JP2002324097A - Design system and method for cmos operational amplifier - Google Patents

Design system and method for cmos operational amplifier

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JP2002324097A
JP2002324097A JP2001128176A JP2001128176A JP2002324097A JP 2002324097 A JP2002324097 A JP 2002324097A JP 2001128176 A JP2001128176 A JP 2001128176A JP 2001128176 A JP2001128176 A JP 2001128176A JP 2002324097 A JP2002324097 A JP 2002324097A
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operational amplifier
design
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current
capacitance
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Application number
JP2001128176A
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Japanese (ja)
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Katsuhiro Furukawa
且洋 古川
Yoichiro Kobayashi
洋一郎 小林
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a design system for CMOS operational amplifier capable of achieving automatically design of a circuit-component-level from a desired amplifier function. SOLUTION: In the system acquiring a design constant of a CMOS operational amplifier equivalent in AC to a circuit composed of each output node of cascade connected 2 stages amplifying-circuit is connected via a phase compensation capacitance, a means to input a DC gain a0 of operational amplifier, a unity gain frequency fT, a phase allowance ϕ, and an S/N α as characteristic parameters necessary to calculate and a calculation means to acquire design constants of each constituent component of the amplifier based on a predetermined algorism and optimize the constants based on the predetermined evaluation factors are comprised.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、オペアンプ特に
CMOS(相補型MOSトランジスタ)からなるオペア
ンプの設計システムおよび設計方法に関し、アナログ・
デジタル混載のLSI(集積回路)の設計に適用して有
用な技術に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a design system and method for an operational amplifier, particularly an operational amplifier comprising a CMOS (complementary MOS transistor).
The present invention relates to a technique that is useful when applied to the design of a digitally embedded LSI (integrated circuit).

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、複数の機能を1チップのLSIで
実現するため、同一チップ上にアナログ回路とデジタル
回路とを混載したLSIの必要性が増し、このようなL
SIにおいて目覚しい発展がみられている。
2. Description of the Related Art In recent years, in order to realize a plurality of functions with a single-chip LSI, the necessity of an LSI in which an analog circuit and a digital circuit are mixed on the same chip has increased.
Significant developments have been seen in SI.

【0003】以前より、デジタルLSIの分野では、I
PコアモジュールやRAMモジュールなどデバイスメー
カー側から提供される論理設計済みの機能回路(マクロ
セルとも呼ばれる)や、例えば機能レベルや論理レベル
までの設計をゲートレベルやマスクパターンのレイアウ
トレベルまで自動的に展開する設計ツールと呼ばれる設
計支援プログラムなどを使用することで、LSI設計を
比較的容易に行うことが可能になっている。
Conventionally, in the field of digital LSI, I
Logic circuits (also called macrocells) provided by device manufacturers, such as P-core modules and RAM modules, that have already been logically designed, and designs up to, for example, functional levels and logical levels are automatically expanded to gate-level and mask-pattern layout levels. By using a design support program or the like called a design tool, it is possible to relatively easily perform LSI design.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アナロ
グ・デジタル混載LSIの分野では、アナログ回路の設
計自由度がデジタル回路に比べて著しく大きいなどの理
由により、所望の性能を満足するアナログ回路を素子レ
ベルまで自動的に展開してくれるような便利な設計ツー
ルは存在せず、アナログ回路の設計はアナログ・デジタ
ル混載LSIの設計者にとって大きな障壁となってい
る。特に、ほとんどのアナログ回路に利用されるオペア
ンプの設計においてこれらのことが顕著に現れている。
However, in the field of analog / digital mixed LSIs, analog circuits satisfying desired performance are required at the element level because the degree of freedom in designing analog circuits is significantly greater than that of digital circuits. There is no convenient design tool that automatically expands to this point, and analog circuit design is a major barrier for designers of mixed analog / digital LSIs. In particular, these are remarkable in the design of an operational amplifier used for most analog circuits.

【0005】オペアンプを代表とするアナログ回路の従
来の設計方法としては、例えば、回路素子のパラメータ
を変更しながら、回路素子レベルでの数値解析やシミュ
レーションを繰り返して所望の性能を満たすようにして
いく方法がほとんどであり、豊富な経験や高度な設計ノ
ウハウを必要とするものであった。
As a conventional design method of an analog circuit represented by an operational amplifier, for example, a numerical analysis and a simulation at a circuit element level are repeated while changing parameters of the circuit element to satisfy a desired performance. Most of the methods required a lot of experience and advanced design know-how.

【0006】現在、有線並びに無線伝送を行う通信用L
SIや家庭用電気製品、自動車などの制御回路におい
て、アナログ・デジタル混成LSIの需要は大きく増し
ており、それに対して、アナログ回路の設計者はデジタ
ル回路の設計者に対して著しく不足している状況にあ
る。それゆえ、アナログ回路の設計を容易する設計ツー
ルの開発が望まれている。
At present, a communication L for performing wired and wireless transmissions
In control circuits for SI, home electric appliances, automobiles, etc., the demand for analog / digital hybrid LSIs has greatly increased, while analog circuit designers are significantly short of digital circuit designers. In the situation. Therefore, development of a design tool that facilitates the design of an analog circuit is desired.

【0007】この発明の目的は、要求されるアンプ性能
から回路素子レベルの設計を自動的に行うCMOSオペ
アンプの設計システムおよびその設計アルゴリズムを備
えたソフトウェイを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a CMOS operational amplifier design system for automatically designing a circuit element level based on required amplifier performance, and a softway including the design algorithm.

【0008】この発明の前記ならびにそのほかの目的と
新規な特徴については、本明細書の記述および添附図面
から明らかになるであろう。
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のと
おりである。
The outline of a typical invention among the inventions disclosed in the present application is as follows.

【0010】すなわち、縦続接続された2段の増幅回路
の各出力ノード間を位相補償容量を介して接続してなる
回路とAC的に等価なCMOSオペアンプの設計定数を
求めるCMOSオペアンプの設計システムであって、演
算に必要な特性パラメータとして、オペアンプのDCゲ
インa0、ユニィティーゲイン周波数fT、位相余裕φ、S
N比α、を入力する手段と、演算に必要なデバイスパラ
メータとして、電源電圧VDD、NチャネルMOSとP
チャネルMOSのしきい値電圧Vth(n),Vth(p)、電圧−
電流利得比β(n),β(p)、チャネル変調パラメータ
λ(n),λ(p)、フリッカノイズ係数k(n),k(p)、単位
ゲート容量Cox、単位拡散容量Cd、単位ゲート・ソース
間容量Cgs、単位ゲート・ドレイン間容量Cgd、を入力
する手段と、CMOSオペアンプに係る所定の物理量
(例えば占有面積や消費電力)を表す評価関数を設定す
る手段と、上記特性パラメータ、デバイスパラメータ、
および、次の1〜6の条件から導かれるアルゴリズム、
および、上記評価関数に基づき設計定数を最適化するア
ルゴリズムに基づいて上記CMOSオペアンプの各構成
素子の設計定数を求める演算手段とを備えるものであ
る。
That is, a CMOS operational amplifier design system for obtaining a design constant of a CMOS operational amplifier which is equivalent to an AC operational amplifier with a circuit formed by connecting each output node of a cascade-connected two-stage amplifier circuit via a phase compensation capacitor. Then, as the characteristic parameters required for calculation, DC gain a 0 of the operational amplifier, unity gain frequency fT, phase margin φ, S
Means for inputting the N ratio α, and power supply voltage VDD, N channel MOS and P
Threshold voltage Vth (n), Vth (p) of channel MOS, voltage −
Current gain ratio β 0 (n), β 0 (p), channel modulation parameters λ (n), λ (p), flicker noise coefficient k (n), k (p), unit gate capacitance Cox, unit diffusion capacitance Cd Means for inputting a unit gate-source capacitance Cgs and a unit gate-drain capacitance Cgd; means for setting an evaluation function representing a predetermined physical quantity (for example, occupied area or power consumption) of the CMOS operational amplifier; Parameters, device parameters,
And an algorithm derived from the following conditions 1 to 6,
And calculating means for obtaining a design constant of each component of the CMOS operational amplifier based on an algorithm for optimizing the design constant based on the evaluation function.

【0011】1.位相補償容量CC = ( C1・C2・tan(φ)
/2)(1/2) , C1:初段の増幅回路の出力負荷容量、 C2:第2段目の増幅回路の出力負荷容量 2.合計電流Itotalに対する位相補償容量CCの感度が最
小、 ∂Itotal(CC)/∂(CC) = 0 3.ユニィティーゲイン周波数fTと初段の増幅回路の電
流Ids3との関係式、 Ids3 = πCC・fT・VE, VE:実効バイアス電圧 4.初段の増幅回路の利得a1と第2段の増幅回路の利得
a2とが等しい、 a1 = a2 = (a0)(1/2) 5.初段の増幅回路に流れる電流gm3と第2段の増幅回
路に流れる電流gm8の電流比nの条件式、 n = gm8/gm3 = [(C1C2 + C2CC + CCC1)/CC 2]・tan(φ) 6.実効バイアス電圧VE ≦ 2/((a0)(1/2)・λ(n//
p)), λ(n//p):λ(n//p) = λ(n/p) + λ(p/n), λ(n/p):飽和領域におけるnチャネルMOSのチャネ
ル変調パラメータ、 λ(p/n):飽和領域におけるpチャネルMOSのチャネル
変調パラメータ
1. Phase compensation capacitance C C = (C 1・ C 2・ tan (φ)
/ 2) (1/2) , C 1 : output load capacitance of first stage amplifier circuit, C 2 : output load capacitance of second stage amplifier circuit 2. The sensitivity of the phase compensation capacitor C C to the total current I total is the minimum, ∂I total (C C ) / ∂ (C C ) = 0. Relation between the current Ids 3 uni I tee gain frequency fT and the first-stage amplifier circuit, Ids 3 = πC C · fT · VE, VE: the effective bias voltage 4. The gain a 1 of the first stage amplifier and the gain of the second stage amplifier
a 2 are equal, a 1 = a 2 = ( a 0) (1/2) 5. Conditional expression of the current ratio n of the current gm 3 flowing through the first stage amplifier circuit and the current gm 8 flowing through the second stage amplifier circuit, n = gm 8 / gm 3 = [(C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) / C C 2 ] · tan (φ) Effective bias voltage VE ≤ 2 / ((a 0 ) (1/2)・ λ (n //
p)), λ (n // p): λ (n // p) = λ (n / p) + λ (p / n), λ (n / p): channel modulation of n-channel MOS in the saturation region Parameter, λ (p / n): p-channel MOS channel modulation parameter in the saturation region

【0012】このような手段の演算アルゴリズムによれ
ば、オペアンプの仕様となるDCゲイン、SN比、ユニ
ティーゲイン周波数、および位相余裕を満たし、更に、
評価関数(例えば消費電力、オペアンプの占有面積)の
特性を最良とする設計定数を自動的に導き出すことがで
きる。従って、例えば、デジタル・アナログ混載LSI
の設計効率を各段に向上させることが出来る。
According to the operation algorithm of such means, the DC gain, the SN ratio, the unity gain frequency, and the phase margin, which are the specifications of the operational amplifier, are satisfied.
It is possible to automatically derive a design constant that optimizes the characteristics of the evaluation function (for example, power consumption and occupied area of the operational amplifier). Therefore, for example, a digital / analog mixed LSI
Can be improved in each stage.

【0013】また、LSIシステムに要求されるアンプ
特性を入力して、その特性を満たすように自動設計する
設計アルゴリズムなので、LSIのシステム設計やシス
テムシミュレーションを行う際に、そのアンプ特性によ
り設計やシミュレーションを容易に行うことができる。
Since the design algorithm automatically inputs the amplifier characteristics required for the LSI system and satisfies the characteristics, the design and simulation are performed based on the amplifier characteristics when performing the LSI system design and system simulation. Can be easily performed.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施例を図
面を参照しながら説明する。図1には、本発明に係る設
計ツール(以下、アンプソフトIPと称する)を適用し
たアナログ・デジタル混載LSIの設計フローの一例を
示す。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an example of a design flow of an analog / digital mixed LSI to which a design tool (hereinafter, referred to as amplifier software IP) according to the present invention is applied.

【0015】アナログ・デジタル混載LSIの設計の流
れは、その設計思想により一様ではないが、例えば、
1.マクロモデル、ビヘイビアモデル、機能モデルと呼
ばれる高位記述(例えば「VHDL−AMS:IEEE Sta
ndard VHDL 1067.1」、「Verilog−AM
S」)、2.高位記述によるシステムの伝達関数展開
(発見的単純化記述を含む)、3.具体的な回路記述、
4.レイアウト展開(レイアウト合成とも云う)などに
よる4つの設計ステップS1〜S4に階層化される。ま
た、設計検証はこの設計の流れの逆をたどるように行わ
れる。
The design flow of an analog / digital mixed LSI is not uniform due to its design concept.
1. High-level descriptions called macro models, behavior models, and function models (for example, “VHDL-AMS: IEEE Sta
ndard VHDL 1067.1 "," Verilog-AM
S "), 2. 2. Transfer function expansion of system by high-order description (including heuristic simplification description) Specific circuit description,
4. It is hierarchized into four design steps S1 to S4 by layout development (also called layout synthesis). The design verification is performed in such a manner as to reverse the flow of the design.

【0016】すなわち、図1の設計フローに示すよう
に、システム設計者は、システム仕様R1、それに必要
なLSI仕様R2、次いでそれを満足するデジタル回路
の論理仕様R3とアナログ回路の仕様R4とを決定して
いく。そして、デジタル回路側においては、上記論理仕
様R3を高位言語で記述し、デジタル回路のライブラリ
10と論理合成ツールを用いて論理合成S5を行う。そ
して、上記階層的なモデル設計により具体的な回路レベ
ルのネットリストNL1を作成していく。
That is, as shown in the design flow of FIG. 1, the system designer specifies a system specification R1, an LSI specification R2 necessary for the system specification R1, a digital circuit logical specification R3 satisfying the system specification R1, and an analog circuit specification R4. I will decide. On the digital circuit side, the logic specification R3 is described in a high-level language, and logic synthesis S5 is performed using the digital circuit library 10 and a logic synthesis tool. Then, a specific circuit-level netlist NL1 is created by the hierarchical model design.

【0017】アナログ回路側では、上記アナログ仕様を
高位言語で記述した後、アナログ回路のライブラリ11
を用いてアナログ回路のアーキテクチャレベルへと展開
する回路合成S6を行う。それと平行して、本発明に係
るアンプソフトIP12により、アーキテクチャレベル
に回路合成されたオペアンプの構成MOSのサイズや位
相補償容量の容量値が、上記アナログ仕様R4から決定
されるオペアンプ性能とデバイスベンダーから提示され
る素子のパラメータR5に基づき計算が行われる。そし
て、それにより、アナログ回路側でも、各素子のサイズ
等の情報を含んだ素子レベルのネットリストNL2が得
られる。
On the analog circuit side, after describing the analog specifications in a high-level language, the analog circuit library 11
Is used to perform a circuit synthesis S6 that expands to an analog circuit architecture level. In parallel with this, the size of the constituent MOS of the operational amplifier and the capacitance value of the phase compensation capacitance that are synthesized at the architecture level by the amplifier software IP12 according to the present invention are determined by the operational amplifier performance determined by the analog specification R4 and the device vendor. The calculation is performed based on the presented parameter R5 of the element. As a result, an element-level netlist NL2 including information such as the size of each element is obtained on the analog circuit side.

【0018】そして、これらアナログとデジタルのネッ
トリストNL1,NL2から、マスクパターンのレイア
ウト展開が行われる。
The layout of the mask pattern is developed from the analog and digital netlists NL1 and NL2.

【0019】レイアウト展開がなされたら、次に、上記
階層的な設計の流れの逆をたどるように、レイアウトモ
デルから個々のブロックを抽出し、MOSの寄生容量な
どアナログの追加情報、並びに、実際の半導体製造プロ
セスや使用環境のことを考慮したパラメータ変動範囲を
指定してアナログ・デジタル混合の回路シミュレーショ
ンS7を行い、LSI仕様を満たしているか検証する。
After the layout has been developed, the individual blocks are extracted from the layout model so as to reverse the flow of the hierarchical design, and analog additional information such as the parasitic capacitance of the MOS and the actual information are added. An analog / digital mixed circuit simulation S7 is performed by designating a parameter variation range in consideration of a semiconductor manufacturing process and a use environment to verify whether the LSI specification is satisfied.

【0020】この回路シミュレーションで変動範囲が指
定されるパラメータとしては、電源電圧範囲や動作温度
範囲など、顧客側の使用環境に関するパラメータと、半
導体の製造ばらつきに基づく種々のデバイスパラメータ
などがある。
The parameters for which the fluctuation range is specified in the circuit simulation include parameters relating to the usage environment on the customer side, such as a power supply voltage range and an operating temperature range, and various device parameters based on semiconductor manufacturing variations.

