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I) Etude des architectures classe AB en entrée II) Conception d’un amplificateur en classe AB

I) Etude des architectures classe AB en entrée II) Conception d’un amplificateur en classe AB III) Conclusion. Conception d’un amplificateur de sortie CMOS Faible consommation en classe AB. Arnaud Peizerat (peizeratar@chartreuse.cea.fr). Directeur de thèse : Gérard Bouvier

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Presentation Transcript

  1. I) Etude des architectures classe AB en entrée II) Conception d’un amplificateur en classe AB III) Conclusion Conception d’un amplificateur de sortie CMOS Faible consommation en classe AB Arnaud Peizerat (peizeratar@chartreuse.cea.fr) Directeur de thèse : Gérard Bouvier Encadrant CEA/Leti : Marc Arques

  2. I) Etude des architectures classe AB en entrée (1) 1) Rappels sur la paire différentielle : I1, I2 et Vs en fonction de DV V1=Vcm+DV/2 V2=Vcm-DV/2

  3. I) Etude des architectures classe AB en entrée (2) 2) Utilisation de miroirs de courants : I_tail = I0 + a . | I1 - I2 | [Deg82] •a < 1 , bon hconso mais I_tail < I0/(1-a) • a > 1 , I_tail illimité mais hconso se dégrade  a=1

  4. I) Etude des architectures classe AB en entrée (3) 3) Utilisation de suiveurs : • Vs = min ( V1-Vt , V2-Vt) [Har99] et [Tak00]  [Deg82] avec a=1 • Vs = constante  Vcm-Vt [Ram02]

  5. VS2 VS1 I) Etude des architectures classe AB en entrée (4) • Vs1 =V2 – Vb et Vs2 = V1 – Vb [Cas85], [Cal90], [Pel97], [Elw00]

  6. II) Conception d’un amplificateur en classe AB (1) 1) Cahier des charges: • tension d’alimentation de 3,3 V en techno CMOS 0,35µm à T=77K • dynamique de 2 V • temps d’établissement (à 1%)  30ns • 50 pF < capacité de charge < 100 pF • gain en suiveur # 1 (# 40 dB en BO) et non-linéarités < 1% • tension de bruit en sortie  40 µV rms • réduire la consommation de 9 mA à ???

  7. I1 I2 V1 V2 M1 M2 suiveur Vb Vb II) Conception d’un amplificateur en classe AB (2) 2) Méthode de conception • Conception de « l’ampli externe » • Conception des « suiveurs » principe retenu pour la classe AB

  8. K:1 1:K II) Conception d’un amplificateur en classe AB (3) 3) Conception de « l’ampli externe » OTA à 5 T ⊕ stabilité ⊝ conso. des suiveurs ⊝ capacité d’entrée OTA à 9 T ⊕ capacité d’entrée ⊕ conso. des suiveurs ⊝ stabilité

  9. K:1 1:K K = 4 IM1= IM2= 125 µA IM5 = IM6 = IM7 = IM8 = 500 µA II) Conception d’un amplificateur en classe AB (4) • Raisonnement « petits signaux » sans tenir compte du SR • Gm doublé ⇒ gain de l’OTA doublé et déphasage identique ► Gain_DC > 34 dB (40-6=34) ► fT > 13,5 MHz (27 MHz ⇒ 1er ordre qui s’établit à 1% en 30ns) ► Mj > 85degrés (Mj > 70 degrés en classe AB)

  10. IM1 IM2 V1 V2 N2 M1 M2 V2 N1 N4 augmente la dynamique Vb N4 suiveur Vb N3 Vb IN1= 62,5 µA IN2 = 200 µA Compromis vitesse/stabilité/consommation II) Conception d’un amplificateur en classe AB (5) 4) Conception des « suiveurs »

  11. II) Conception d’un amplificateur en classe AB (6) 5) Conditions de simulation - Techno CMOS standard 0,35µm, tension d’alimentation de 3.3V, - Modèles de transistors « dédiés basse température » (77 K), - Environnement Cadence/AnalogArtist et Simulateur Eldo

  12. II) Conception d’un amplificateur en classe AB (7) 6) Résultats de simulation Simulations AC (en boucle ouverte) Pour Cload=100pF : • Gain_DC = 46,8 dB • Fc = 152,2 kHz • Ft = 33,5 MHz • M = 73,1 °

  13. II) Conception d’un amplificateur en classe AB (8) Simulations transitoires : montage suiveur, Cload=100pF

  14. II) Conception d’un amplificateur en classe AB (9) Simulations transitoires : temps d’établissement à 1% tps tps Cload=100pF Cload=50pF  quel que soit l’échelon dans la plage [0,9V ; 3,1V], le temps d’établissement est inférieur à 26ns

  15. II) Conception d’un amplificateur en classe AB (10) Simulations transitoires : linéarité du gain gain gain Cload=50pF Cload=100pF  non-linéarités inférieures à 0,33 %

  16. <Ialim> II) Conception d’un amplificateur en classe AB (11) Simulations transitoires : consommation moyenne • Période = 100ns • Vcm = 2V • Istatique = 1,84mA • Ipire_cas = 4,25mA

  17. Caractéristiques de simulations de l’amplificateur En boucle ouverte Gain DC 46,8 dB fT > 33 MHz Marge de phase > 73 deg En boucle fermée, montage suiveur Temps d’établissement (1%) < 26 ns Courant statique de l’alimentation < 1,9 mA Courant pointe de l’alimentation < 26 mA Courant pointe dans la charge < 20 mA Bruit rms en sortie sur [1 Hz ; 10GHz] (simulation AC) 27,1 µV Capacité présentée par l’entrée < 200fF Non-linéarité < 0,33 % II) Conception d’un amplificateur en classe AB (12) Simulations: Bilan pour Cload = 100pF

  18. III) Conclusion • Etude des architectures classe AB en entrée  choix d’une technique de classe AB : [Elw00] • Conception d’un amplificateur en classe AB  respect du cahier des charges + Istatique/5 • Travail restant  validation du circuit par des mesures ( ∼Juin 2004 )

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