt auf$I_{bias}/2$ist also fest!). Im unterschwelligen Regime bedeutet dies, a zu wählen$V_{GS} - V_T < 0$. Bitte beachten Sie, dass das Gehen für niedrigere Spannungen dies auch bedeutet$W/L$wird zunehmen, was bedeutet, dass die Gate-Kapazität ebenfalls zunehmen wird. Es wird Sie jedoch auch dem maximal Erreichbaren näher bringen$\frac{g_m}{I_{ds}}=\frac{1}{nU_T}$Faktor.
3. Entwerfen Sie die PMOS-Stromspiegel M3 und M4
   • Wählen Sie keine Mindestlänge! Minimieren von L bedeutet Maximieren$g_{04}$was sich auch negativ auf die DC-Verstärkung auswirkt.
   • Wählen Sie eine Ausgangsspannung (während$V_+=V_-$). Aufgrund der Symmetrie (da beide Transistoren den gleichen Strom treiben$I_{bias}/2$), ist die Ausgangsspannung dieselbe wie die Spannung über dem als Diode geschalteten Transistor M3. Stimmen Sie ihre ab$W/L$Verhältnisse, um Ihre gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen.