Inverter-based OTA for a control bounded ADC

Abstract

Dette prosjektet tar for seg designet av en OTA i 22nm FDSOI teknologi. Hensikten er å lage en modul som skal brukes i en kontrolbegrenset analog-til-digital omformer. FDSOI er en transistor teknologi som gjør det mulig å skalere ned enheter i større grad enn det som er mulig med Bulk CMOS. Den store utfordringen med å skalere ned bulk CMOS er lekkasjestrømmer. FDSOI benytter et begravd oksidlag for å redusere dette. En kontrolbegrenset A/D omformer er bygd opp av en kjede av integratorer, med en digital kontroller koblet i en tilbakekoblingssløyfe. Hensikten er å kunne gjøre analog til digital omforming av svake signaler mer energi effektivt.

For å ta tak i dette ble en inverterer-basert pseudodifferensiell OTA laget. Fra de simulerte kretsimplementasjonene ble det funnet at forsterkeren hadde en DC forsterkning på 70.47dB, en frekvens for enhetsforsterkning på 720MHz, samt en inngangsreferert støy på 6.3nV/√(Hz) ved 1MHz i nominelt hjørne. I noen av prosesshjørnene klarte ikke forsterkeren å nå spesifikasjonene for forsterkning og båndbredde, men den nådde støykravet i alle hjørner. For å videre teste forsterkeren ble den implementert som utlegg. Den bruker et areal på 35 μm², og simuleringer av utlegget viste at den oppnådde en forsterkning på 66.61dB, en frekvens for enhetsforsterkning på 667.8MHz, samt en inngangsreferert støy på 6.3nV/√(Hz) ved 1MHz. Fremtidig forskning burde prøve å implementere en form for kompensasjonskrets for å redusere påvirkning av prosess variasjoner, for eksempel en adaptiv body-bias krets.

This project covers the design of an operational transconductance amplifier (OTA) in 22nm FDSOI technology, for the purpose of using it in a Control-bounded Analog-to-Digital converter. Fully depleted silicon on insulator (FDSOI) is a transistor technology that makes it possible to scale down devices further than traditional bulk CMOS. The big issue with scaling down bulk CMOS is leakage current. FDSOI uses a buried oxide layer to reduce this. Control-bounded ADCs are made up of a chain of integrators with a digital controller connected in feedback. The aim of the ADC is to make analog to digital conversion of weak signals more power-efficient.

To address this, an inverter-based pseudo-differential OTA was designed. The simulated circuit implementation shows that the amplifier, in the nominal corner, has a DC gain of 70.47dB, a unity gain frequency of 720MHz, and an input-referred noise of 6.3nV/√(Hz) at 1MHz. In some of the process corners, the amplifier does not meet the gain and bandwidth specifications, but it meets the noise requirement in all corners. To further test the circuit's performance, it was implemented in layout. It uses an area of 35 μm², and post-layout simulations showed that it achieved a DC gain of 66.61dB, a unity gain frequency of 667.8MHz, and an input-referred noise of 6.3nV/√(Hz) at 1MHz. Future research should try to implement a compensation circuit to reduce the effects of process variations, for example, by adding an adaptive body bias.