【0021】なお、動作確認が完了したら、上記アンプ
ソフトIPにより求められたパラメータをアナログ回路
のライブラリへ登録しておくと良い。登録するパラメー
タは、例えば、オペアンプの伝達関数定数、アンプ回路
図、オペアンプの各設計定数、バイアス電圧と許容変動
範囲などである。
When the operation check is completed, the parameters obtained by the amplifier software IP are preferably registered in a library of an analog circuit. The registered parameters include, for example, the transfer function constant of the operational amplifier, the amplifier circuit diagram, each design constant of the operational amplifier, the bias voltage and the allowable variation range.

【0022】次に、本発明に係る上記アンプソフトIP
を用いたCMOSオペアンプの設計手順について説明を
行う。図2には、このアンプソフトIPで設計対象とな
る基本的な2段CMOSオペアンプの構成図を、図3に
はこのCMOSオペアンプのAC等価回路の回路図を示
す。
Next, the amplifier software IP according to the present invention
The design procedure of the CMOS operational amplifier using the above will be described. FIG. 2 is a configuration diagram of a basic two-stage CMOS operational amplifier to be designed with the amplifier software IP, and FIG. 3 is a circuit diagram of an AC equivalent circuit of the CMOS operational amplifier.

【0023】この実施例のアンプソフトIPでは、図2
に示される回路構成を有したオペアンプを設計対象とし
ている。すなわち、MOSトランジスタM1〜M5から
なる差動増幅段、MOSトランジスタM7,M8からな
る出力段がカスケード接続され、差動増幅段の出力ノー
ドと出力段の出力ノードとの間に位相補償容量Ccが接
続されてなる、2段構成のCMOSオペアンプである。
そして、システム設計者から要求される所定の特性パラ
メータと、半導体ベンダーから提供される所定のデバイ
スパラメータとを入力し、更に、アンプの設計定数を最
適化する所定の評価関数を選択することで、上記CMO
Sオペアンプの各MOSトランジスタM1〜M5,M
7,M8のゲート長とゲート幅、並びに、位相補償容量
Ccの容量値とが自動的に算出されるようになってい
る。
In the amplifier software IP of this embodiment, FIG.
An operational amplifier having the circuit configuration shown in FIG. That is, the differential amplification stage including the MOS transistors M1 to M5 and the output stage including the MOS transistors M7 and M8 are cascaded, and the phase compensation capacitance Cc is provided between the output node of the differential amplification stage and the output node of the output stage. It is a two-stage CMOS operational amplifier connected.
Then, by inputting a predetermined characteristic parameter required by a system designer and a predetermined device parameter provided by a semiconductor vendor, and further selecting a predetermined evaluation function for optimizing a design constant of the amplifier, The above CMO
MOS transistors M1 to M5, M of S operational amplifier
7, the gate length and gate width of M8, and the capacitance value of the phase compensation capacitance Cc are automatically calculated.

【0024】このようなアンプソフトIPは、例えば、
ワークステーションやパーソナルコンピュータに、後述
の設計アルゴリズムを有するソフトウェアを実行させる
ことにより構成されるものである。
Such amplifier software IP is, for example,
It is configured by causing a workstation or a personal computer to execute software having a design algorithm described later.

【0025】システム設計者により、アンプソフトIP
を搭載したコンピュータのキーボードなどから入力され
る所定の特性パラメータは、オペアンプのDCゲインa0
(dB)、ユニティーゲイン周波数fT(MHz)、位相余裕φ(de
gree)、入力信号振幅Vin(V)、SN比α(dB)、信号周波
数帯域B(kHz)、出力負荷容量Cout(pF)である。
[0025] The system designer specifies the amplifier software IP
The predetermined characteristic parameter input from a keyboard or the like of a computer equipped with is a DC gain a 0 of an operational amplifier.
(dB), unity gain frequency fT (MHz), phase margin φ (de
gree), input signal amplitude Vin (V), SN ratio α (dB), signal frequency band B (kHz), and output load capacitance Cout (pF).

【0026】これらの特性パラメータは、図1に示した
LSIの設計フローにおいて、アナログ仕様から回路合
成を進める過程でシステム設計者が決定するのが一般的
であるが、これらのパラメータが不明の場合には、シス
テム設計者と回路設計者の共同作業によりパラメータを
決定する。また、この時点で、動作温度や電源電圧のば
らつき幅など、回路シミュレーションの回路動作検証に
必要な使用環境パラメータについても決定しておくと良
い。さらに、目標とすべきシステム仕様(例えば消費電
力など)があればそれらも明確化しておくと良い。
In the LSI design flow shown in FIG. 1, these characteristic parameters are generally determined by a system designer in the course of proceeding with circuit synthesis from analog specifications, but when these parameters are unknown. In, parameters are determined by joint work of a system designer and a circuit designer. At this time, it is also preferable to determine the use environment parameters required for the circuit operation verification of the circuit simulation, such as the operating temperature and the variation width of the power supply voltage. Furthermore, if there is a system specification to be targeted (for example, power consumption), it is better to clarify them.

【0027】半導体ベンダーから提供されるデバイスパ
ラメータは、電源電圧VDD、NチャネルMOSとPチ
ャネルMOSのしきい値電圧Vth(n),Vth(p)、電圧−電
流利得比β(n),β(p)、チャネル変調パラメータλ
(n),λ(p)、フリッカノイズ係数k(n),k(p)、単位ゲ
ート容量Cox、単位拡散容量Cd、単位ゲート・ソース間
容量Cgs、単位ゲート・ドレイン間容量Cgdである。
The device parameters provided by the semiconductor vendor include power supply voltage VDD, threshold voltages Vth (n) and Vth (p) of N-channel MOS and P-channel MOS, voltage-current gain ratio β 0 (n), β 0 (p), channel modulation parameter λ
(n), λ (p), flicker noise coefficients k (n), k (p), unit gate capacitance Cox, unit diffusion capacitance Cd, unit gate-source capacitance Cgs, and unit gate-drain capacitance Cgd.

【0028】上記所定の評価関数は、例えば、CMOS
オペアンプのチップ占有面積最小、消費電力最小などを
評価する関数であり、登録された幾つかの評価関数の中
から1つが選択される。
The predetermined evaluation function is, for example, a CMOS
This is a function for evaluating the minimum chip occupied area of the operational amplifier, the minimum power consumption, and the like. One of several registered evaluation functions is selected.

【0029】また、回路設計者は、オペアンプ設計に用
いられるデバイスモデル(例えばMOSノイズモデルな
ど)に合致するように、オペアンプに使用する最小MO
Sのゲート長を指定してアンプソフトIPに登録してお
く。
Further, the circuit designer must use the minimum MO used in the operational amplifier to match the device model (eg, MOS noise model) used in the operational amplifier design.
The gate length of S is designated and registered in the amplifier software IP.

【0030】アンプソフトIPは、上記のパラメータ入
力と評価関数の選択とがユーザにより行われると、次に
示すステップ1〜ステップ9からなる設計アルゴリズム
により、図2のオペアンプを構成する各MOSトランジ
スタM1〜M5,M7,M8のゲートサイズと位相補償
容量の容量値を演算し出力する。
When the above-described parameter input and selection of the evaluation function are performed by the user, the amplifier software IP uses the design algorithm consisting of the following steps 1 to 9 to make each MOS transistor M1 constituting the operational amplifier of FIG. Calculate and output the gate size of .about.M5, M7, M8 and the capacitance value of the phase compensation capacitance.

【0031】ステップ1:上記登録された最小MOSの
ゲート長をL1fixとする。 ステップ2:最大の実効バイアス電圧VEmaxを次のよう
に決定する。 VEmax = 2/((a0)(1/2)・λ(n//p)) ここで、λ(n//p) = λ(n/p) + λ(p/n) λ(n/p)とλ(p/n)は、飽和領域におけるnチャネルMO
SとpチャネルMOSのチャネル長変調パラメーターで
ある。
Step 1: The gate length of the registered minimum MOS is set to L1fix . Step 2: The maximum effective bias voltage VEmax is determined as follows. VEmax = 2 / ((a 0 ) (1/2)・ λ (n // p)) where λ (n // p) = λ (n / p) + λ (p / n) λ (n / p) and λ (p / n) are the n-channel MO in the saturation region.
These are channel length modulation parameters of S and p channel MOS.

【0032】ステップ3:補正前の実効バイアス電圧を
VE (m)とする。ここで、mはこのステップ3が繰り返さ
れる毎に1加算されていく整数のインデックス数であ
る。初期の実効バイアス電圧はVE (0) = VEmaxとする。
Step 3: The effective bias voltage before correction is
VE (m). Here, m is an integer index number that is incremented by one each time this step 3 is repeated. The initial effective bias voltage is VE (0) = VEmax.

【0033】ステップ4:入力信号振幅Vinが次の条
件を満たすかチェックする。 Vin2 > 10(α/10)・ 16kT/(3・β0(n/p)・η・VE)
Step 4: Check whether the input signal amplitude Vin satisfies the following condition. Vin 2 > 10 (α / 10)・ 16kT / (3 ・ β 0 (n / p) ・ η ・ VE)

【0034】ステップ5:差動段と出力段の出力容量を
C1(k),C2(k)とする。ここで、kはこのステップ5が繰
り返される毎に1加算されていくインデックス数であ
る。初期の出力容量はC1(0),C2(0) = Coutとする。
Step 5: Output Capacities of Differential Stage and Output Stage
C 1 (k), and C 2 (k). Here, k is the index number that is incremented by one each time this step 5 is repeated. The initial output capacitance is C 1 (0), C 2 (0) = Cout.

【0035】そして、このステップS5により、次の1
〜3の結果を導き出す。 1.ユニティーゲイン周波数fTを実現する差動段の電流
Ids3(k)、MOSトランジスタM3のゲート幅Wとゲ
ート長Lとの比η(k)(=W3/L3)の関係式。 Ids3(k) = πCC(k)・fT・VE, η(k) = W3/L3 = Ids3/[ (1/2)・β0(n/p)・VE2・( 1 +
λ(n/p)Vds3)] 2.SN比αから差動段のMOSトランジスタM1〜M
5のゲート長およびゲート幅を、Ids3(k)、η(k)、電流
分布比n(k)を用いて表した式。これらの式は、MOS
のノイズモデルに基づく計算により得られる。(理論説
明で詳述する) 3.位相補償容量CC(k)と電流分布比n(k)とを補正前の
位相補償容量CC(k)と位相余裕φとを用いて表した式。 CC(k) = ( C1(k)・C2(k)・tan(φ)/2)(1/2), n(k) = [(C1(k)C2(k)+ C2(k)CC(k) + CC(k)C1(k))/( CC
(k)2 )]・tan(φ)
Then, in step S5, the next 1
結果 3. 1. Differential stage current to achieve unity gain frequency fT
Ids 3 (k), a relational expression of the ratio η (k) (= W 3 / L 3 ) between the gate width W 3 and the gate length L 3 of the MOS transistor M3. Ids 3 (k) = πC C (k) · fT · VE, η (k) = W 3 / L 3 = Ids 3 / [(1/2) · β 0 (n / p) · VE 2 · (1 +
λ (n / p) Vds 3 )] From the SN ratio α, the MOS transistors M1 to M in the differential stage
An expression in which the gate length and gate width of No. 5 are expressed using Ids 3 (k), η (k), and current distribution ratio n (k). These equations are
Is obtained by calculation based on the noise model. (Detailed in the theoretical explanation) Equation for expressing the phase compensation capacitance C C (k) and the current distribution ratio n (k) using the phase compensation capacitance C C (k) before correction and the phase margin φ. C C (k) = (C 1 (k) ・ C 2 (k) ・ tan (φ) / 2) (1/2) , n (k) = [(C 1 (k) C 2 (k) + C 2 (k) C C (k) + C C (k) C 1 (k)) / (C C
(k) 2 )] ・ tan (φ)

【0036】ステップ6:MOSサイズの公式から、次
の1〜3の場合に分けて、全てのMOSトランジスタM
1〜M5,M6,M7のゲート長L1〜L5,L7,L
8とゲート幅W1〜W5,W7,W8を求める。先ず、
1〜3の何れの場合でも次式は成り立つ。 L3fix = [(Kf(Br)/η)/(Vin2・10(-α/10) - Kth(B)/
η)](1/2), W3fix = η・L3fix
Step 6: From the MOS size formula, all the MOS transistors M are divided into the following cases 1 to 3.
Gate lengths L1 to L5, L7, L of 1 to M5, M6, M7
8 and gate widths W1 to W5, W7, W8. First,
In any of the cases 1 to 3, the following expression holds. L 3fix = [(Kf (B r ) / η) / (Vin 2・ 10 (-α / 10) -Kth (B) /
η)] (1/2) , W 3fix = η ・ L 3fix

【0037】1.入力MOSがNチャネルのタイプでβ
r(n/p) > 1の場合 ここで、βr(n/p)は、NチャネルMOSのβ0とPチャ
ネルMOSβ0との比である。 L1 = L7 = L8 = L1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = (1/βr(n/p))・L3fix, W1 = 2(L1fix /L3fix)・W3fix, W2 = W3 = W3fix, W4 = W5 = W3fix, W7 = n・(L1fix/L3fix)・W3fix, W8 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・W3fix
1. Input MOS is N-channel type and β
Here the case of r (n / p)> 1 , βr (n / p) is the ratio of the beta 0 and P-channel MOSbeta 0 of N-channel MOS. L1 = L7 = L8 = L1fix , L2 = L3 = L3fix , L4 = L5 = (1 / βr (n / p)) · L3fix , W1 = 2 ( L1fix / L3fix ) · W3fix , W2 = W3 = W 3fix , W4 = W5 = W 3fix , W7 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ W 3fix , W8 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ W 3fix

【0038】2.入力MOSがPチャネルのタイプでβ
r(n/p) < 1の場合 L1 = L7 = L8 = L1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = L3fix, W1 = 2(L1fix /L3fix)・W3fix, W2 = W3 = W3fix, W4 = W5 = βr(n/p)・W3fix, W7 = n・(L1fix/L3fix)・W3fix, W8 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・W3fix
2. Input MOS is P-channel type and β
If r (n / p) <1, L1 = L7 = L8 = L1fix , L2 = L3 = L3fix , L4 = L5 = L3fix , W1 = 2 ( L1fix / L3fix ) · W3fix , W2 = W3 = W 3fix , W4 = W5 = βr (n / p) ・ W 3fix , W7 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ W 3fix , W8 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p ) ・ W 3fix

【0039】3.駆動MOS M2,M3のノイズが負
荷MOS M4,M5のノイズと等しい場合 L1 = L7 = L8 = L1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = [(K(p/n)/K(n/p))/βr(n/p)](1/2)・L3fix, W1 = 2(L1fix /L3fix)・W3fix, W2 = W3 = W3fix, W4 = W5 = [(K(p/n)/K(n/p))・βr(n/p)](1/2)
W3fix, W7 = n・(L1fix/L3fix)・W3fix, W8 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・W3fix ここで、K (p/n) は、PチャネルMOS又はNチャネル
MOSのフリッカノイズ係数を表している。
3. The driving MOS M2 and M3 have negative noise
L1 = L7 = L8 = L when the noise is equal to the load MOS M4, M5 noise1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = [(K (p / n) / K (n / p)) / βr (n / p)](1/2)・ L3fix, W1 = 2 (L1fix / L3fix) ・ W3fix, W2 = W3 = W3fix, W4 = W5 = [(K (p / n) / K (n / p)) · βr (n / p)](1/2)
W3fix, W7 = n ・ (L1fix/ L3fix) ・ W3fix, W8 = n ・ (L1fix/ L3fix) ・ Βr (n / p) ・ W3fix  Here, K (p / n) is a P-channel MOS or N-channel
This represents the flicker noise coefficient of the MOS.

【0040】ステップ7:全てのMOSトランジスタM
1〜M5,M7,M8のサイズから、次に、補正された
出力容量C1(k+1),C2(k+1)を求める。さらに、位相余裕
φから補正された位相補償容量CC(k+1)と電流分布比n
(k+1)とを次のように計算する。 CC(k+1) = (tan(Φ)・C1(k+1)・C2(k+1)/2)(1/2), n(k+1) = [(C1(k+1)C2(k+1)+C2(k+1)CC(k+1) + CC(k+1)
C1(k+1))/( CC(k+1) 2 )]×tan(φ)
Step 7: All MOS transistors M
From the sizes of 1 to M5, M7 and M8,
Output capacity C1(k + 1), CTwoFind (k + 1). Furthermore, phase margin
Phase compensation capacitance C corrected from φC(k + 1) and current distribution ratio n
(k + 1) is calculated as follows. CC(k + 1) = (tan (Φ) ・ C1(k + 1) ・ CTwo(k + 1) / 2)(1/2), N (k + 1) = [(C1(k + 1) CTwo(k + 1) + CTwo(k + 1) CC(k + 1) + CC(k + 1)
C1(k + 1)) / (CC(k + 1) Two )] × tan (φ)

【0041】ステップ8:補正された出力容量C1(k+
1),C2(k+1)が補正前の出力容量Cj (k) (j =1〜2、k =0
〜n)に等しいか否かチェックして、もしCj(k+1) - C
j(k) =0であれば、ここまでの設計は完了とし、次のス
テップ9に移行する。そうでなければCj(k+1)を新たに
定義された出力容量としてステップ4に戻り、ステップ
4からの手順を繰り返す。
Step 8: Corrected output capacitance C 1 (k +
1), C 2 (k + 1) is the output capacitance before correction C j (k) (j = 1 to 2, k = 0
~ N), then check if C j (k + 1)-C
If j (k) = 0, the design up to this point is completed, and the process proceeds to the next step 9. Otherwise, return to step 4 with C j (k + 1) as the newly defined output capacity, and repeat the procedure from step 4.

