High Gain, Rail-To-Rail Input/Output Operational Amplifier Design

Operational amplifier is a main integrated circuit which has critical importance for the design of analog circuits in many areas such as electronics, communications, optics, medical etc. It is needed in many applications such as analog to digital conversion or vice versa, differentiation and integration, addition and subtraction, active filter, comparator and so on. The principle work of this integrated circuit is to amplify the difference of signals applied to its inputs. Speed, accuracy, and voltage range of this conversion vary according to characteristic features of the operational amplifier. Hence, it is necessary that circuit blocks forming the operational amplifier should be designed according to the needed characteristic properties. In addition, the importance of portable, low power, efficient and fast electronic circuits has increased with the progress of technology. From past to present, CMOS technology is widely used to make high performance integrated circuit designs. Thus, custom solutions for particular requirements can be developed. In this thesis work, an operational amplifier which has high gain, rail-to-rail input and output is designed for battery-powered and having wide input / output voltage range applications. The most important feature of the designed operational amplifier is that amplifying operation remains constant during the input common mode voltage range. Its characteristic properties such as gain, bandwidth, phase margin, and slew rate are not heavily affected from input voltage variations. Moreover, a self-compensated circuit for the operational amplifier to work stable, and self-biased voltage and current sources to decrease power consumption are designed. In order to avoid any stabilization problems, simple electronic circuits have been utilized. Simulations of the designed operational amplifier are done and its operating performance on the required applications is examined. Besides, the proposed design is compared to various examples in the literature. The developed design with CMOS technology having small channel length occupies less space than similar designs. Also, a design was developed for low-voltage / high performance portable devices, which will allow them to both fulfill their low current and voltage amplifying functions and to ensure their operation within a wide voltage range. By means of the design which utilized 130 nm CMOS technology and 1.5 V single-sourced supply voltage, following results were obtained: gain over 100 dB; input common mode voltage range between 0.05 V and 1.45 V; output swing between 0.05 V and 1.45 V; bandwidth higher than 10 MHz; phase margin larger than 45º; 4.2 V / μs slew rate; more than 80 dB CMRR and PSRR; power consumption lower than 1 mW.İşlemsel yükselteç; elektronik, haberleşme, optik, medikal vb. gibi birçok alanda tasarlanan analog devreler için kritik öneme sahip temel bir elektronik bileşendir. Analogdan sayısala veya sayısaldan analoğa dönüştürme, türev ve integral alma, toplama ve çıkarma, aktif filtre, hata yükseltici, karşılaştırıcı vb. gibi birçok uygulamada bu bileşene ihtiyaç duyulur. Bu elektronik bileşenin temel görevi, girişlerine uygulanan sinyallerin farkını yükselterek çıkışa vermesidir. Bu dönüşümün hızı, doğruluğu ve gerilim aralığı, işlemsel yükseltecin karakteristik özelliklerine göre değişkenlik gösterir. Bu yüzden, işlemsel yükselteci oluşturan devre bloklarının ihtiyaç duyulan karakteristik özelliklere göre tasarlanması gerekmektedir. Buna ek olarak, teknolojinin ilerlemesiyle taşınabilir, düşük güçlü, verimli ve hızlı çalışan elektronik devrelere verilen önem artmıştır. Geçmişten bugüne, yüksek performanslı tümdevre tasarımları yapabilmek için CMOS teknolojisi yaygın olarak kullanılmaktadır. Böylece, ihtiyaca yönelik özel çözümler üretilebilmektedir. Bu tez çalışmasında; hem pille beslenen hem de giriş ve çıkış gerilim aralığı geniş olan uygulamalar için yüksek kazançlı, beslemeleri kapsayan giriş ve çıkışa sahip bir işlemsel yükselteç tasarlanmıştır. Tasarlanan işlemsel yükseltecin en önemli özelliği, çalışma gerilim aralığı boyunca yükseltme işleminin sabit kalmasıdır. Kazanç, bant genişliği, faz payı ve yetişme hızı gibi karakteristik özellikleri girişteki gerilim değişimlerinden çok fazla etkilenmemektedir. Ayrıca, işlemsel yükseltecin kararlı olarak çalışabilmesi için kendi kendini kompanze edebilen bir devre ve güç tüketimini azaltmak için kendinden öngerilimli akım ve gerilim kaynakları tasarlanmıştır. Kararlılık sorunlarıyla karşılaşmamak için mümkün olduğunca basit devre tasarımları üzerinde çalışılmıştır. Tasarlanan işlemsel yükseltecin benzetimleri yapılmış ve ihtiyaç duyulan uygulamalardaki çalışma performansı incelenmiştir. Bunun yanında, önerilen tasarım literatürdeki farklı örnekleriyle karşılaştırılmıştır. Küçük kanal boyutuna sahip CMOS teknolojisiyle geliştirilen tasarım benzerlerine göre daha az yer kaplayacaktır. Ayrıca, düşük gerilimlerle çalıştırılan ve yüksek performansa ihtiyaç duyan taşınabilir cihazların hem düşük akım ve gerilimleri yükseltme görevini karşılayacak hem de geniş gerilim aralığında çalışmasını sağlayacak bir tasarım geliştirilmiştir. 130 nm CMOS teknolojisi ve 1,5 V tek kaynaklı besleme gerilimi kullanılarak yapılan tasarımın sonucunda; 100 dB’nin üzerinde kazanç, (0,05 V - 1,45 V) arasında giriş ortak mod gerilim aralığı, (0,05 V - 1,45 V) arasında çıkış salınımı, 10 MHz’den yüksek bant genişliği, 45°’den büyük faz payı, 4,2 V / μs yetişme hızı, 80 dB’den büyük CMRR ve PSRR değeri ve 1 mW’tan düşük güç tüketimi elde edilmiştir