Amplificador de transconductancia de subumbral

En mi opinión, el diseño en el régimen de subumbral no es muy diferente del diseño OTA normal. Si el diseño se va a utilizar en una sección de Sallen-Key, lo más probable es que la OTA se utilice como amortiguador.

En el diseño de OTA, el$g_m$de su OTA normalmente viene dada por la ecuación:

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

Este ancho de banda de ganancia (GBW) es una estimación de la frecuencia en la que la ganancia es 1, pero coincidentemente también indica el ancho de banda de la OTA cuando se aplica retroalimentación unitaria. Así que esta será su ecuación principal para determinar el necesario$g_m$para M1 y M2.

A partir de ahí, puede determinar la corriente de polarización para Mb usando la relación

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

Esta es una fórmula ligeramente diferente de una OTA de inversión fuerte "normal", donde normalmente usaría la ecuación

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

También hay una segunda propiedad que podría ser importante, que es la velocidad de respuesta (SR) . Esto es bastante simple:

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

La elección de un tipo de velocidad de respuesta adecuada depende de la situación. Asegúrese de tener suficiente corriente de polarización para GBW y SR.

Ahora les voy a dar una forma de diseñar una OTA. Tenga en cuenta que se pueden considerar otras consideraciones de diseño o énfasis (por ejemplo, ruido, voltaje de compensación de entrada, velocidad máxima, consumo de energía mínimo, ...).

1. Diseño Mb para tener el deseado$I_{bias}$.
   • No elijas una longitud mínima. Dado que Mb está diseñado como una fuente de corriente, desea una alta impedancia de salida. Reduzca los efectos de canal corto para aumentar la impedancia de salida aumentando L. Por lo general, puede usar la relación$r_0 \approx \frac{V_E L}{I_{DS}}$dónde$V_E$es el voltaje temprano. No exagere aquí, ya que W/L se fija más adelante, ¡W aumentará junto con L!
   • tu eliges un$V_{GS}$($= V_{bias}$). Esto significa que tienes que afinar su$W/L$relación para lograr la corriente de polarización en ese específico$V_{GS}$. un bajo$V_{GS}$permitirá que Mb entre en saturación más rápidamente. Sin embargo, disminuyendo$V_{GS}$medios para aumentar su$W/L$lo que puede influir en el comportamiento transitorio de modo común, ya que también aumenta la capacitancia de drenaje.
2. Diseñe M1 y M2 para tener el deseado$g_m$.
   • ¡No utilices una longitud mínima! Esto tiene varias razones:
     • Inhibiría severamente la ganancia de CC del circuito. La ganancia de CC está dada por$A_0 = \frac{g_m}{g_{02} + g_{04}}$. Minimizar L significa maximizar$g_{02}$.
     • Conduciría a un desajuste significativo entre M1 y M2. Para los transistores que deben combinarse, es mejor elegir transistores de área más grande.
   • Simule la respuesta de CA de la OTA para encontrar el GBW y sintonizar$W/L$para que coincida con el GBW. Sintoniza el$g_m$. También tenga en cuenta que el GBW no cambia mucho más adelante, por lo que puede ajustarlo en este momento.
   • Por lo general (en diseños sin subumbral) elige un$V_{GS}-V_T$y darle a los transistores un$W/L$proporción para lograr esto mientras realiza un seguimiento del GBW (recuerde que$I_{DS}$se establece en$I_{bias}/2$¡así que está arreglado!). En régimen subumbral, esto significa elegir un$V_{GS} - V_T < 0$. Tenga en cuenta que optar por voltajes más bajos también significa que$W/L$aumentará, lo que significa que la capacitancia de la puerta también aumentará. Sin embargo, también te acercará al máximo alcanzable.$\frac{g_m}{I_{ds}}=\frac{1}{nU_T}$factor.
3. Diseñe el espejo de corriente PMOS M3 y M4
   • ¡No elijas la longitud mínima! Minimizar L significa maximizar$g_{04}$que también tiene un efecto negativo en la ganancia de CC.
   • Elija un voltaje de salida (mientras$V_+=V_-$). Debido a la simetría (ya que ambos transistores conducen la misma corriente$I_{bias}/2$), el voltaje de salida es el mismo que el voltaje a través del transistor M3 conectado por diodo. Sintonice su$W/L$proporciones para lograr el voltaje de salida deseado.