【0042】ステップ9:選択された評価関数、例え
ば、オペアンプ全体の消費電力を表す評価関数Pamp
用いて、Pamp (VE (m))がPamp( VE (m)-ΔVE)に等しい
か否かチェックする。ここで、ΔVEは任意の微小量であ
る。そして、等しければ消費電力最小であるとして設計
完成とする。そうでなければ、新たに定義される実効バ
イアスをVE(m +1) = VE( m ) - ΔVEとして、ステップ
3に戻り、ステップ3からの手順を繰り返す。
[0042] Step 9: The selected evaluation function, for example, by using an evaluation function P # 038 representing the power consumption of the entire operational amplifier, P amp (VE (m) ) is equal to P amp (VE (m) -ΔVE ) Check whether or not. Here, ΔVE is an arbitrary minute amount. If they are equal, it is determined that the power consumption is the minimum, and the design is completed. Otherwise, the newly defined effective bias is set to VE (m + 1) = VE (m) -ΔVE, and the process returns to step 3 and the procedure from step 3 is repeated.

【0043】上記ステップ1〜ステップ9の手順によ
り、本発明に係るアンプソフトIPは、入力されたオペ
アンプ特性を満たし、且つ、選択された評価関数を最小
とするように最適化された設計定数を導きだす。
According to the above steps 1 to 9, the amplifier software IP according to the present invention uses the design constant optimized to satisfy the input operational amplifier characteristics and to minimize the selected evaluation function. Lead out.

【0044】なお、全ての設計定数は次の1と2の条件
を満たさなければならないので、この条件を満たしてい
るかチェックされる。 1.0 ≦ VE ≦ VEmax = 2/((a0)(1/2)・λ(n//p)) ≦
(1/4)VDD 2.電流2次方程式(後述の理論説明参照)の判別式D
が正値になること。
Since all the design constants must satisfy the following conditions 1 and 2, it is checked whether these conditions are satisfied. 1.0 ≤ VE ≤ VE max = 2 / ((a 0 ) (1/2)・ λ (n // p)) ≤
(1/4) VDD 2. Discriminant D of current quadratic equation (see theoretical explanation below)
Must be positive.

【0045】 すなわち、(Pamp/VDD)2 > 8n・gm3 2/(λ(p//n)2・a0) ⇔ n・gm3 2 < (Pamp/VDD)2・(λ(p//n)2・a0)/8 なお、評価関数として、オペアンプの占有面積F(m) =
MOS面積 + 位相補償容量CC面積を表す評価関数を用
いて、ステップ9の計算を行えば、占有面積を最小とす
る最適化が行える。
That is, (P amp / VDD) 2 > 8n · gm 3 2 / (λ (p // n) 2 · a 0 ) ⇔n · gm 3 2 <(P amp / VDD) 2 · (λ ( p // n) 2・ a 0 ) / 8 As an evaluation function, the occupied area of the operational amplifier F (m) =
If the calculation in step 9 is performed using the evaluation function representing the MOS area + the phase compensation capacitance C C area, the optimization that minimizes the occupied area can be performed.

【0046】また、この設計アルゴリズムでは、ゲート
長L1fixを自由な設計パラメータとしているが、もし、L
1fixを或る範囲の全てに亘って上記の反復アルゴリズム
を適用すれば、CMOSオペアンプは、消費電力に関し
て最適化(最小化)することができる。
In this design algorithm, the gate length L 1fix is used as a free design parameter.
Applying the iterative algorithm above over a range of 1fix allows the CMOS operational amplifier to be optimized (minimized) with respect to power consumption.

【0047】また、AC解析を基礎として解を求めるア
ルゴリズムなので、この設計アルゴリズムの基本的な考
えは、図1(b)に示される等価回路で表される全ての
アンプに適用することができる。従って、例えば、図3
に示される2段インバータタイプのアンプ(b)やその
他にも適用できる。この場合、ステップ6とステップ7
のMOSサイズの公式をインバータタイプのアンプに対
応するものに書きかえれば良い。
Further, since the algorithm for obtaining a solution based on the AC analysis is used, the basic idea of this design algorithm can be applied to all amplifiers represented by the equivalent circuit shown in FIG. Thus, for example, FIG.
(B) of the two-stage inverter type shown in FIG. In this case, step 6 and step 7
May be rewritten into a formula corresponding to an inverter type amplifier.

【0048】次に、上記アンプソフトIPを用いて実際
にアンプの設計定数を求めた例を示す。図5は、アンプ
ソフトIPにより求められたアンプの設計定数が示され
た図表である。
Next, an example in which an amplifier design constant is actually obtained using the amplifier software IP will be described. FIG. 5 is a table showing amplifier design constants obtained by the amplifier software IP.

【0049】この例において、初めに設定される目標性
能、プロセスパラメータ、評価関数は次の1〜3の通り
である。 1.目標性能 : DCゲインa0 = 60 dB、ユニティーゲ
イン周波数fT = 10 MHz、出力負荷容量Cout = 0.5 pF、
位相余裕φ = 60 degrees、入力信号振幅Vin =0.5 V、S
NR = 100 dB、信号帯域幅B = 4 kHz 2.プロセスパラメーター : 電源電圧VDD = 3 V、し
きい値電圧Vth(n) = 0.3V,Vth(p) = 0.26 V、電圧−電
流利得比β0(n) = 170μA/V2,β0(p) = 60.8 μA/V2
出力コンダクタンスλ(n) = 0.04 V-1,λ(p) = 0.06 V
-1、フリッカノイズ係数k(n) = k(p) = 3.7・10-24 F
V2、単位ゲート容量Cox = 4.32 fF/μm2 3.評価関数 : オペアンプの占有面積
In this example, the targetness initially set
Functions, process parameters and evaluation functions are as follows:
It is. 1. Target performance: DC gain a0 = 60 dB, unityge
In frequency fT = 10 MHz, output load capacitance Cout = 0.5 pF,
Phase margin φ = 60 degrees, input signal amplitude Vin = 0.5 V, S
NR = 100 dB, signal bandwidth B = 4 kHz 2. Process parameters: Power supply voltage VDD = 3 V, then
Threshold voltage Vth (n) = 0.3V, Vth (p) = 0.26V,
Current gain ratio β0(n) = 170μA / VTwo, Β0(p) = 60.8 μA / VTwo,
Output conductance λ (n) = 0.04 V-1, Λ (p) = 0.06 V
-1, Flicker noise coefficient k (n) = k (p) = 3.7 / 10-twenty four F
VTwo, Unit gate capacitance Cox = 4.32 fF / μmTwo  3. Evaluation function: Occupied area of operational amplifier

【0050】これら設定条件に基づき上記のアンプソフ
トIPを用いて計算すると次のパラメータ並びに設計定
数が得られる。 1.固定の最小ゲート長 : L1fix = 1.0μm 2.実効バイアス電圧 : VEmax = 0.64 V 3.最小のゲート面積 : Sg3 ≒ 143 μm2 4.図5の図表に示されるPチャネル入力型とNチャネ
ル入力型の2つの型のオペアンプにおける各設計定数。
Based on these setting conditions, the above amplifier software
The following parameters and design constants are calculated using IP.
The number is obtained. 1. Fixed minimum gate length: L1fix = 1.0 μm 2. Effective bias voltage: VEmax = 0.64 V3. Minimum gate area: SgThree ≒ 143 μmTwo  4. P-channel input type and N-channel shown in the chart of FIG.
Design constants for two types of operational amplifiers.

【0051】上記設計定数により構成されたオペアンプ
について、0.35μmCMOSプロセスのBSIM3モデ
ルをもつアナログ・シミュレーションを行った結果、先
に設定された目標性能が得られる。
As a result of performing an analog simulation with the BSIM3 model of the 0.35 μm CMOS process on the operational amplifier constituted by the above design constants, the target performance previously set is obtained.

【0052】≪理論説明≫次に、上記アルゴリズムによ
り差動段と出力段からなる2段構成の基本的なオペアン
プの設計定数が、オペアンプの仕様であるDCゲイン、
SN比、ユニティーゲイン周波数、および位相余裕等の
特性パラメータや、規定した幾つかの設計条件から導く
ことができ、さらに、理論的な設計極限をとることで選
択された評価関数に対して最適化することが出来ること
を理論的に説明する。
{Theoretical Description} Next, according to the above algorithm, the design constants of the basic operational amplifier having a two-stage configuration including the differential stage and the output stage are set to the DC gain, which is the specification of the operational amplifier,
It can be derived from characteristic parameters such as S / N ratio, unity gain frequency, and phase margin, and some specified design conditions. Furthermore, it is optimized for the evaluation function selected by taking the theoretical design limit Explain what you can do theoretically.

【0053】[オペアンプ設計の基本定理] A.MOSモデル CMOSオペアンプを設計するために、飽和領域でのM
OSに合致する次のような電流−電圧特性のよりよい近
似を使う。[文献1参照:PAUL R, GRAY and ROBERT G.
MEYER, “ Analysis and Design of Analog Integrate
d Circuits Third Edition, ” John Wiley & Sons, In
c. 1993] Ids = (1/2)・β0・(W/L)・(Vgs - Vth)2・(1 + λVds) (1) ここで、小信号電流利得β0は次式、 β0 = μ0・εox/tox, β0(p) ≒ (1/2)・β0(n) で定義される。なお、μ0は電子あるいは正孔の移動
度、εoxはゲート酸化膜の誘電率、toxはゲート酸化膜
の厚さ、Vgsはバイアス電圧、Vthはしきい値電圧であ
る。
[Basic Theorem of Operational Amplifier Design] MOS model In order to design a CMOS operational amplifier, M
Use a better approximation of the current-voltage characteristic that matches the OS: [See Document 1: PAUL R, GRAY and ROBERT G.
MEYER, “Analysis and Design of Analog Integrate
d Circuits Third Edition, ”John Wiley & Sons, In
. c 1993] Ids = (1/2 ) · β 0 · (W / L) · (Vgs - Vth) 2 · (1 + λVds) (1) Here, the small signal current gain beta 0 is the following equation, beta 0 = μ 0 · ε ox / t ox , β 0 (p) ≒ (1/2) · β 0 (n). Here, μ 0 is the mobility of electrons or holes, ε ox is the dielectric constant of the gate oxide film, t ox is the thickness of the gate oxide film, Vgs is the bias voltage, and Vth is the threshold voltage.

【0054】MOSのバイアス電圧から実効バイアス電
圧VEが得られる。 VE = Vgs - Vth (2) ここで、VgsはMOSのがゲート・ソース間電圧、Vthは
PチャネルおよびNチャネルMOSのしきい値電圧であ
る。ゆえに、ドレイン・ソース電流Idは次のように表す
ことが出来る。 Ids = (1/2)・β0・(W/L)・VE2・(1 + λVds) (3)
The effective bias voltage VE is obtained from the MOS bias voltage. VE = Vgs-Vth (2) Here, Vgs is the gate-source voltage of the MOS, and Vth is the threshold voltage of the P-channel and N-channel MOS. Therefore, the drain-source current Id can be expressed as follows. Ids = (1/2) ・ β 0・ (W / L) ・ VE 2・ (1 + λVds) (3)

【0055】通常、オペアンプの特性について、小信号
の相互コンダクタンスgm、および小信号出力コンダクタ
ンスgdsを用いて、次のように表される。[文献2参
照:PAUL R, GRAY and ROBERT G. MEYER, “ MOS Opera
tional Amplifier Design - A Tutorial Overview, ”
IEEE Journal of Solid−State, Vol. SC−17, No. 6 D
ec 1982] gm = ∂Ids/∂Vgs = β0・(W/L)・(Vgs - Vth)・(1 + λVds) = β0・(W/L)・VE・(1 + λVds) = 2Ids/VE (4) gds = ∂Ids/∂Vds = (1/2)β0・(W/L)・VE2・λ = (1/2)・gm・VE・λ= λIds (5) もしλVds<<1であれば、Idsはしばしば次のように近
似される。 Ids = (1/2)・β0・(W/L)・VE2 (6) gm = ∂Ids/∂Vgs = β0・(W/L)・VE (7) それゆえ、 Ids = (1/2) gm・VE (8)
Normally, the characteristics of the operational amplifier are expressed as follows using the mutual conductance gm of the small signal and the small signal output conductance gds. [See Reference 2: PAUL R, GRAY and ROBERT G. MEYER, “MOS Opera
national Amplifier Design-A Tutorial Overview, ”
IEEE Journal of Solid-State, Vol.SC-17, No. 6 D
ec 1982] gm = ∂Ids / ∂Vgs = β 0・ (W / L) ・ (Vgs-Vth) ・ (1 + λVds) = β 0・ (W / L) ・ VE ・ (1 + λVds) = 2Ids / VE (4) gds = ∂Ids / ∂Vds = (1/2) β 0・ (W / L) ・ VE 2・ λ = (1/2) ・ gm ・ VE ・ λ = λIds (5) If λVds If << 1, Ids is often approximated as Ids = (1/2) ・ β 0・ (W / L) ・ VE 2 (6) gm = ∂Ids / ∂Vgs = β 0・ (W / L) ・ VE (7) Therefore, Ids = (1 / 2) gmVE (8)

【0056】B.オペアンプの特性 図2のオペアンプの伝達関数は次のように表される。
[文献1参照] H(s) = a0/[(s/ω1+1)(s/ω2+1)(s/ω3+1)] (9) ここで、ω、ω、ωは極点の角周波数、sは虚数
の角周波数である。設計公式は、このオペアンプの等価
回路を用いて、式(9)の係数と等価回路の計数とを較べ
ることで導かれる。[文献2参照] dc gain a0: a0 = gm3gm8R1R2 (10) 第2の極点の角周波数ω2は、 ω2 = gm8CC/(C1C2 + C2CC + CCC1)≒ gm8/C2 (12) 第3の極点の角周波数ωは、ω3 = 1/(RzC1) (13) でそれぞれ表される。ここで、gm3,gm8はMOS M
3、およびMOS M8のコンダクタンス、C1,C2およ
びCCは差動出力段、出力段、および位相補償段の、それ
ぞれの静電容量である。
B. Operational Amplifier Characteristics The transfer function of the operational amplifier of FIG. 2 is expressed as follows.
[See Document 1] H (s) = a 0 / [(s / ω 1 +1) (s / ω 2 +1) (s / ω 3 +1)] (9) where ω 1 , ω 2 , ω 3 is the angular frequency of the pole, s is the angular frequency of the imaginary. The design formula is derived by comparing the coefficient of equation (9) with the count of the equivalent circuit using the equivalent circuit of the operational amplifier. [See Document 2] dc gain a 0 : a 0 = gm 3 gm 8 R 1 R 2 (10) The angular frequency ω 2 of the second pole is ω 2 = gm 8 C C / (C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) ≒ gm 8 / C 2 (12) The angular frequency ω 3 of the third pole is represented by ω 3 = 1 / (R z C 1 ) (13). Here, gm 3 and gm 8 are MOS M
3, and the conductance of the MOS M8, C 1, C 2 and C C are differential output stage, the output stage, and a phase compensation stage, a respective capacitance.

【0057】オペアンプの主な特性は、次のように示さ
れる。[文献1,2参照] ユニティーゲイン周波数fT : fT = a0ω1/(2π) = gm3/(2πCC) (15) スルーレートSR : SR = 2πfsmax・Vin = Ids1/CC = gm3VE/CC = 2π・fT・VE (16) ここで、fsmaxは最大の信号周波数がである、Vinは入力
信号振幅、およびIds1は差動段のソース電流である。
The main characteristics of the operational amplifier are shown as follows. [References 1,2] unity gain frequency fT: fT = a 0 ω 1 / (2π) = gm 3 / (2πC C) (15) slew rate SR: SR = 2πfsmax · Vin = Ids 1 / C C = gm 3 VE / C C = 2π · fT · VE (16) where fsmax is the maximum signal frequency, Vin is the input signal amplitude, and Ids 1 is the source current of the differential stage.

【0058】 位相余裕φ:tan(φ) = ω2/(2πfT) = f2/fT = (gm8/C2)/(gm3/CC) (17) システムの最小オフセット電圧の条件から、これらの5
つのMOS Mi(i=1、4、5、7、8)の電流密
度に等しいと仮定できる。[文献1,2参照] (W4/L4)/(W8/L8) = (W5/L5)/(W8/L8) = (1/2)(W1/L1)/(W7/L7) = γ (18) ここで、WiとLiはMOSトランジスタMiのゲート
幅とゲート長である。
Phase margin φ: tan (φ) = ω 2 / (2πfT) = f 2 / fT = (gm 8 / C 2 ) / (gm 3 / C C ) (17) From the condition of the minimum offset voltage of the system , These 5
It can be assumed that it is equal to the current density of two MOS Mi (i = 1, 4, 5, 7, 8). [See Literatures 1 and 2] (W 4 / L 4 ) / (W 8 / L 8 ) = (W 5 / L 5 ) / (W 8 / L 8 ) = (1/2) (W 1 / L 1 ) / (W 7 / L 7 ) = γ (18) where Wi and Li are the gate width and gate length of the MOS transistor Mi.

