[CMOS 아날로그 회로설계 기초] 6. Operational Amplifier

Basic Operational Amplifier

• 유한한 gain : 40 ~ 100 dB
• (+) / (-) 단 입력의 차이에 비례하여 선형적으로 동작하는 전압 범위 존재
• 입력 양단을 short시 존재하는 offset 전압 존재 : 5 ~ 10mV
• CMRR(Common-Mode Rejection Ratio)
  • Differential Gain $A_D= V_{out}/V_{in\_diff}$
  • Common Gain $A_C=V_{out}/V_{in\_common}$
  • $CMRR=20log(A_D/A_C)$
• Frequency Response : 차단주파수 $w_c=1\sim10Mhz$
• Slew Rate
  • 입력이 크게 변할 때 출력의 변화 rate
  • 동작 범위를 순간 벗어났다가 다시 돌아오는 시간
  • $1\sim20\ V/\mu s$
• Output Resistor : 버퍼 존재시 $0.1\sim5k\Omega$ / 버퍼 없을 시 $\sim1M\Omega$
• Flicker noise
  • noisy한 트랜지스터에서 발생 ( MOS에 특히 유효 )
  • $10\sim50\mu V(RMS)@MOS$
  • $3\sim5\mu V(RMS)@BJT$
• Dynamic Range : Opamp의 최대 입력 range
• PSRR(Power Supply Rejection Ratio)
  

  

  • opamp 소자의 공급 전압이 출력전압에 미치는 영향
  • $PSRR=20log(A_{out}/A_{pow})$ : 통상 60 ~ 80dB
• DC power dissipation : 소자 공급전압에 대한 전력손실

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Folded Cascode

• Common Source(위) - Common Gate(아래) 사이 노드를 접은 형태
  • 입력 NMOS > PMOS 쌍으로 변경
• 장점 : Voltage Swing 증가
• 단점 :
  • 출력저항 감소 > Gain 감소, 전류소모 증가
  • 분기점 증가 = 캐패시턴스 증가 > 응답속도 감소

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2단 Op-amp

• high gain과 high swing은 서로 trade-off
• 고이득 + 고스윙 opamp를 조합하여 trade-off관계 보완
• 공급전압이 제한되어 있는 상황에서 큰 gain이 요구되는 경우 효과적
• 단점 :
  • feedback 구성 시 불안정 위험
  • 대부분 주파수 보상 필요, 보상시 opamp 대비 보상을 위한 C소자 크기가 비대

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• 고이득 증폭기 모델
  

  

  • PMOS + NMOS로 Cascoding시 각각 전류원 + 전류원에 병렬인 저항으로 연결된 것과 같은 상태
  • 각 MOS 전류가 달라지면 그로 인한 전류차가 MOS 저항으로 흘러 출력전압이 불안정 ---ㅌㅎ `

Common Mode FeedBack(CMFB)

• 고이득 증폭기의 단점 완화
• 불안정에 의한 전압 차이를 보상
• CMFB 동작
  • Common Mode 전압 감지
    • 출력단 사이에 저항을 연결
      

      

      • Gain 감소를 방지하기 위해 출력저항보다 충분히 큰 저항 선정
    • Source Follower를 버퍼 역할로 하여 감지
      

      

      • DC level shift로 인해 저항 부담 경감
      • 단점 : Source Follower 회로 동작 조건으로 인해 출력 headroom이 손해를 봄
  • 감지한 출력전압을 지정한 $V_{REF}$와 비교
    • 비교회로는 보통 5TR opamp(최대한 단순화) 이용
    • 비교기 gain이 과도하면 발진 위험
  • 오차 전압을 반환

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Slew Rate

• opamp : 차동 전압(small-signal)에 기반한 출력
• 전압차이가 매우 커질 경우
  • 전압이 증가한 쪽은 급격한 전압 변화
  • 반대편은 C소자 특성에 의해 전압 변화가 상대적으로 느림
  • 전압이 증가한 쪽에 거의 모든 전류 할당
  • 반대편 트랜지스터는 사실상 OFF된 상태, C소자가 충전
  • 이 때 전압의 변화(기울기) 를 slew-rate라고 정의