Design of Low-Voltage Bipolar Operational Amplifiers

طراحی تقویت‌کننده‌های عملیاتی دوقطبی ولتاژ پایین در مورد مدارهای فرعی لازم برای ساخت یک تقویت‌کننده عملیاتی ولتاژ پایین بحث می‌کند. این مراحل شامل مراحل ورودی ریل به ریل، مراحل خروجی ریل به ریل، مراحل میانی، مدارهای حفاظتی و تکنیک های جبران فرکانس می باشد. از هر یک از این موارد، پیاده سازی های مختلفی مورد بررسی قرار می گیرد. علاوه بر این، این کتاب در مورد تحقق تقویت کننده ها در سیلیکون بحث می کند.
طراحی و اجرای تقویت کننده های عملیاتی دوقطبی ولتاژ پایین (OpAmps) به طور کامل ارائه شده است. ولتاژ تغذیه پایین ضروری است زیرا تمایل به اجزای تراشه با ابعاد کوچکتر، ولتاژ شکست این قطعات را کاهش می دهد. علاوه بر این، ولتاژ منبع تغذیه پایین مطلوب است زیرا عملکرد OpAmp را تنها از یک سلول باتری تکی امکان پذیر می کند. فناوری دوقطبی انتخاب شده است، زیرا برای کار در ولتاژهای پایین نسبت به فناوری MOS مناسب‌تر است.
ولتاژ ورودی حالت مشترک OpAmp باید بتواند هر مقداری را داشته باشد که در محدوده ولتاژ منبع تغذیه باشد. مراحل ورودی مورد بحث قرار می گیرند که می توانند این را در ولتاژهای تغذیه تا 1.8 ولت و همچنین تا 1 ولت درک کنند. ولتاژ خروجی OpAmp باید بتواند هر مقداری را در محدوده ولتاژ تغذیه داشته باشد. یکی از مراحل خروجی 1 ولتی که مورد بحث قرار گرفت، مرحله خروجی مبتنی بر چند مسیر است، همچنین دارای پهنای باند بالا با بهره بالا است.
علاوه بر مرحله ورودی و خروجی، OpAmp شامل یک مرحله میانی است، بین مرحله ورودی و مرحله خروجی، برای افزایش بهره کلی OpAmp، و یک کنترل جریان کلاس AB.
یک تکنیک جبران فرکانس برای جدا کردن فرکانس‌های قطب در تابع انتقال استفاده می‌شود. نقطه ضعف این جبران تودرتو میلر این است که پهنای باند حاصل دو برابر کاهش می یابد. بنابراین، یک روش جدید، جبران چند مسیر محور میلر، که این اشکال را ندارد، معرفی شده است.
چندین تحقق ارزیابی شده و یک رقم شایستگی برای مقایسه عملکرد OpAmps تعریف شده است. یکی از OpAmp ها با منبع تغذیه 1 ولت کار می کند، دارای پهنای باند 3.4 مگاهرتز با بار 100 pF و دارای 700 است.

Design of Low-Voltage Bipolar Operational Amplifiers discusses the sub-circuits necessary to build a low-voltage operational amplifier. These include rail-to-rail input stages, rail-to-rail output stages, intermediate stages, protection circuitry and frequency compensation techniques. Of each of these, various implementations are examined. Furthermore, the book discusses realizations in silicon of the amplifiers.
The design and implementation of low-voltage bipolar Operational Amplifiers (OpAmps) is fully presented. A low supply voltage is necessary because the tendency towards chip components of smaller dimensions lowers the breakdown voltage of these components. Further, a low supply voltage is favorable because it enables operation of the OpAmp from just one single battery cell. The bipolar technology is chosen, because it is more suited for operation at low-voltages than the MOS technology.
The common-mode input voltage of the OpAmp must be able to have any value that fits within the supply voltage range. Input stages are discussed which are able to realize this at supply voltages down to 1.8 V, as well as down to 1 V.
The output voltage of the OpAmp must be able to have any value within the supply voltage range. One of the 1 V output stages that is discussed, the multi-path driven output stage, also has a high bandwidth with a high gain.
In addition to the input and output stage, the OpAmp comprises an intermediate stage, between the input stage and the output stage, to boost the overall gain of the OpAmp, and a class AB current control.
A frequency compensation technique is used to split apart the pole frequencies in the transfer function. A disadvantage of this nested Miller compensation, is that the resulting bandwidth is reduced by a factor of two. A new method, multi-path-driven Miller compensation, which does not have this drawback, is therefore introduced.
Several realizations are evaluated and a figure of merit is defined for the performance comparison of the OpAmps. One of the OpAmps operates at a 1 V supply, has a 3.4 MHz bandwidth with a 100 pF load and has a 700 &mgr;A supply current.
The book is an excellent reference for professional designers of amplifiers and may be used as a text for advanced courses on the subject.