【0059】設計条件と設計条件を決めるには、以下に
述べる3つのステップが必要である。すなわち、DC解
析、電流の二次方程式を利用した混載解析、および小信
号解析である。
The following three steps are required to determine design conditions and design conditions. That is, DC analysis, mixed analysis using a quadratic equation of current, and small signal analysis.

【0060】[DC解析] A.オペアンプの電流の流れ 図2に示すCMOSオペアンプの電流の流れを求めるた
めには、先ず、DC解析が使われる。分岐電流Ids
は、MOS Mi(i=1、2、3、4、5、7、
8)の電流とする。MOSのゲート入力インピーダンス
は無限であるので、差動段と出力段との間には電流の流
れはない(図2参照)。差動段は、正相側と負相側とで
対称的である。それゆえKirchhoffの電流法則は次の電
流方程式を与える。 差動段:Ids1 = Ids2 + Ids3,Ids2 = Ids4,Ids3 = Ids5,Ids2 = Ids3 (19) 出力段:Ids7 = Ids8 (20)
[DC Analysis] Current Flow of Operational Amplifier To determine the current flow of the CMOS operational amplifier shown in FIG. 2, first, DC analysis is used. Branch current Ids
i is a MOS Mi (i = 1, 2, 3, 4, 5, 7,
8). Since the gate input impedance of the MOS is infinite, no current flows between the differential stage and the output stage (see FIG. 2). The differential stage is symmetric on the positive phase side and the negative phase side. Therefore Kirchhoff's current law gives the following current equation: Differential stage: Ids 1 = Ids 2 + Ids 3 , Ids 2 = Ids 4 , Ids 3 = Ids 5 , Ids 2 = Ids 3 (19) Output stage: Ids 7 = Ids 8 (20)

【0061】すべてのMOSチャネルの電流密度が等し
いと仮定する。この条件の下に、そこですべてのMOS
が抵抗ネットワークと一定の抵抗面を流れる電流を形成
するモデルを得る。このモデルは、下記のCMOSオペ
アンプにおいて、ソース−ドレイン電圧と実効バイアス
電圧の設計条件を与える。すると、オペアンプで電圧方
程式を次のように書くことができる。 Vds1 + Vds2 + Vds4 = Vds1 + Vds3 + Vds5 = Vds7 + V
ds8 = VDD, Vds4 = Vds5 = VE4 = VE5 = VE8, VE1 = VE7
Assume that the current densities of all MOS channels are equal. Under this condition, all MOS
Obtains a model that forms a current flowing through a resistive network and a constant resistive surface. This model gives design conditions for a source-drain voltage and an effective bias voltage in the following CMOS operational amplifier. Then, the voltage equation can be written by the operational amplifier as follows. Vds 1 + Vds 2 + Vds 4 = Vds 1 + Vds 3 + Vds 5 = Vds 7 + V
ds 8 = VDD, Vds 4 = Vds 5 = VE 4 = VE 5 = VE 8 , VE 1 = VE 7

【0062】このように、Ids1=2・Ids5、および上記
の電圧方程式を利用したVE1を用いてVE5を次のように導
き出すことができる。 VE5 = (βr(n/p)(W1/L1)/(2(W5/L5))(1/2)・VE1 (21) ここで、βr(n/p)はNチャネルMOSのβとPチャネ
ルMOSのβとの比率で、次のように定義される。 Nチャネルの入力MOSを有するオペアンプで、βr(n)
= β0n0p ≒ 2 Pチャネルの入力MOSを有するオペアンプで、βr(p)
= β0p0n ≒ 1/2 システムの最小オフセット条件を使って、式(21)を変形
すると VE5 = (βr(n/p)(W7/L7)/(W8/L8))(1/2)・VE1 (22) もし、(βr(n/p)(W7/L7)/(W8/L8))(1/2) = 1であれば、 β0(n/p)(W7/L7) = β0(p/n)(W8/L8) (23) となり、Ids7 = Ids8の条件のもとで、β0(n/p)(W7/L7)
= β0(p/n)(W8/L8)を要求することができる。すなわ
ち、gm7 = gm8、およびVE5 = VE8 =VE1。それゆえに、V
E1 = VE4 = VE5 = VE7 = VE8と仮定する。
As described above, VE 5 can be derived as follows using Ids 1 = 2 · Ids 5 and VE 1 using the above voltage equation. VE 5 = (βr (n / p) (W 1 / L 1 ) / (2 (W 5 / L 5 )) (1/2) VE 1 (21) where βr (n / p) is N It is defined by the ratio of β 0 of the channel MOS and β 0 of the P channel MOS as follows: An operational amplifier having an N channel input MOS, and βr (n)
= β 0n / β 0p ≒ 2 An operational amplifier having a P-channel input MOS, and βr (p)
= β 0p / β 0n ≒ 1/2 Using the minimum offset condition of the system, and transforming equation (21), VE 5 = (βr (n / p) (W 7 / L 7 ) / (W 8 / L 8 )) (1/2)・ VE 1 (22) If (βr (n / p) (W 7 / L 7 ) / (W 8 / L 8 )) (1/2) = 1, then β 0 (n / p) (W 7 / L 7 ) = β 0 (p / n) (W 8 / L 8 ) (23), and under the condition of Ids 7 = Ids 8 , β 0 (n / p) (W 7 / L 7 )
= β 0 (p / n) (W 8 / L 8 ). That is, gm 7 = gm 8 and VE 5 = VE 8 = VE 1 . Hence, V
Assume E 1 = VE 4 = VE 5 = VE 7 = VE 8 .

【0063】残りの問題は、実効バイアス電圧VE2とVE3
の決定である。システムにおいて、差動段の入力電圧
は、ACグラウンドだと仮定できる。従って、MOS
Mj(j=2,3)のゲート電圧Vgは、ほとんどVD
D/2に等しくなる。この条件はVds1 + Vgs3 = (1/2)
VDDを要求する。また、MOS M1は、ピンチ−オフ領
域で動作しなくてはならない。
[0063] the rest of the problem, the effective bias voltage VE 2 and VE 3
Is the decision. In the system, the input voltage of the differential stage can be assumed to be AC ground. Therefore, MOS
The gate voltage Vg of Mj (j = 2, 3) is almost VD
D / 2. This condition is Vds 1 + Vgs 3 = (1/2)
Request VDD. Further, the MOS M1 must operate in the pinch-off region.

【0064】それゆえに、次のような設計条件を得る。 もし、VE3 = VE1およびVE1 = Vgs1 ≦ Vds1であればVE1 ≦ (1/4)VDD (25) この結論に従って、VE1 = VE2 = VE3と仮定することが
できる。CMOSオペアンプを設計する後に、アナログ
・シミュレーターの使用を通して、CMOSオペアンプ
の動作チェックをしなくてはいけない。
Therefore, the following design conditions are obtained. If VE 3 = VE 1 and VE 1 = Vgs 1 ≤ Vds 1 , then VE 1 ≤ (1/4) VDD (25) According to this conclusion, it can be assumed that VE 1 = VE 2 = VE 3 . After designing a CMOS operational amplifier, the operation of the CMOS operational amplifier must be checked through the use of an analog simulator.

【0065】設計条件を得るため、差動段の電流の半分
と出力段の電流との電流比nを導入する。 Ids8 = n・Ids3 (26) このように、式(26)と実効バイアス電圧の同等性とを用
いて、次のように、小信号の相互コンダクタンスgm3
gm8の関係を導き出せる。 gm8 = n・gm3 (27) CMOSオペアンプの合計電流Itotalは次式になる。 Itotal = Ids1 + Ids7 = Ids1 + Ids8 = (n + 2) Ids3 (28)
In order to obtain the design conditions, a current ratio n between half of the current of the differential stage and the current of the output stage is introduced. Ids 8 = n · Ids 3 ( 26) Thus, by using the equation (26) the equivalent of the effective bias voltage, as follows, can be derived a relationship of the mutual conductance gm 3 and gm 8 of small signal. gm 8 = n · gm 3 (27) The total current I total of the CMOS operational amplifier is expressed by the following equation. I total = Ids 1 + Ids 7 = Ids 1 + Ids 8 = (n + 2) Ids 3 (28)

【0066】ユニティーゲイン周波数の目標性能からId
s3,gm3,η(=W3/ L3)を次のように決定する。 gm3 = 2πCC・fT, Ids3 = πCC ・fT・VE ・ ( 1 + λ
(n/p)Vds3) それゆえ、 η = W3/L3 = 2πCC・fT/[β0(n/p)・VE・( 1 + λ(n/p)Vds3)] (29) 比率ηは、ユニティーゲイン周波数fT、位相補償容量
CC、実効バイアス電圧VE、ソースドレインバイアス電圧
ds3、および電源電圧VDD、β0(n/p)、λ(n/p)
を含むプロセスパラメーターを用いて定義することがで
きる。
From the target performance of the unity gain frequency, Id
s 3 , gm 3 , η (= W3 / L3) are determined as follows. gm 3 = 2πC C・ fT, Ids 3 = πC C・ fT ・ VE ・ (1 + λ
(n / p) Vds 3) Therefore, η = W 3 / L 3 = 2πC C · fT / [β 0 (n / p) · VE · (1 + λ (n / p) Vds 3)] (29 ) Ratio η is unity gain frequency fT, phase compensation capacity
C C , effective bias voltage VE, source / drain bias voltage V ds3 , and power supply voltage VDD, β 0 (n / p), λ (n / p)
Can be defined using process parameters including

【0067】従って、全ての実効バイアス電圧が設計条
件式(25)の下に等しいと仮定することができる。すべて
のゲート比率W/Lは、n、η、βr(n/p)を用いて次の
ように表すことができる、そしてそれらは、システムの
オフセット最小条件から導かれる電流方程式(19),(2
0),(18)から得られる。(付録A参照) W1/L1 = 2W3/L3 =2η, W2/L2 = W3/L3 = η, W5/L5 = W4/L4 = βr(n/p)・W3/L3 = βr(n/p)・η, W7/L7 = n・η, W8/L8 = βr(n/p)・W7/L7 = n・βr(n/p)・η (30) ここで、βr(n/p)はNMOSのβおよびPMOSのβ
の比率である。従って、電流比nは、システムのオフ
セット最小条件の比率の逆数に等しい。 n = 1/γ (31)
Therefore, it can be assumed that all effective bias voltages are equal under the design condition (25). All gate ratios W / L can be expressed using n, η, βr (n / p) as follows, and they are derived from the current equations (19), ( Two
0) and (18). (See Appendix A) W 1 / L 1 = 2W 3 / L 3 = 2η, W 2 / L 2 = W 3 / L 3 = η, W 5 / L 5 = W 4 / L 4 = βr (n / p ) ・ W 3 / L 3 = βr (n / p) ・ η, W 7 / L 7 = n ・ η, W 8 / L 8 = βr (n / p) ・ W 7 / L 7 = n ・ βr ( n / p) · η (30) where βr (n / p) is β 0 of NMOS and β
It is a ratio of 0 . Therefore, the current ratio n is equal to the reciprocal of the ratio of the minimum offset condition of the system. n = 1 / γ (31)

【0068】B.ノイズ解析、ノイズ条件から得られる
全ゲートのサイズ設計手法 設計プロセスを簡単にしたいので、アルゴリズムはCM
OSオペアンプのすべてのゲート幅とゲート長を求める
ため、少しのパラメーターを使う。ノイズ条件と全ての
ゲート幅およびゲート長は、MOS M3のゲート長L
3とゲート幅W3を使って導くことができる。
B. Noise analysis, size design method for all gates obtained from noise conditions To simplify the design process, the algorithm is CM
A few parameters are used to determine all gate widths and lengths of OS op amps. Noise conditions and all gate widths and gate lengths are determined by the gate length L of the MOS M3.
3 and the gate width W3.

【0069】オペアンプの等価な入力ノイズを次のよう
に仮定する。[文献1参照] vinN 2 = vinN(T)2 + vinN(1/f)2 = 4kT(2/3)(1/gm3)[1 + (gm5/ gm3)(1/2)]・B + [Kf/(Cox・W3・L3)]・ln (Br) (32) ここで、vinN(T)は熱雑音、vinN(1/f)はフリッカノイ
ズ、kはボルツマン定数、Tは動作温度、gmは入力信
号の最小相互コンダクタンス、Bは入力信号のバンド
幅、Brはが入力信号の最小周波数と最大周波数との比で
あるバンド比、C はゲート酸化膜の容量、Kfは同等
のフリッカノイズ係数である。
Assume the equivalent input noise of the operational amplifier as follows. [See Document 1] v inN 2 = v inN (T) 2 + v inN (1 / f) 2 = 4kT (2/3) (1 / gm 3 ) [1 + (gm 5 / gm 3 ) (1 / 2)] · B + [Kf / (C ox · W 3 · L 3)] · ln (B r) (32) where, v inN (T) is the thermal noise, v inN (1 / f) is the flicker noise, k is the Boltzmann constant, T is the operating temperature, gm is the minimum transconductance of the input signal, B is the input signal bandwidth, the band ratio is the ratio between the minimum and maximum frequencies of the B r Haga input signal, C o x the capacity of the gate oxide film, Kf is equivalent flicker noise coefficients.

【0070】 Kf = 2・K(n/p)・[1 + (K(p/n)・μ(p/n)・L3 2)/(K(n/p)・μ(n/p)・L5 2)] (33) ここで、K(p/n)は入力MOSがPチャネルの場合、ある
いはNチャネルの場合のフリッカノイズ係数である。
Kf = 2 · K (n / p) · [1+ (K (p / n) · μ (p / n) · L 3 2 ) / (K (n / p) · μ (n / p ) · L 5 2)] ( 33) where, K (p / n) If the input MOS is a P-channel, or a flicker noise coefficients for the n-channel.

【0071】Ids5 = Ids3、およびVE5 = VE3なので、gm
5 = gm3、およびgm3 = β0(n/p)・(W3/L3)・VEとなる。
従って、式(32)は、次のように変形できる。 vinN 2 = [{16kT/(3・β0(n/p)・VE)}・B]・(L3/W3) + [(Kf/Cox)・ln(Br)]/(W3・L3) = Kth (B)・(L3/W3) + Kf (Br)/(W3・L3) = Kth(B)/η + Kf(Br)/(η・L3 2) = [Kth (B)・ Kf (Br)](1/2)・(L3/Leq + Leq/L3) (34) ここで、Kth(B) = [16kT/(3・β0(n/p)・VE)]・B, Kf(Br) = (Kf/Cox)・ln(Br), Leq = [Kf(Br)/Kth(B)](1/2) (35)
Since Ids 5 = Ids 3 and VE 5 = VE 3 , gm
5 = gm 3 and gm 3 = β 0 (n / p) · (W 3 / L 3 ) · VE.
Therefore, equation (32) can be transformed as follows. v inN 2 = [{16kT / (3 · β 0 (n / p) · VE)} · B] · (L 3 / W 3 ) + [(Kf / C ox ) · ln (B r )] / ( W 3・ L 3 ) = Kth (B) ・ (L 3 / W 3 ) + Kf (B r ) / (W 3・ L 3 ) = Kth (B) / η + Kf (B r ) / (η ・ L 3 2) = [Kth ( B) · Kf (B r)] (1/2) · (L 3 / L eq + L eq / L 3) (34) where, Kth (B) = [16kT / (3 · β 0 (n / p) · VE)] · B, Kf (B r ) = (Kf / C ox ) · ln (B r ), L eq = [Kf (B r ) / Kth (B) ] (1/2) (35)

【0072】SN比の条件を使うことによって、SN比
αdBからゲート長L3を次のように導き出すことがで
きる。 10(α/10) ≦ Vin2/[Kth(B)/η + Kf(Br)/(η・L3 2)] ⇒ L3 ≧ [(Kf(Br)/η)/(Vin2・10(-α/10) - Kth(B)/η)](1/2) = L3fix W3fix = η・L3fix (36) ここで、L3は正値であるので、式(36)の分母は正でなく
てはいけない。それゆえ Vin2 > 10(α/10)・Kth(B)/η = 10(α/10)・16kT/(3・β0(n/p)・η・VE) (37) もし、L3fixが、要求されたプロセス測定あるいは
適合するMOSのゲート長Lminよりも小さければ、
3fixをLminと取り替える。
By using the condition of the SN ratio, the SN ratio
The gate length L3 can be derived from αdB as follows.
Wear. Ten(α / 10) ≤ VinTwo/ [Kth (B) / η + Kf (Br) / (η ・ LThree Two)] ⇒ LThree ≧ [(Kf (Br) / η) / (VinTwo·Ten(-α / 10) -Kth (B) / η)](1/2) = L3fix  W3fix = η ・ L3fix (36) where LThreeIs a positive value, the denominator in equation (36) is not positive
must not. Hence VinTwo > 10(α / 10)・ Kth (B) / η = 10(α / 10)・ 16kT / (3 ・ β0(n / p) ・ η ・ VE) (37) If L3fixIs the required process measurement or
Applicable MOS gate length LminIf smaller than
L3fixTo LminReplace with

