Um amplificador de transcondutância CMOS em ultra baixa-tensão e ultra baixa-potência para aplicações Gm-C em baixa frequência.

Abstract

Este trabalho descreve o desenvolvimento e a implementação de um amplificador operacional de transcondutância (OTA) simétrico modificado, baseado na topologia do OTA simétrico tradicional. Suas aplicações destinam-se a sistemas que operam em ultra baixa tensão, ultra baixa potência e, especialmente, filtros Gm-C, devido à sua baixa transcondutância. A arquitetura desenvolvida é baseada no uso de transistores MOS tradicionais e compostos polarizados para operar no modo de inversão fraca, o que permite a operação em ultra-baixa tensão e ultra-baixa potência, com correntes de polarização na faixa de dezenas de nanoampére [nA] e tensão de alimentação abaixo de 1 volt. O par diferencial de entrada é acionado pelo substrato (bulk-driven), o que confere ao circuito menor transcondutância, maior linearidade e excursão pólo-a-pólo do sinal de entrada sem a necessidade de se utilizar configurações complexas, quando comparado aos OTAs tradicionais. Nesta configuração, a relação sinal-ruído (SNR) é a mesma que na configuração acionada pelo gate, uma vez que o aumento da linearidade do sinal de entrada dá-se na mesma proporção do aumento do ruído apresentado pelo par diferencial acionado pelo substrato. A topologia simétrica do OTA resulta em ganhos de malha aberta na faixa de dezenas de decibéis com apenas um estágio e sem a necessidade de utilização de malhas de compensação RC do tipo Miller, que ocupam área adicional de silício. A reunião dessas implementações em uma nova topologia, aqui denominada de “OTA simétrico modificado” permitiu a obtenção de um OTA com as características desejáveis para implementação de circuitos com grandes constantes de tempo, como filtros Gm-C e geradores de rampa para testes de conversores Analógico para Digital. O circuito foi fabricado utilizando um processo CMOS 0,35 μm da empresa TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) e apresentou um ganho de malha aberta de 61 dB, frequência de ganho unitário de 195 Hz e um consumo de 40 nW para uma tensão de alimentação de 800 mV, ocupando uma área de 0,04 mm2.