High gain, high bandwidth, wide icmr, and highly linear fully differential amplifier with large dynamic range and process corner configurable output stage

Abstract

Ön yükselteç, analogdan dijitale çevirici (ADC) blokların tasarımında en önemli kısımlardan birisidir. ADC'lerin bir çoğunda ön yükselteçler ADC'nin geniş girdi kapasitansını çalıştırabilmek yada zayıf doğal olarak oluşan girdi sinyalini güçlendirmek amacıyla kullanılmaktadırlar. Ön yükselteç tasarlarken en önemli faktörlerden birisi sinyal-gürültü ve bozulma oranı (SINAD) çünkü ön yükseltecin ürettiği gürültü ve bozulma efektif bit sayısını (ENOB) düşürebilir.Bu çalışma, yüksek kazanç, yüksek bant genişliği, geniş giriş ortak mod aralığı (ICMR) ve 14 bitlik bir analogdan dijitale çevirici için son derece doğrusal tam diferansiyel katlanmış kask ön-yükselteciyi tanıtıyor. Sistem, minimum transkondüksiyon varyasyonu ile geniş bir ICMR elde etmek için diferansiyel giriş çifti olarak doğal n-kanal transistör kullanmaktadır. Ön-yükseltecin toplam harmonik bozulması (THD), farklı işlem köşelerinde en aza indirgenmiştir. Uçtan uça besleme gerilimleri arasinda çıktı sinyali sağlayabilmesi için ayarlanabilen AB sınıfı çıktı katı olan ADC tercih edilmiştir. Ek olarak, farklı çalışma şartlarında sistemin kararlılığını sağlayabilmek için işlem köşesi ayarlanabilen bir dengeleme devresi dizayn edilmiştir. Ön yükselteç, 130 dB kapalı döngü kazancı, 200 MHz birim kazanç bant genişliği, -92.2 dB THD ve 68 derece faz payı elde etmektedir. Ön yükseltici TSMC 180 nm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanmıştır.

Pre-ampifier is one of the most important building blocks in designing analog to digital converters (ADC). Most of the ADCs have a pre-amplifier implemented for driving the large input capacitance of the ADC or amplifying the weak naturally occurred input signals. One of the key factors in designing a pre-amplifier is its signal to noise and distortion ratio (SINAD) as the noise and distortion introduced by the pre-amplifier might degrade the effective number of bits (ENOB) of ADC.This work introduces a high gain, high bandwidth, wide input common mode range (ICMR), and highly linear fully differential folded cascode pre-amplifier for a 14-bit analog to digital converter. The system uses native n-channel transistors as differential input pair to achieve a wide ICMR with minimum transconductance variation. The total harmonic distortion (THD) of the pre-amplifier is minimized over different process corners. A process corner configurable class AB output stage is implemented to provide a rail to rail output signal. Additionally, a process corner configurable compensation circuit is implemented to ensure the stability of system over different process corners. The preamplifier achieves a closed-loop gain of 130dB, a unity gain bandwidth of 200MHz, aTHD of -92.2dB, and a phase margin of 68 degree. The pre-amplifier is designed using TSMC180nm CMOS technology.