【0073】それゆえに、すべてのゲート長およびゲー
ト幅は、式(30)〜(36)によって次のように得られる。 1.Nチャネル入力タイプでは、βr(n/p) > 1なの
で、 L1 = L7 = L8 = L1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = (1/βr(n/p))・L3fix, W1 = 2(L1fix /L3fix)・W3fix, W2 = W3 = W3fix, W4 = W5 = W3fix, W7 = n・(L1fix/L3fix)・W3fix,W8 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・W3fix (38)
Therefore, all the gate lengths and gate widths are obtained by the following equations (30) to (36). 1. The N-channel input type, βr (n / p)> 1 since, L 1 = L 7 = L 8 = L 1fix, L 2 = L 3 = L 3fix, L 4 = L 5 = (1 / βr (n / p)) ・ L 3fix , W 1 = 2 (L 1fix / L 3fix ) ・ W 3fix , W 2 = W 3 = W 3fix , W 4 = W 5 = W 3fix , W 7 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ W 3fix , W 8 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ W 3fix (38)

【0074】2.Pチャネル入力タイプでは、βr(n/p)
< 1なので、 L1 = L7 = L8 = L1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = L3fix, W1 = 2(L1fix /L3fix)・W3fix,W2 = W3 = W3fix,W4 = W5 = βr(n/p)・W3fix, W7 = n・(L1fix/L3fix)・W3fix,W8 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・W3fix (39)
2. For P-channel input type, βr (n / p)
<So 1, L 1 = L 7 = L 8 = L 1fix, L 2 = L 3 = L 3fix, L 4 = L 5 = L 3fix, W 1 = 2 (L 1fix / L 3fix) · W 3fix, W 2 = W 3 = W 3fix , W 4 = W 5 = βr (n / p) · W 3fix , W 7 = n · (L 1fix / L 3fix ) · W 3fix , W 8 = n · (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ W 3fix (39)

【0075】3.もし、駆動MOS M2,M3のノイ
ズと負荷MOS M4,M5のノイズを等しく設計した
ければ、式(30)と(36)を使って全てのゲート長とゲート
幅とを次のように計算することができる。 L1 = L7 = L8 = L1fix, L2 = L3 = L3fix, L4 = L5 = [(K(p/n)/K(n/p))/βr(n/p)](1/2)・L3fix, W1 = 2(L1fix /L3fix)・W3fix, W2 = W3 = W3fix, W4 = W5 = [(K(p/n)/K(n/p))・βr(n/p)](1/2)・W3fix, W7 = n・(L1fix/L3fix)・W3fix, W8 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・W3fix (40)
3. If the noises of the driving MOSs M2 and M3 and the noises of the load MOSs M4 and M5 are to be designed to be equal, all gate lengths and gate widths are calculated using equations (30) and (36) as follows. be able to. L 1 = L 7 = L 8 = L 1fix , L 2 = L 3 = L 3fix , L 4 = L 5 = [(K (p / n) / K (n / p)) / βr (n / p) ] (1/2)・ L 3fix , W 1 = 2 (L 1fix / L 3fix ) ・ W 3fix , W 2 = W 3 = W 3fix , W 4 = W 5 = [(K (p / n) / K (n / p)) ・ βr (n / p)] (1/2)・ W 3fix , W 7 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ W 3fix , W 8 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・Βr (n / p) ・ W 3fix (40)

【0076】主なノイズが熱雑音であるときには、オペ
アンプへの等価入力ノイズは、次のように近似できる: vinN 2 = vinN(T)2 = Kth(B)・(L3/W3) = Kth(B)/η (41) SN比の条件を使うことによって、SN比αdBをみた
すゲート比率ηを次のように導き出すことができる。 10(α/10) = Vin2η/Kth(B) ⇒ η = Kth(B)・10(α/10)・Vin(-2) (42) ηは式(29)によって定義されるので、式(42)が(29)に等
しいとして Kth(B)・10(α/10)・Vin(-2) = 2πCC・fT/[β0(n/p)・VE・(1 + λ(n/p)Vds3)] (43) それゆえに、位相補償容量CCを得ることができる CC = [(16kT/3)・B・10(α/10)・Vin(-2)]/(2πfT) (44)
When the main noise is thermal noise, the equivalent input noise to the operational amplifier can be approximated as follows: v inN 2 = v inN (T) 2 = Kth (B) · (L 3 / W 3 ) = Kth (B) / η (41) By using the condition of the SN ratio, the gate ratio η satisfying the SN ratio αdB can be derived as follows. 10 (α / 10) = Vin 2 η / Kth (B) ⇒ η = Kth (B) ・ 10 (α / 10)・ Vin (-2) (42) Since η is defined by equation (29), Assuming that equation (42) is equal to (29), Kth (B) · 10 (α / 10) · Vin (-2) = 2πC C · fT / [β 0 (n / p) · VE · (1 + λ ( n / p) Vds 3 )] (43) Therefore, a phase compensation capacitance C C can be obtained. C C = [(16 kT / 3) · B · 10 (α / 10) · Vin (-2) ] / (2πfT) (44)

【0077】CMOSオペアンプの設計アルゴリズム
は、位相補償容量CCがCC=(C1・C2・tan(φ)/2)
(1/2)(式(53)参照)であることを要求する。主なノイ
ズが熱雑音であるときに、単に式(30)を使って相対的な
MOSサイズ比率を定義することができる。それゆえ
に、式(34)のノイズ・モデルを変える必要がある。ある
いは他の設計条件も必要とする。
In the design algorithm of the CMOS operational amplifier, the phase compensation capacitance C C is C C = (C 1 · C 2 · tan (φ) / 2)
(1/2) (see equation (53)). When the main noise is thermal noise, the relative MOS size ratio can be defined simply using equation (30). Therefore, it is necessary to change the noise model in equation (34). Alternatively, other design conditions are required.

【0078】次に、2段増幅のCMOSオペアンプのノ
イズ・モデルを選ぶ設計条件を検討する。フリッカノイ
ズがメインノイズになる場合は、式(34)のL3/LeqがLeq/
L3と比べ十分無視できる時である。熱雑音がメインノイ
ズになる場合は、式(34)のLe q/L3がL3/Leqと比べ十分無
視できる時である。従って、入力信号のバンド幅および
バンド比率とから次の様にしてノイズ・モデルを選ぶ為
の設計条件を導出出来る。(付録B参照)
Next, the design conditions for selecting a noise model of a two-stage amplification CMOS operational amplifier will be examined. When flicker noise becomes main noise, L 3 / L eq in equation (34) is L eq /
Compared with the L 3 is when the well can be ignored. If thermal noise is the main noise is when L e q / L 3 of formula (34) can be sufficiently neglected compared to L 3 / L eq. Therefore, design conditions for selecting a noise model can be derived from the bandwidth and band ratio of the input signal as follows. (See Appendix B)

【0079】1.Leq/L3 >> L3/Leqであれば、 ln(Br)/(L3・W3) ≦ 10(-α/10)・Vin2 /(Kf/Cox) (45) この時、フリッカ・ノイズがメイン・ノイズとなる。 2.Leq/L3 ≒ L3/Leqであれば、 [ln(Br)・L3 2]/B = [16kT/(3・β0(n/p)・VE)]/(Kf/Cox) (46) この時、フリッカ・ノイズと熱雑音がほぼ等しいノイズ
となる。 3.Leq/L3 << L3/Leqであれば、 B・(L3/W3) ≦ 10(-α/10)・Vin2/[16kT/(3・β0(n/p)・VE)] (47) この時、熱雑音がメイン・ノイズとなる。
1. If L eq / L 3 >> L 3 / L eq , then ln (B r ) / (L 3・ W 3 ) ≦ 10 (-α / 10)・ Vin 2 / (Kf / C ox ) (45) At this time, flicker noise becomes main noise. 2. If L eq / L 3 ≒ L 3 / L eq, [ln (B r) · L 3 2] / B = [16kT / (3 · β 0 (n / p) · VE)] / (Kf / C ox ) (46) At this time, flicker noise and thermal noise are almost equal. 3. If L eq / L 3 << L 3 / L eq , B ・ (L 3 / W 3 ) ≤ 10 (-α / 10)・ Vin 2 / [16kT / (3 ・ β 0 (n / p)・ VE)] (47) At this time, the thermal noise becomes the main noise.

【0080】ゲート長L1fixは固定なため、MOS M3
のηおよび電流比n、全てのゲート幅Wiとゲート長L
iは、ノイズ条件、およびノイズモデルの式(38)、(3
9)、および(40)から導かれる。しかし、位相補償容量CC
が定義されないという理由で、この公式は、CMOSオ
ペアンプを設計するにの十分でない。
Since the gate length L 1fix is fixed, the MOS M3
And current ratio n, all gate widths Wi and gate lengths L
i is the noise condition and the noise model equations (38), (3
9), and derived from (40). However, the phase compensation capacitance C C
This formula is not enough to design a CMOS operational amplifier because is not defined.

【0081】C.合計電流に対する位相補償容量CCの最
小感度 CMOSオペアンプの特性は、位相補償容量CCの条件を
決めるのに用いられる。消費電力Pampを与えることで、
合計電流Itotal(VE,CC)は次のように表せる。Idsとユ
ニティーゲイン周波数の公式(8),(15)は、差動段の電
流Ids1を導く。 Ids1 = 2Ids3 = 2・(1/2)gm3・VE = 2πCC・fT・VE (50) 出力段の電流Ids8は、第2の極点ω2の式(12)から次の
ように求められる。 Ids7 = Ids8 = (1/2)gm8・VE = πf2[(C1C2 + C2CC + CCC1)/CC]・VE (51) 合計電流Itotal(VE, CC)はそれゆえ、 Itotal(VE, CC) = Ids1 + Ids8 = πVE・fT・[2 CC +tan(φ) (C1C2 + C2CC + CCC1)/CC] (52) ここで、tan(φ) = f2/fT (17)
C. Characteristics of the minimum sensitivity CMOS operational amplifier of the phase compensation capacitance C C to the total current is used to determine the condition of the phase compensation capacitance C C. By giving power consumption P amp ,
The total current I total (VE, C C ) can be expressed as follows. Official Ids and unity gain frequency (8), (15) leads to current Ids 1 of the differential stage. Ids 1 = 2Ids 3 = 2 ・ (1/2) gm 3・ VE = 2πC C・ fT ・ VE (50) The current Ids 8 of the output stage is obtained from the equation (12) of the second pole ω2 as follows: Desired. Ids 7 = Ids 8 = (1/2) gm 8・ VE = πf 2 [(C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) / C C ] ・ VE (51) Total current I total (VE , C C ) is therefore I total (VE, C C ) = Ids 1 + Ids 8 = πVE · fT · [2 C C + tan (φ) (C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) / C C ] (52) where tan (φ) = f2 / fT (17)

【0082】オペアンプの消費電力Pampは、差動段と出
力段の合計電流Itotal(VE, CC)に比例する。差動段の
電流は位相補償容量CCに比例し、出力段の電流は位相補
償容量CCに反比例する。オペアンプの合計電流Itotal(V
E, CC)は、位相補償容量CCの下向きのコンベックス関
数となる。それゆえに、Itotal(VE, CC)に対する最小
感度の位相補償容量CCは次のようになる。 ∂Itotal(VE,CC)/∂(CC) = 0のときに、CC 2 = (1/2)tan(φ)・C1C2 (53) この結果から、位相余裕φ、差動段の出力容量C1、およ
び出力段の出力容量C2を使うことによって位相補償容量
CCが求められる。
The power consumption P amp of the operational amplifier is proportional to the total current I total (VE, C C ) of the differential stage and the output stage. Differential stage current is proportional to the phase compensation capacitor C C, the current of the output stage is inversely proportional to the phase compensation capacitance C C. Op amp total current I total (V
E, C C ) is a downward convex function of the phase compensation capacitance C C. Therefore, the minimum compensation phase compensation capacitance C C for I total (VE, C C ) is as follows. When ∂I total (VE, C C ) / ∂ (C C ) = 0, C C 2 = (1/2) tan (φ) · C 1 C 2 (53) From this result, the phase margin φ, The phase compensation capacitance can be obtained by using the output capacitance C 1 of the differential stage and the output capacitance C 2 of the output stage.
C C is required.

【0083】[典型的な設計条件の統合(電流の二次方
程式と判別式D条件)]前述の説明では、ノイズ条件と
位相補償容量CCの最小感度条件を満たす、全てのゲート
幅とゲート長を導く設計手法を導き出した。実効バイア
ス電圧VE、および電流分布比は定義されないので、すべ
ての設計パラメーターをまだ決めることができない。そ
れゆえに、実効バイアス電圧VEを見つけるために、電流
の二次方程式を導入しなければならない。
[Integration of Typical Design Conditions (Secondary Equation of Current and Discriminant D Condition)] In the above description, all the gate widths and gates satisfying the noise condition and the minimum sensitivity condition of the phase compensation capacitance C C are described. The design method leading to the length was derived. Since the effective bias voltage VE and the current distribution ratio are not defined, not all design parameters can be determined yet. Therefore, to find the effective bias voltage VE, a quadratic equation of the current must be introduced.

【0084】Idsの二次方程式がIds1とIdsの解を持つ
なら、Idsの2次方程式は次のようになる。 (Ids - Ids1)・(Ids - Ids8) = Ids2 - (Ids1 + Ids8)・Ids + Ids1・Ids8 = 0 (54 ) 合計電流Itotalは差動段と出力段の電流の合計として消
費電力Pampによって定義できる。 Itotal = Ids1 + Ids8 = Pamp/VDD (55)
If the quadratic equation of Ids has solutions of Ids 1 and Ids 8 , the quadratic equation of Ids is as follows. (Ids-Ids 1 ) ・ (Ids-Ids 8 ) = Ids 2- (Ids 1 + Ids 8 ) ・ Ids + Ids 1・ Ids 8 = 0 (54) Total current I total is current of differential stage and output stage Can be defined by the power consumption P amp . I total = Ids 1 + Ids 8 = P amp / VDD (55)

【0085】差動段の電流および出力段の電流の積は、
DCゲインa0から得られる。DCゲインは、a0 = gm3gm
8R1R2 (10)として定義されている。R1とR2は、差動段お
よび出力段の出力抵抗値である。電流源となるMOSと
アクティブ負荷MOSの並列のコンダクタンスは、次の
ようにR1およびR2を包含する。 1/R1 = λ(n/p)Ids3 + λ(p/n)Ids4, 1/R2 = λ(n/p)I
ds7 + λ(p/n)Ids8 ここでλ(n/p) およびλ(p/n)はピンチ−オフ領域にお
けるNチャネルとPチャネルのMOSのチャネル変調パ
ラメーターである。
The product of the current of the differential stage and the current of the output stage is
DC gain a0Obtained from DC gain is a0 = gmThreegm
8R1RTwo It is defined as (10). R1And RTwoIs the differential stage
And the output resistance of the output stage. MOS as current source
The parallel conductance of the active load MOS is
R1And RTwoIs included. 1 / R1 = λ (n / p) IdsThree + λ (p / n) IdsFour, 1 / R2 = λ (n / p) I
ds7 + λ (p / n) Ids8  Where λ (n / p) and λ (p / n) are in the pinch-off region.
Channel modulation paths for N-channel and P-channel MOS
Parameters.

