Design of a fully-differential amplifier in 130nm technology for In-Probe Ultrasound Imaging Systems

Abstract

Denne masteroppgaven dekker design av to ulike fullt differensielle strømspeilforsterkere for In-probe ultralydavbildningssystemer. Begge forsterkerne er implementert i 130nm CMOS-teknologi. Det første designet består av et inverterbasert inngangstrinn og en NMOS strømspeilutgang. Det andre designet har også et inverter-basert inngangstrinn, men med en PMOS strømspeilutgang. For å analysere kretsene er det gjort hjørnesimuleringer, støy- og stabilitetsanalyser. En kapasitiv last på 1pF brukes ved utgangen av forsterkeren i alle simuleringene. Strømforsyningen er satt til 1.5V. For implementasjonen med NMOS strømspeilutgang oppnås en forsterkning på 70.7dB og en unity-gain frekvens på 582MHz. Den inngangsrefererte hvite støyen oppnår et resultat på 4.46nV/Hz^0.5 for den typiske hjørnesimuleringen. I denne oppgaven vil flimmerstøy ikke bli behandlet. Dette vil bli håndtert på systemnivå. En fasemargin på 50.2° oppnås. Strømforbruket er 1.59mW. Spesifikasjonene for forsterkning, unity-gain frekvens og støy oppnås i alle hjørner. Spesifikasjonene for fasemargin oppnås ikke for alle hjørner. For designet med PMOS strømspeilutgang viser simuleringen en forsterkning på 65dB. Unity-gain frekvensen oppnår et resultat på 610MHz. Den inngangsrefererte hvite støyen er 3.63nV/Hz^0.5, og fasemarginen er 56.8°. Strømforbruket til implementasjonen er 2.43mW. Spesifikasjonene for forsterkning, unity-gain frekvens, støy og fasemargin oppnås for alle hjørner.

The design of two different fully-differential current-mirror amplifiers for Inprobe Ultrasound Imaging Systems is covered in this master thesis. Both amplifiers are designed in 130nm CMOS technology. The first design consists of an inverter input stage and a NMOS current-mirror output. The second design is also an inverter input stage but with a PMOS current-mirror output. Corner simulations, noise and stability analysis are done for analysing the circuits. A capacitive load of 1pF is used at the output of the amplifier for all simulations. The power supply is set to 1.5V. For the design with a NMOS current-mirror output, a gain of 70.7dB and a unity-gain frequency of 582MHz is reached. The input-referred white noise achieves a result of 4.46nV/Hz^0,5 for the typical corner simulation. In this thesis flicker noise will not be dealt with. This will be handled on system level. A phase margin of 50.2° is received. The power consumption is 1.59mW. Over all corners, gain, unity-gain frequency and noise specifications can be achieved. The specifications for the phase margin can not be achieved over all corner. For the design with the PMOS current-mirror output, the simulation shows a gain of 65dB. The unity-gain frequency achieves a result of 610MHz. The input-referred white noise is 3.63nV/Hz^0,5 and the phase margin is 56.8°. The power consumption of the design is 2.43mW. Over all corners the gain, unitygain frequency, noise and phase margin specifications can be achieved.