【0086】それゆえに、1/R1、および1/R2は、電流の
方程式によって次のように変形することができる。 1/R1 = (λ(n/p) +λ(p/n)) Ids3 = λ(n//p)Ids3 = (1/2)λ(n//p)Ids1, 1/R2 = (λ(n/p) +λ(p/n)) Ids8 = nλ(n//p)Ids3 = λ(n//p)Ids8 (56) ここで、λ(n/p) + λ(p/n) = λ(n//p) (57)
Therefore, 1 / R 1 and 1 / R 2 can be modified as follows by the current equation. 1 / R 1 = (λ (n / p) + λ (p / n)) Ids 3 = λ (n // p) Ids 3 = (1/2) λ (n // p) Ids 1 , 1 / R 2 = (λ (n / p) + λ (p / n)) Ids 8 = nλ (n // p) Ids 3 = λ (n // p) Ids 8 (56) where λ (n / p) + λ (p / n) = λ (n // p) (57)

【0087】電流の方程式から、gm8は、gm8 = n・gm3
(27)とされる。DCゲインの式(10)へ、(27)〜(56)を代
入することによって、差動段の電流および出力段の電流
の積が得られる。 a0 = n gm3 2R1R2 = n・gm3 2/[(1/2)λ(p//n)2 Ids1・Ids8] ⇒ Ids1・Ids8 = 2n・gm3 2/(λ(p//n)2・a0) (58)
From the equation of current, gm 8 is calculated as gm 8 = n · gm 3
(27). By substituting (27) to (56) into the DC gain equation (10), the product of the current of the differential stage and the current of the output stage can be obtained. a 0 = n gm 3 2 R 1 R 2 = n ・ gm 3 2 / [(1/2) λ (p // n) 2 Ids 1・ Ids 8 ] ⇒ Ids 1・ Ids 8 = 2n ・ gm 3 2 / (λ (p // n) 2・ a 0 ) (58)

【0088】式(55)と(58)を(54)へ代入すると、Idsの
2次方程式は次のようになる。 Ids2 - (Pamp/VDD)・Ids + 2n・gm3 2/(λ(p//n)2・a0) = 0 (59) Idsの二次方程式は、CMOSオペアンプにとって二次
方程式である。 その判別式Dは: D = (Pamp/VDD)2 - 8n・gm3 2/(λ(p//n)2・a0) (60) Ids、およびIdsが正であるので、判別式Dは、正で
なくてはいけない。それゆえに、電流分布n、およびgm
3の関係を次のように導き出すことができる。 (Pamp/VDD)2 > 8n・gm3 2/(λ(p//n)2・a0) ⇔ n・gm3 2 < (Pamp/VDD)2・(λ(p//n)2・a0)/8 (61)
By substituting equations (55) and (58) into (54), the quadratic equation of Ids is as follows. Ids 2- (P amp / VDD) ・ Ids + 2n ・ gm 3 2 / (λ (p // n) 2・ a 0 ) = 0 (59) The quadratic equation of Ids is a quadratic equation for a CMOS operational amplifier. is there. The discriminant D is as follows: D = (P amp / VDD) 2 −8n · gm 3 2 / (λ (p // n) 2 · a 0 ) (60) Since Ids 1 and Ids 8 are positive, The discriminant D must be positive. Therefore, the current distribution n and gm
It is possible to derive 3 of the relationship in the following manner. (P amp / VDD) 2 > 8n ・ gm 3 2 / (λ (p // n) 2・ a 0 ) ⇔ n ・ gm 3 2 <(P amp / VDD) 2・ (λ (p // n) 2・ a 0 ) / 8 (61)

【0089】式(26)でIds、およびIdsの電流比nが
定義されている。それゆえ、電流の二次方程式は次のよ
うになる。 Ids2 - (n + 2) Ids3・Ids + 2nIds3 2 = 0 (62) 式(62)の係数と式(59)の係数と比べると、次の関係式が
得られる。 (n + 2) Ids3 = Pamp/VDD, (63) 2n・Ids3 2 = 2n・gm3 2/(λ(n//p)2・a0) (64) 特に、式(64)は、実効電圧を導き出す。 Ids3 = gm3/(λ(n//p)・(a0)(1/2)) ⇒ (1/2)gm3・VE =
gm3/(λ(n//p)・(a0)(1/2)) 従って、以下の関係が得られる。 VE ≦ VEmax = 2/((a0)(1/2)・λ(n//p)) ≦ (1/4)VDD (65)
Equation (26) defines the current ratio n of Ids 8 and Ids 3 . Therefore, the quadratic equation of the current is as follows. Ids 2 − (n + 2) Ids3 · Ids + 2nIds 3 2 = 0 (62) By comparing the coefficient of Equation (62) with the coefficient of Equation (59), the following relational expression is obtained. (n + 2) Ids 3 = P amp / VDD, (63) 2n ・ Ids 3 2 = 2n ・ gm 3 2 / (λ (n // p) 2・ a 0 ) (64) In particular, equation (64) Derives the effective voltage. Ids 3 = gm 3 / (λ (n // p) ・ (a 0 ) (1/2) ) ⇒ (1/2) gm 3・ VE =
gm 3 / (λ (n // p) · (a 0 ) (1/2) ) Therefore, the following relationship is obtained. VE ≤ VE max = 2 / ((a 0 ) (1/2)・ λ (n // p)) ≤ (1/4) VDD (65)

【0090】実効バイアス電圧VEは、VEmaxよりも小さ
く、且つ、目標DCゲインがa0になるように決定しなく
てはならない。この実効バイアス電圧VEは、差動段の利
得と出力段の利得とが等しくなるように、各段の利得を
(a0)(1/2)として計算することができる。
[0090] The effective bias voltage VE is less than Vemax, and the target DC gain must be determined to be a 0. This effective bias voltage VE adjusts the gain of each stage so that the gain of the differential stage is equal to the gain of the output stage.
(a 0 ) (1/2) .

【0091】最後に、残りの設計問題を使って電流比n
を決める、もし電流比nを見つければ、CMOSオペア
ンプの設計アルゴリズムは、達成すべき特性を用いて評
価関数により最適化することができる。
Finally, using the remaining design problems, the current ratio n
If the current ratio n is found, the design algorithm of the CMOS operational amplifier can be optimized by the evaluation function using the characteristics to be achieved.

【0092】[小信号解析(電流分布比率と位相余裕と
の関係)]ユニティーゲイン周波数および位相余裕を使
って、周波数特性における第1および第2の極点(ポー
ル)から次のように電流比nを決めることができる。
[Small Signal Analysis (Relationship Between Current Distribution Ratio and Phase Margin)] Using the unity gain frequency and the phase margin, the current ratio n is calculated as follows from the first and second poles (poles) in the frequency characteristic. Can be determined.

【0093】 第1極点は次のように定義される。ω1 = gm3/(a0CC) (11) 第2極点は次のように定義される。 ω2 = gm8CC/(C1C2 + C2CC + CCC1) (12) 式(12)を式(11)で割ると、電流比nは次のようになる。 n = gm8/gm3 = [(C1C2 + C2CC + CCC1)/CC 2]・[ω2 /(a0ω1)] (66) それゆえ、位相余裕の方程式(17)により次のようになる。 n = gm8/gm3 = [(C1C2 + C2CC + CCC1)/CC 2]・tan(φ) (67)The first pole is defined as follows. ω 1 = gm 3 / (a 0 C C ) (11) The second pole is defined as follows. ω 2 = gm 8 C C / (C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) (12) By dividing equation (12) by equation (11), the current ratio n is as follows. n = gm 8 / gm 3 = [(C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) / C C 2 ] · [ω 2 / (a 0 ω 1 )] (66) Therefore, the phase margin Equation (17) gives: n = gm 8 / gm 3 = [(C 1 C 2 + C 2 C C + C C C 1 ) / C C 2 ] tan (φ) (67)

【0094】初めの電流比は、始めの出力容量C1および
C2から見つけることができる、そしてそれは次のように
Coutで示される。 n = 2・[1 + (2tan(φ))(1/2)] (68) ここで、Coutは第2の段の出力負荷容量であり、CC =
(tan(φ)/2)(1/2)・Coutの関係を満たすものである。
The initial current ratio depends on the initial output capacitance C 1 and
It can be found from the C 2, and it is shown by Cout as follows. n = 2 · [1 + (2tan (φ)) (1/2) ] (68) where Cout is the output load capacity of the second stage, and C C =
(tan (φ) / 2) The relationship of (1/2) · Cout is satisfied.

【0095】従って、CMOSオペアンプの設計アルゴ
リズムは、消費電力について所定性能を実現するように
最適化される位相補償容量の反復アルゴリズムとするこ
とができる。
Accordingly, the design algorithm of the CMOS operational amplifier can be an iterative algorithm of the phase compensation capacitance that is optimized to achieve a predetermined performance with respect to power consumption.

【0096】[CMOSオペアンプの構造における特性
の理論的な設計極限]実効バイアス電圧VEが式(25)〜(6
5)でが与えられるので、実効バイアス電圧の範囲は次の
ように仮定できる。 0 ≦ VE ≦ VEmax = 2/((a0)(1/2)・λ(n//p)) ≦ (1/4)VDD (69) この基準は、オペアンプにおける入力電圧振幅、および
DCゲインa0の理論的な極限を導き出すために使われ
る。 10(α/10)・16kT/(3・β0(n/p)・η・VEmax) < Vin2 (70) [2/(λ(p//n)・VEmax)]2 ≦ a0 (71)
[Theoretical Design Limit of Characteristics in Structure of CMOS Operational Amplifier] The effective bias voltage VE is expressed by the following equations (25) to (6).
Since given in 5), the range of the effective bias voltage can be assumed as follows. 0 ≤ VE ≤ VE max = 2 / ((a 0 ) (1/2)・ λ (n // p)) ≤ (1/4) VDD (69) Used to derive the theoretical limit of gain a 0 . 10 (α / 10)・ 16kT / (3 ・ β 0 (n / p) ・ η ・ VE max ) <Vin 2 (70) [2 / (λ (p // n) ・ VE max )] 2 ≦ a 0 (71)

【0097】ユニティーゲイン周波数fTにバイアス電圧
VEの範囲を適用することによって、ユニティーゲイン周
波数fTを、CMOSオペアンプ消費電力Pampと式(15)を
使って次のように表すことが出来る。 (Ids3/VEmax)/(π・CC) < fT (72) ここで、Ids3 = (1/(n + 2))・(Pamp/VDD)
Bias voltage at unity gain frequency fT
By applying the range of VE, the unity gain frequency fT can be expressed as follows using the CMOS operational amplifier power consumption Pamp and Expression (15). (Ids 3 / VE max ) / (π ・ C C ) <fT (72) where Ids 3 = (1 / (n + 2)) ・ (P amp / VDD)

【0098】消費電力の条件がなければ、公式(17)に従
って位相余裕φを満足させるCMOSオペアンプが可能
である。すなわち、位相補償容量が単にMOS M8の
ゲート−ソース間容量Cgs8のみであると云った条件のも
とでCMOSオペアンプを検討することができる。そう
した場合、ユニティーゲイン周波数fTは、目標の位相余
裕で最大のユニティーゲイン周波数になる。位相補償容
量CC、差動段の静電容量C1、出力段の静電容量C2は、利
得1の複数のオペアンプのカスケード接続(図4参照)
であるとして、次のように表される。 位相補償容量CCはCC = Cgd8 (73)
If there is no power consumption condition, a CMOS operational amplifier that satisfies the phase margin φ according to the formula (17) is possible. That is, a CMOS operational amplifier can be considered under the condition that the phase compensation capacitance is simply the gate-source capacitance C gs8 of the MOS M8. In such a case, the unity gain frequency fT becomes the maximum unity gain frequency in the target phase margin. The phase compensation capacitance C C , the capacitance C 1 of the differential stage, and the capacitance C 2 of the output stage are cascaded with a plurality of operational amplifiers having a gain of 1 (see FIG. 4).
Is expressed as follows. The phase compensation capacitance C C is C C = C gd8 (73)

【0099】差動段の出力容量C1は、2つのケースがあ
る。 C1 (M2) = Cd2 + (Cg4 + Cd4 + Cgs4) + (Cg5 + Cgs5) (74) または、 C1 (M3) = Cd3 + (C d5 + C’gd5) + (Cg8 + Cgs8) ≒ Cd3 + (Cd5 + C gd5) + (Cg8 + Cgs8) (75) 出力段の出力容量C2は C2 = (Cd7 + Cgd7) + C d8 + 2C g3 (76)
[0099] The output capacitance C 1 of the differential stage, there are two cases. C 1 (M 2 ) = C d2 + (C g4 + C d4 + C gs4 ) + (C g5 + C gs5 ) (74) or C 1 (M 3 ) = C d3 + (C d5 + C ' gd5 ) + (C g8 + C gs8 ) ≒ C d3 + (C d5 + C gd5 ) + (C g8 + C gs8 ) (75) The output capacitance C 2 of the output stage is C 2 = (C d7 + C gd7 ) + C d8 + 2C g3 (76)

【0100】ここで、C1(M2)はMOS M2の出力容
量、C1(M3)はMOS M3の出力容量、Cdjは、MOS
Mjのドレイン容量、CgjはMOS Mjのゲート容量、
CgsjはMOS Mjのゲート−ソース間容量、CgdjはM
OS Mjのゲート−ドレイン間容量、さらに、C’gd5
は次のように定義したものである。 C’gd5 = Cgd5・[Cd2 + (Cg4 + Cd4 + Cgs4) + (Cg5 +Cgs5)] /{Cgd5 + [Cd2 + (Cg4 + Cd4 + Cgs4) + (Cg5 +Cgs5)]} ≒ Cgs5 (77) これらの容量C1(M2)、C1(M3)、およびC2は、次のように
近似できる。 CC/W3 = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd (78) C1(M2)/W3=(1 +β’r(n/p)(1/2))・Cd + 2β’r(n/p)(1/2)・Cgd + 2Cg0・L3fi x ≒ 2Cg0・L3fix (79) ここで、β’r(n/p)は、Pチャネル入力型の場合ではβ
r(p)、Nチャネルの入力型では1/βr(n)となる。
Here, C1(MTwo) Is the output capacitance of MOS M2
Quantity, C1(MThree) Is the output capacitance of MOS M3, CdjIs MOS
Mj drain capacitance, CgjIs the gate capacitance of the MOS Mj,
CgsjIs the gate-source capacitance of MOS Mj, CgdjIs M
The gate-drain capacitance of OS Mj and C ′gd5
Is defined as follows. C ’gd5 = Cgd5・ [Cd2 + (Cg4 + Cd4 + Cgs4) + (Cg5 + Cgs5)] / {Cgd5 + [Cd2 + (Cg4 + Cd4 + Cgs4) + (Cg5 + Cgs5)]} ≒ Cgs5 (77) These capacitances C1(M2), C1(M3), and CTwoIs as follows
Can be approximated. CC/ WThree = n ・ (L1fix/ L3fix) ・ Βr (n / p) ・ Cgd (78) C1(MTwo) / WThree= (1 + β'r (n / p)(1/2)) ・ Cd + 2β'r (n / p)(1/2)・ Cgd + 2Cg0・ L3fi x  ≒ 2Cg0・ L3fix (79) Here, β′r (n / p) is β in the case of the P-channel input type.
r (p), 1 / βr (n) for N-channel input type.

【0101】 C1(M3)/W3 = (1 + β’r(n/p) (1/2))・Cd + [β’r(n/p) + n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)]・Cgd + n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cg0・L1fix ≒ n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cg0・L1fix (80) C2/W3 = n・(L1fix/L3fix)・(1 + βr(n/p))・Cd + n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・ Cgd + 2Cg0・L3fix ≒ 2Cg0・L3fix (81) ここで、Cdは単位ドレイン容量(F/m)、Cgdは単位のゲー
ト−ソース間容量 (F/m)、Cg0は単位ゲート容量(F/
m2)、L3fixは差動段のゲート長、L1fixは出力段のゲー
ト長である。
C 1 (M 3 ) / W 3 = (1 + β′r (n / p) (1/2) ) · C d + [β′r (n / p) + n · (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p)] ・ C gd + n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ C g0・ L 1fix ≒ n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr ( n / p) ・ C g0・ L 1fix (80) C 2 / W 3 = n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ (1 + βr (n / p)) ・ C d + n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ C gd + 2C g0・ L 3fix ≒ 2C g0・ L 3fix (81) where C d is unit drain capacitance (F / m), C gd is unit gate-source capacitance (F / m), and C g0 is unit Gate capacitance (F /
m 2), L 3fix the gate length of the differential stage, L 1fix is the gate length of the output stage.

【0102】従って、それぞれの静電容量の比率を比べ
ることができる CC/C2 ≒ (n/2)・(L1fix/L3fix)・(1/L3fix)・βr(n/p)・(Cgd/Cg0) (82) C1(M2)/C2 ≒ 1 (83) C1(M3)/C2 ≒ C1(M3)/C1(M2) ≒ (n/2)・(L1fix /L3fix)2・βr(n/p) (84) Pチャネル入力型の場合の容量比の和をNチャネルの入
力型の場合のものと比べると、Pチャネル入力型の場合
はNチャネルの入力型の場合よりも、βr(n)> βr(p)
なので小さくなる。それゆえに、位相補償容量が0とな
る極限において、Pチャネル入力型のオペアンプはNチ
ャネル入力型よりも、高速性能に優れる。
Therefore, the ratios of the capacitances can be compared. C C / C 2 ≒ (n / 2) · (L 1fix / L 3fix ) · (1 / L 3fix ) · βr (n / p)・ (C gd / C g0 ) (82) C 1 (M 2 ) / C 2 ≒ 1 (83) C 1 (M 3 ) / C 2 ≒ C 1 (M 3 ) / C 1 (M 2 ) ≒ ( (n / 2) ・ (L 1fix / L 3fix ) 2・ βr (n / p) (84) Compare the sum of the capacitance ratios for the P-channel input type with those for the N-channel input type. In the case of the input type, βr (n)> βr (p) than in the case of the N-channel input type
So it gets smaller. Therefore, in the limit where the phase compensation capacitance becomes 0, the P-channel input type operational amplifier is superior to the N-channel input type in high-speed performance.

【0103】次に、位相補償容量CCが0になる極限にお
いて、電流分布比nを見つける。C1 (M2)においては、 tan(φ) = nCC 2/(C1C2 + C2CC + CCC1) = n・[n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd]2 /{L3fix・Cg0・[2L1fix・Cg0 + (2 + n・(L1fix/L3fix)2・βr(n/p))・Cgd]} (8 5) C1 (M3)においては、 tan(φ) = nCC 2/(C1C2 + C2CC + CCC1) ≒ n・[n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd]2 /{4L3fix・Cg0・[L3fix・Cg0 + n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd]} (86)
Next, the phase compensation capacitance CCIn the limit where
Then, the current distribution ratio n is found. C1 (MTwo), Tan (φ) = nCC Two/ (C1CTwo + CTwoCC + CCC1) = n ・ [n ・ (L1fix/ L3fix) ・ Βr (n / p) ・ Cgd]Two  / {L3fix・ Cg0・ [2L1fix・ Cg0 + (2 + n ・ (L1fix/ L3fix)Two・ Βr (n / p)) ・ Cgd]} (8 5) C1 (MThree), Tan (φ) = nCC Two/ (C1CTwo + CTwoCC + CCC1) ≒ n ・ [n ・ (L1fix/ L3fix) ・ Βr (n / p) ・ Cgd]Two  / {4L3fix・ Cg0・ [L3fix・ Cg0 + n ・ (L1fix/ L3fix) ・ Βr (n / p) ・ Cgd]} (86)

【0104】3次方程式は最低1つの実数解を持ってい
るので、電流比nの3次の方程式(85)および(86)からn
の解を得ることが出来る。 n =β0(n/p)・(W3/L3fix)・VE/[2πfT・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd・W3] (87) 式(87)は、基本的なCMOSオペアンプ構造においてユ
ニティーゲイン周波数fTの極限を与える。(付録Cを参
照)
Since the cubic equation has at least one real solution, the cubic equations (85) and (86) for the current ratio n
Can be obtained. n = β 0 (n / p) ・ (W 3 / L 3fix ) ・ VE / [2πfT ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ C gd・ W 3 ] (87) ) Gives the limit of the unity gain frequency fT in the basic CMOS operational amplifier structure. (See Appendix C)

【0105】[付録A:MOS M3のゲート比率に基
づく全ゲートサイズの公式化]全ての実効バイアス電圧
が設計条件式(25)の下に等しいと仮定できる。従って、
すべてのゲート比率W/Lは、n、η、およびβr(n/p)
で示すことが出来る。そしてこれらのパラメータは、電
流方程式(19),(20)と、オフセット最小条件の式(18)か
ら次のように導くことが出来る。
[Appendix A: Formulation of Total Gate Size Based on Gate Ratio of MOS M3] It can be assumed that all effective bias voltages are equal under the design condition (25). Therefore,
All gate ratios W / L are n, η, and βr (n / p)
Can be indicated by These parameters can be derived from the current equations (19) and (20) and the equation (18) of the minimum offset condition as follows.

【0106】 W1/L1 = 2W3/L3 =2η, W2/L2 = W3/L3 = η, W5/L5 = W4/L4 = βr(n/p)・ W3/L3 = βr(n/p)・η, W7/L7 = n・η, W8/L8 = βr(n/p)・W7/L7 = n・βr(n/p)・η (30) ここで、βr(n/p)はNチャネルMOSのβ0とPチャネ
ルMOSのβ0との比である。 n = 1/γ (31)
W 1 / L 1 = 2W 3 / L 3 = 2η, W 2 / L 2 = W 3 / L 3 = η, W 5 / L 5 = W 4 / L 4 = βr (n / p) · W 3 / L 3 = βr (n / p) ・ η, W 7 / L 7 = n ・ η, W 8 / L 8 = βr (n / p) ・ W 7 / L 7 = n ・ βr (n / p) · η (30) Here, βr (n / p) is the ratio of β 0 of the N-channel MOS to β 0 of the P-channel MOS. n = 1 / γ (31)

【0107】次に証明を与える。図2のCMOSオペア
ンプにおいて、Kirchhoff電流法則は次式の関係を与え
る。 差動段は、Ids1 = Ids2 + Ids3,Ids2 = Ids4,Ids3 =
Ids5,Ids2 = Ids3 (19) 出力段は、Ids7 = Ids8 (20) そして、Ids8 = n Ids3 (26)と仮定することができるの
で、合計電流Itotalは、Itotal = Ids1 + Ids7 = Ids1
+ Ids8 = (n + 2) Ids3 (28)として表せる。
Next, a proof is given. In the CMOS operational amplifier shown in FIG. 2, the Kirchhoff current law gives the following relationship. In the differential stage, Ids 1 = Ids 2 + Ids 3 , Ids 2 = Ids 4 , Ids 3 =
Ids 5, Ids 2 = Ids 3 (19) output stage, Ids 7 = Ids 8 (20 ) Since it can be assumed that Ids 8 = n Ids 3 (26 ), the total current I total, I total = Ids 1 + Ids 7 = Ids 1
+ Ids 8 = (n + 2) Ids 3 (28)

【0108】さらに、Ids(1)を使って電流の方程式を変
形する。 Idsi = (1/2)・β0(n/p)・(Wi/Li)・VEi 2・( 1 + λVdsi) = (1/2)・β0(n/p)・(Wi/Li)・VEi 2 ここで、i = 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8 次のように仮定すると、 VE1 =VE2 = VE3 = VE4 = VE5 = VE7 = VE8 = VE 差動段においては、 Ids2 = Ids4 ⇒ β0(n/p)・(W2/L2) = β0(p/n)・(W4/L
4), Ids3 = Ids5 ⇒ β0(n/p)・( W3/L3) = β0(p/n)・(W5/
L5), Ids2 = Ids3 ⇒ W2/L2 = W3/L3 = η , Ids2 + Ids3 = 2Ids3 ⇒ W1/L1 = (W2/L2) + (W3/L3) 出力段においては、 Ids7 = Ids8 ⇒ β0(n/p)・(W7/L7) = β0(p/n)・(W8/L
8), Ids8 = n Ids3 ⇒ β0(p/n)・(W8/L8)= nβ0(n/p)・(W3/L
3)= n・β0(n/p)・η ゆえに、 W1/L1 = 2W3/L3 =2η, W2/L2 = W3/L3 = η, W5/L5 = W4/L4 = βr(n/p)・W3/L3 = βr(n/p)・η, W7/L7 = n・η, W8/L8 = βr(n/p)・W7/L7 = n・βr(n/p)・η (30)
Further, the current equation is changed using Ids (1).
Shape. Idsi = (1/2) ・ β0(n / p) ・ (Wi/ Li) ・ VEi Two・ (1 + λVdsi) = (1/2) ・ β0(n / p) ・ (Wi/ Li) ・ VEi Two   Here, assuming that i = 1, 2, 3, 4, 5, 7, 81 = VETwo = VEThree = VEFour = VEFive = VE7 = VE8 = Ids for the VE differential stageTwo = IdsFour ⇒ β0(n / p) ・ (WTwo/ LTwo) = β0(p / n) ・ (WFour/ L
Four), IdsThree = IdsFive ⇒ β0(n / p) ・ (WThree/ LThree) = β0(p / n) ・ (WFive/
LFive), IdsTwo = IdsThree ⇒ WTwo/ LTwo = WThree/ LThree = η, IdsTwo + IdsThree = 2IdsThree ⇒ W1/ L1 = (WTwo/ LTwo) + (WThree/ LThree) In the output stage, Ids7 = Ids8 ⇒ β0(n / p) ・ (W7/ L7) = β0(p / n) ・ (W8/ L
8), Ids8 = n IdsThree ⇒ β0(p / n) ・ (W8/ L8) = nβ0(n / p) ・ (WThree/ L
Three) = n ・ β0(n / p) · η Therefore, W1/ L1 = 2WThree/ LThree = 2η, WTwo/ LTwo = WThree/ LThree = η, WFive/ LFive = WFour/ LFour = βr (n / p) ・ WThree/ LThree = βr (n / p) · η, W7/ L7 = n · η, W8/ L8 = βr (n / p) ・ W7/ L7 = n ・ βr (n / p) ・ η (30)

【0109】式(30)にシステムのオフセット最小条件を
適用すると、次式が得られる。 (W4/L4)/(W8/L8) = (W5/L5)/(W8/L8)= [βr(n/p)・η]/
[ n・βr(n/p)・η] = 1/n = γ および (1/2)(W1/L1)/(W7/L7) = (1/2)( 2η)/( n・η) = 1/n
= γ ゆえに次のようになる。 n = 1/γ (31)
When the minimum offset condition of the system is applied to the equation (30), the following equation is obtained. (W 4 / L 4 ) / (W 8 / L 8 ) = (W 5 / L 5 ) / (W 8 / L 8 ) = [βr (n / p) · η] /
[n ・ βr (n / p) ・ η] = 1 / n = γ and (1/2) (W 1 / L 1 ) / (W 7 / L 7 ) = (1/2) (2η) / ( n ・ η) = 1 / n
= γ, so n = 1 / γ (31)

【0110】[付録B:ノイズ・モデルの設計条件]ノ
イズ・モデルを選択する上での判断基準は、信号帯域幅
の最大周波数と最小周波数から導出される。 1. Leq/L3 >> L3/Leqであれば、 ln(Br)/(L3・W3) ≦ 10(-α/10)・ Vin2 /(Kf/Cox) (45) この時、フリッカ・ノイズがメイン・ノイズとなる。 2. Leq/L3 ≒ L3/Leqであれば、 [ln(Br)・L3 2]/B = [16kT/(3・β0(n/p)・VE)]/(Kf/Cox) (46) この時、フリッカ・ノイズと熱雑音がほぼ等しいノイズ
となる。 3. Leq/L3 << L3/Leqであれば、 B・(L3/W3) ≦ 10(-α/10)・Vin2/[16kT/(3・β0(n/p)・VE)] (47) この時、熱雑音がメイン・ノイズとなる。
[Appendix B: Design Conditions of Noise Model] The criterion for selecting a noise model is derived from the maximum frequency and the minimum frequency of the signal bandwidth. 1. If L eq / L 3 >> L 3 / L eq , then ln (B r ) / (L 3 · W 3 ) ≤ 10 (-α / 10) · Vin 2 / (Kf / C ox ) (45) At this time, flicker noise becomes main noise. 2. If L eq / L 3 ≒ L 3 / L eq , then [ln (B r ) · L 3 2 ] / B = [16kT / (3 · β 0 (n / p) · VE)] / (Kf / C ox ) (46) At this time, the flicker noise and the thermal noise are almost equal. 3. If L eq / L 3 << L 3 / L eq , B ・ (L 3 / W 3 ) ≤ 10 (-α / 10)・ Vin 2 / [16kT / (3 ・ β 0 (n / p)・ VE)] (47) At this time, the thermal noise becomes the main noise.

【0111】次に証明を与える。 1. Leq/L3 >> L3/Leqの場合 等価入力ノイズは、次の様に示せる。 vinN 2 ≒ [Kth(B)・Kf(Br)](1/2)・(Leq/L3)・(1/W3) = Kf(Br)/(L3・W3) (B-1) それゆえ、 Vin2/VinN 2 ≧ 10(α/10) ⇒ Vin2/[ Kf(Br)/(L3・W3)] ≧ 10(α/10) (B-2) 従って、 ln(Br)/(L3・W3) ≦ 10(-α/10)・Vin2 /(Kf/Cox) (45) この時、フリッカ・ノイズがメイン・ノイズとなる。Next, a proof is given. 1. In the case of L eq / L 3 >> L 3 / L eq The equivalent input noise can be expressed as follows. v inN 2 ≒ [Kth (B) ・ Kf (B r )] (1/2)・ (L eq / L 3 ) ・ (1 / W 3 ) = Kf (B r ) / (L 3・ W 3 ) (B-1) Therefore, Vin 2 / V inN 2 ≧ 10 (α / 10) ⇒ Vin 2 / [Kf (B r ) / (L 3・ W 3 )] ≧ 10 (α / 10) (B− 2) Therefore, ln (B r ) / (L 3・ W 3 ) ≤ 10 (-α / 10)・ Vin 2 / (Kf / C ox ) (45) At this time, flicker noise becomes main noise .

【0112】2. L3/Leq >> Leq/L3の場合 等価入力ノイズは、次の様に示せる。 vinN 2 ≒ [Kth(B)・Kf(Br)](1/2)・(L3/Leq)・(1/W3) = Kth(B)・(L3/W3) (B-3) それゆえ、 Vin2/VinN 2 ≧ 10(α/10) ⇒ Vin2/[Kth(B)・(L3/W3)] ≧ 10(α/10) (B-4) 従って、 B・(L3/W3) ≦ 10(-α/10)・Vin2/[16kT/(3・β0(n/p)・VE)] (47) この時、熱雑音がメイン・ノイズとなる。[0112] 2. L 3 / L eq >> L eq / L 3 The equivalent input noise can be expressed as follows. v inN 2 ≒ [Kth (B) ・ Kf (B r )] (1/2)・ (L 3 / L eq ) ・ (1 / W 3 ) = Kth (B) ・ (L 3 / W 3 ) ( B-3) Therefore, Vin 2 / V inN 2 ≧ 10 (α / 10) ⇒ Vin 2 / [Kth (B) ・ (L 3 / W 3 )] ≧ 10 (α / 10) (B-4) Therefore, B · (L 3 / W 3 ) ≦ 10 (-α / 10) · Vin 2 / [16kT / (3 · β 0 (n / p) · VE)] (47)・ It becomes noise.

【0113】3. L3/Leq = Leq/L3の場合 Leqの定義式は下記で示される。 Leq = [Kf (Br)/Kth (B)](1/2) (35) それゆえ、 L3 2 = Leq 2 ⇒ L3 2 = {[16kT/(3・β0(n/p)・VE)]・B}/[(Kf/Cox)・ln(Br)] [ln(Br)・L3 2]/B = [16kT/(3・β0(n/p)・VE)]/(Kf/Cox) (46) この時、フリッカ・ノイズと熱雑音はほぼ等しいノイズ
となる。
3. When L 3 / L eq = L eq / L 3 The definition formula of L eq is shown below. L eq = [Kf (B r ) / Kth (B)] (1/2) (35) Therefore, L 3 2 = L eq 2 ⇒ L 3 2 = ([16kT / (3 ・ β 0 (n / p) · VE)] · B} / [(Kf / C ox ) · ln (B r )] [ln (B r ) · L 3 2 ] / B = [16kT / (3 · β 0 (n / p ) · VE)] / (Kf / C ox ) (46) At this time, the flicker noise and the thermal noise are almost equal.

【0114】[付録C:ユニティーゲイン周波数の極
限]次式(87)は、2段型CMOSオペアンプのアーキテ
クチャーでユニティーゲイン周波数fTの極限を決定す
る。 n =β0(n/p)・(W3/L3fix)・VE/[2π・fT・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd・W3 ] (87) 証明する。
[Appendix C: Limit of Unity Gain Frequency] The following equation (87) determines the limit of the unity gain frequency fT in a two-stage CMOS operational amplifier architecture. n = β 0 (n / p) ・ (W 3 / L 3fix ) ・ VE / [2π ・ fT ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ C gd・ W 3 ] (87) Proof I do.

【0115】CMOSオペアンプは、位相補償容量CC
およびユニティーゲイン周波数fTの関係が次のようにな
っている。 gm3 = 2πCC・fT (27) もし、fTが無限の周波数に近づけば、gm3は有限なの
で、CCはゼロに近づかなくてはいけない。位相補償容量
CCがゼロに近づくときに、位相補償容量CCはCgs8に近づ
く。
The CMOS operational amplifier has a phase compensation capacitance C C ,
And the relationship between the unity gain frequency fT is as follows. gm 3 = 2πC C · fT (27) If fT approaches an infinite frequency, gm 3 is finite, so C C must approach zero. Phase compensation capacity
When C C approaches zero, the phase compensation capacitance C C approaches C gs8 .

【0116】 CC = n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・ Cgd・W3 (78) gm3の式(7)と(78)とを、式(27)に代入すると、次のよう
に式(87)を得る。 β0(n/p)・(W3/L3fix)・VE = 2π・n・(L1fix/L3fix)・βr(n
/p)・ Cgd・W3・fT それゆえ n =β0(n/p)・(W3/L3fix)・VE/[2π・fT・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd・W3] (87)
[0116] C C = n · (L 1fix / L 3fix) · βr (n / p) · C gd · W 3 (78) wherein the gm 3 (7) and (78), the equation (27) By substituting, equation (87) is obtained as follows. β 0 (n / p) ・ (W 3 / L 3fix ) ・ VE = 2π ・ n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n
/ p) ・ C gd・ W 3・ fT Therefore n = β 0 (n / p) ・ (W 3 / L 3fix ) ・ VE / [2π ・ fT ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ C gd・ W 3 ] (87)

【0117】それゆえに、最大のユニティーゲイン周波
数fTmaxは、次のような式(87)の変形により表される。 fTmax = β0(n/p)・(W3/L3fix) ・VE/[2π・n・(L1fix/L3fix)・βr(n/p)・Cgd・W3] (C-1)
Therefore, the maximum unity gain frequency fTmax is expressed by a modification of the following equation (87). fT max = β 0 (n / p) ・ (W 3 / L 3fix ) ・ VE / [2π ・ n ・ (L 1fix / L 3fix ) ・ βr (n / p) ・ C gd・ W 3 ] (C- 1)

【0118】以上のように、この実施例のアンプソフト
IPによれば、所定のアンプ特性を入力するとともに、
アンプの最適化条件となる評価関数を選択してやること
で、これらの条件を満たしたCMOSオペアンプの各構
成素子サイズや位相補償容量の容量値などが自動的に求
められる。
As described above, according to the amplifier software IP of this embodiment, while inputting a predetermined amplifier characteristic,
By selecting an evaluation function that is a condition for optimizing the amplifier, the size of each component element and the capacitance value of the phase compensation capacitance of the CMOS operational amplifier satisfying these conditions are automatically obtained.

【0119】従って、例えば、デジタル・アナログ混載
LSIの設計において、従来、障壁となっていたアナロ
グ回路、特にアナログ回路の中でも主な構成要素となる
オペアンプの設計を容易に行うことが出来る。それによ
り、デジタル・アナログ混載LSIの設計効率を各段に
向上させることができる。
Therefore, for example, in the design of a digital / analog mixed LSI, it is possible to easily design an analog circuit which has conventionally been a barrier, especially an operational amplifier which is a main component in the analog circuit. As a result, the design efficiency of the digital / analog mixed LSI can be improved in each stage.

【0120】また、メーカーと顧客側とで共同してLS
Iの設計・製造を行うASIC(Application Specific
IC)の分野において、上記アンプソフトIPを顧客側
に提供することで、デジタル回路におけるゲートアレイ
設計と同様の環境をアナログ回路に構築することも可能
となる。それにより、集積回路の初期設計時にCMOS
オペアンプの設計を顧客サイドで行ったり、顧客サイド
でアナログ回路の最適化を行うことが可能となる。
[0120] The LS and the maker jointly work together
ASIC (Application Specific) that designs and manufactures I
In the field of IC), by providing the amplifier software IP to the customer side, it is also possible to construct an environment similar to a gate array design in a digital circuit in an analog circuit. As a result, CMOS can be used during initial design of the integrated circuit.
It becomes possible to design the operational amplifier on the customer side or to optimize the analog circuit on the customer side.

【0121】また、LSIシステムに要求されるアンプ
特性(例えば伝達関数が定義できる特性パラメータ)を
設定パラメータとする設計アルゴリズムなので、LSI
のシステム設計やシステムシミュレーションを行う際
に、そのアンプ特性により設計やシミュレーションを簡
素化できる。
Further, since the design algorithm uses the amplifier characteristics required for the LSI system (for example, characteristic parameters for which a transfer function can be defined) as setting parameters, the LSI
When performing the system design and the system simulation, the design and simulation can be simplified by the amplifier characteristics.

【0122】また、上記のようなアンプソフトIPを、
例えばフィルタ設計ツールなど、アナログ応用回路の設
計ツールと連携させることで、アナログ応用回路の半導
体レベルの設計ツールとして拡張することが簡単にでき
る。例えば、スイッチドキャパシターフィルターの設計
ツールなどと連携させて、半導体レベルでフィルター設
計を行う有用なツールとすることが出来る。
Also, the amplifier software IP as described above is
For example, by linking with an analog application circuit design tool such as a filter design tool, it can be easily extended as a semiconductor-level design tool for analog application circuits. For example, a useful tool for designing a filter at a semiconductor level can be provided in cooperation with a design tool for a switched capacitor filter.

【0123】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない。
Although the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Needless to say.

【0124】例えば、実施例においては、アンプの性能
をあらわす所定の特性パラメータと、MOSのデバイス
パラメータとを入力パラメータとすると説明したが、デ
バイスパラメータは予め所期の値に設定して使用した
り、また、アンプの特性パラメータについても、その幾
つかは予め所期の値に設定した状態で使用したりするこ
とも出来る。
For example, in the embodiment, it has been described that the predetermined characteristic parameters representing the performance of the amplifier and the device parameters of the MOS are input parameters. However, the device parameters may be set to desired values before use. Some of the characteristic parameters of the amplifier can be used in a state where they are set to desired values in advance.

【0125】また、本発明に係る設計アルゴリズムは、
図2(a)や図3に示したオペアンプに限られず、図2
(b)に示されるAC等価回路に該当するアンプであれ
ば、どのような型のCMOSオペアンプに対しても同様
に適用することが可能である。CMOSオペアンプの型
を変更する際には、設計アルゴリズムのステップ6とス
テップ7に使用するMOSサイズの公式を、その型に応
じた式に書きかえれば良い。
The design algorithm according to the present invention
It is not limited to the operational amplifiers shown in FIGS.
The present invention can be similarly applied to any type of CMOS operational amplifier as long as the amplifier corresponds to the AC equivalent circuit shown in FIG. When changing the type of the CMOS operational amplifier, the formula of the MOS size used in steps 6 and 7 of the design algorithm may be rewritten into an expression corresponding to the type.

【0126】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野であるデジタ
ル・アナログ混載LSIの設計システムについて説明し
たがこの発明はそれに限定されるものでなく、オペアン
プを有するアナログ回路を搭載する半導体集積回路の設
計システムに広く利用することができる。
In the above description, a design system for a digital / analog mixed LSI, which is an application field in which the invention made by the present inventor was used as a background, has been described. However, the present invention is not limited to this. It can be widely used for a design system of a semiconductor integrated circuit on which an analog circuit is mounted.

【0127】[0127]

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記
のとおりである。
The effects obtained by typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.

【0128】すなわち、本発明に従うと、所定のアンプ
特性を入力し、アンプの最適化条件となる評価関数を選
択してやることで、これらの条件を満たしたCMOSオ
ペアンプの各構成素子サイズや位相補償容量の容量値な
どが自動的に求められるので、例えば、デジタル・アナ
ログ混載LSIの設計効率を各段に向上させることが出
来るという効果がある。
That is, according to the present invention, by inputting a predetermined amplifier characteristic and selecting an evaluation function which is a condition for optimizing the amplifier, each component size and phase compensation capacitance of the CMOS operational amplifier satisfying these conditions are selected. Is automatically obtained, for example, there is an effect that the design efficiency of a digital / analog mixed LSI can be improved in each stage.

【0129】また、LSIシステムに要求されるアンプ
特性を設定パラメータとする設計アルゴリズムなので、
LSIのシステム設計やシステムシミュレーションを行
う際に、そのアンプ特性により設計やシミュレーション
を簡素化できるという効果がある。
Since the design algorithm uses the amplifier characteristics required for the LSI system as setting parameters,
When performing system design and system simulation of an LSI, there is an effect that the design and simulation can be simplified by the amplifier characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るCMOSオペアンプの設計システ
ムが利用されるデジタル・アナログ混載LSIの設計手
順を示すフロー図である。
FIG. 1 is a flowchart showing a design procedure of a digital / analog mixed LSI in which a CMOS operational amplifier design system according to the present invention is used.

【図2】実施例の設計システムが設計対象とするCMO
Sオペアンプの回路構成図およびAC等価回路図であ
る。
FIG. 2 is a CMO to be designed by the design system of the embodiment.
FIG. 3 is a circuit configuration diagram and an AC equivalent circuit diagram of the S operational amplifier.

【図3】設計対象となりえるCMOSオペアンプのその
他の回路構成図の一例である。
FIG. 3 is an example of another circuit configuration diagram of a CMOS operational amplifier that can be a design target.

【図4】カスケード接続された利得1のオペアンプと等
価回路を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a cascaded operational amplifier with a gain of 1 and an equivalent circuit.

【図5】実施例の設計システムにより求められたアンプ
の設計定数を表した図表である。
FIG. 5 is a table showing amplifier design constants obtained by the design system of the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

12 アンプソフトIP M1〜M5 差動段を構成するMOSFET M7,M8 出力段を構成するMOSFET C 位相補償容量12 Amplifier software IP M1 to M5 MOSFETs M7 and M8 constituting a differential stage MOSFET Cc constituting an output stage Phase compensation capacitance of C C

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Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 縦続接続された2段の増幅回路の各出力
ノード間を位相補償容量を介して接続してなる回路とA
C的に等価なCMOSオペアンプの設計定数を求めるC
MOSオペアンプの設計システムであって、 演算に必要な特性パラメータとして、オペアンプのDC
ゲインa0、ユニィティーゲイン周波数fT、位相余裕φ、
SN比αを入力する手段と、 上記特性パラメータ、および、次の1〜5の条件から導
かれるアルゴリズムに基づいて上記CMOSオペアンプ
の各構成素子の設計定数を求める演算手段と、 1.位相補償容量CC = ( C1・C2・tan(φ)/2)(1/2) C1:初段の増幅回路の出力負荷容量 C2:第2段目の増幅回路の出力負荷容量 2.合計電流Itotalに対する位相補償容量CCの感度が最
小 ∂Itotal(CC)/∂(CC) = 0 3.ユニィティーゲイン周波数fTと初段の増幅回路の電
流Ids3との関係式 Ids3 = πCC・fT・VE VE:実効バイアス電圧 4.初段の増幅回路の利得a1と第2段の増幅回路の利得
a2とが等しい a1 = a2 = (a0)(1/2) 5.初段の増幅回路に流れる電流gm3と第2段の増幅回
路に流れる電流gm8の電流比nの条件式 n = gm8/gm3 = [(C1C2 + C2CC + CCC1)/CC 2]・tan(φ) を備えたことを特徴とするCMOSオペアンプの設計シ
ステム。
A circuit in which output nodes of two stages of cascaded amplifier circuits are connected via a phase compensation capacitor and A
C for finding the design constant of a CMOS operational amplifier equivalent to C
This is a design system for MOS operational amplifiers.
Gain a 0 , unity gain frequency fT, phase margin φ,
Means for inputting an SN ratio α; calculating means for calculating design constants of each component of the CMOS operational amplifier based on the characteristic parameters and an algorithm derived from the following conditions 1 to 5: Phase compensation capacitance C C = (C 1 · C 2 · tan (φ) / 2) (1/2) C 1 : Output load capacitance of the first stage amplifier circuit C 2 : Output load capacitance of the second stage amplifier circuit 2. 2. The sensitivity of the phase compensation capacitor C C to the total current I total is the minimum ∂I total (C C ) / ∂ (C C ) = 0. 3. Relational expression between the unity gain frequency fT and the current Ids 3 of the first-stage amplifier circuit Ids 3 = πC C · fT · VE VE: Effective bias voltage The gain a 1 of the first stage amplifier and the gain of the second stage amplifier
a 2 are equal a 1 = a 2 = (a 0) (1/2) 5. Conditional expression n = gm 8 / gm 3 = [(C 1 C 2 + C 2 C C + C C] for the current ratio n of the current gm 3 flowing through the first stage amplifier circuit and the current gm 8 flowing through the second stage amplifier circuit C 1 ) / C C 2 ] · tan (φ).
【請求項2】 上記演算手段は、さらに次の6の条件 6.実効バイアス電圧VE ≦ 2/((a0)(1/2)・λ(n//p)) λ(n//p):λ(n//p) = λ(n/p) + λ(p/n) λ(n/p):飽和領域におけるnチャネルMOSのチャネ
ル変調パラメータ λ(p/n):飽和領域におけるpチャネルMOSのチャネル
変調パラメータ の条件を満たすように演算を行うことを特徴とする請求
項1記載のCMOSオペアンプの設計システム。
2. The arithmetic unit further includes the following six conditions: Effective bias voltage VE ≦ 2 / ((a 0 ) (1/2) · λ (n // p)) λ (n // p): λ (n // p) = λ (n / p) + λ (p / n) λ (n / p): Channel modulation parameter of n-channel MOS in the saturation region λ (p / n): Channel modulation parameter of p-channel MOS in the saturation region The CMOS operational amplifier design system according to claim 1, wherein:
【請求項3】 CMOSオペアンプに係る所定の物理量
を表す評価関数を設定する手段を備え、 上記演算手段は、上記評価関数に基づき上記設計定数を
最適化するアルゴリズムを含むことを特徴とする請求項
1又は2に記載のCMOSオペアンプの設計システム。
3. The method according to claim 2, further comprising: setting an evaluation function representing a predetermined physical quantity related to the CMOS operational amplifier; wherein the calculation means includes an algorithm for optimizing the design constant based on the evaluation function. 3. The design system for a CMOS operational amplifier according to 1 or 2.
【請求項4】 演算に必要なデバイスパラメータとし
て、電源電圧VDD、NチャネルMOSとPチャネルM
OSのしきい値電圧Vth(n),Vth(p)、電圧−電流利得比
β(n),β(p)、チャネル変調パラメータλ(n),λ
(p)、フリッカノイズ係数k(n),k(p)、単位ゲート容
量Cox、単位拡散容量Cd、単位ゲート・ソース間容量C
gs、単位ゲート・ドレイン間容量Cgd、を入力する手段
を備え、 上記演算手段は、さらに上記デバイスパラメータに基づ
き演算を行うように構成されていることを特徴とする請
求項1〜3に記載のCMOSオペアンプの設計システ
ム。
4. Device parameters required for the calculation include a power supply voltage VDD, an N-channel MOS and a P-channel M
OS threshold voltages Vth (n), Vth (p), voltage-current gain ratios β 0 (n), β 0 (p), channel modulation parameters λ (n), λ
(p), flicker noise coefficient k (n), k (p), unit gate capacitance Cox, unit diffusion capacitance Cd, unit gate-source capacitance C
gs, a unit gate-drain capacitance Cgd, and an input unit, wherein the operation unit is further configured to perform an operation based on the device parameter. CMOS operational amplifier design system.
【請求項5】 縦続接続された2段の増幅回路の各出力
ノード間を位相補償容量を介して接続してなる回路とA
C的に等価なCMOSオペアンプの設計定数をコンピュ
ータを用いて求めるCMOSオペアンプの設計方法であ
って、 演算に必要な特性パラメータとして、オペアンプのDC
ゲインa0、ユニィティーゲイン周波数fT、位相余裕φ、
SN比α、を入力するルーチンと、 演算に必要なデバイスパラメータとして、電源電圧VD
D、NチャネルMOSとPチャネルMOSのしきい値電
圧Vth(n),Vth(p)、電圧−電流利得比β(n),β
(p)、チャネル変調パラメータλ(n),λ(p)、フリッ
カノイズ係数k(n),k(p)、単位ゲート容量Cox、単位
拡散容量Cd、単位ゲート・ソース間容量Cgs、単位ゲ
ート・ドレイン間容量Cgd、を入力するルーチンと、 CMOSオペアンプに係る所定の物理量を表す評価関数
を設定するルーチンと、 上記特性パラメータ、デバイスパラメータ、並びに、次
の1〜6の条件から導かれるアルゴリズム、および、上
記評価関数に基づき設計定数を最適化するアルゴリズム
に基づいて上記CMOSオペアンプの各構成素子の設計
定数を求める演算ルーチンと、 1.位相補償容量CC = ( C1・C2・tan(φ)/2)(1/2) C1:初段の増幅回路の出力負荷容量 C2:第2段目の増幅回路の出力負荷容量 2.合計電流Itotalに対する位相補償容量CCの感度が最
小 ∂Itotal(CC)/∂(CC) = 0 3.ユニィティーゲイン周波数fTと初段の増幅回路の電
流Ids3との関係式 Ids3 = πCC・fT・VE VE:実効バイアス電圧 4.初段の増幅回路の利得a1と第2段の増幅回路の利得
a2とが等しい a1 = a2 = (a0)(1/2) 5.初段の増幅回路に流れる電流gm3と第2段の増幅回
路に流れる電流gm8の電流比nの条件式 n = gm8/gm3 = [(C1C2 + C2CC + CCC1)/CC 2]・tan(φ) 6.実効バイアス電圧VE ≦ 2/((a0)(1/2)・λ(n//p)) λ(n//p):λ(n//p) = λ(n/p) + λ(p/n) λ(n/p):飽和領域におけるnチャネルMOSのチャネ
ル変調パラメータ λ(p/n):飽和領域におけるpチャネルMOSのチャネル
変調パラメータ を備えたことを特徴とするCMOSオペアンプの設計方
法。
5. A circuit in which output nodes of two cascade-connected amplifier circuits are connected via a phase compensation capacitor, and
This is a method for designing a CMOS operational amplifier that obtains a design constant of a CMOS operational amplifier equivalent to C by using a computer, wherein a DC parameter of the operational amplifier is used as a characteristic parameter required for calculation.
Gain a 0 , unity gain frequency fT, phase margin φ,
A routine for inputting the SN ratio α, and a power supply voltage VD
D, threshold voltages Vth (n) and Vth (p) of N-channel MOS and P-channel MOS, and voltage-current gain ratio β 0 (n), β
0 (p), channel modulation parameters λ (n), λ (p), flicker noise coefficient k (n), k (p), unit gate capacitance Cox, unit diffusion capacitance Cd, unit gate-source capacitance Cgs, unit A routine for inputting a gate-drain capacitance Cgd, a routine for setting an evaluation function representing a predetermined physical quantity related to a CMOS operational amplifier, an algorithm derived from the above characteristic parameters, device parameters, and the following conditions 1 to 6: And an operation routine for obtaining a design constant of each component of the CMOS operational amplifier based on an algorithm for optimizing the design constant based on the evaluation function; Phase compensation capacitance C C = (C 1 · C 2 · tan (φ) / 2) (1/2) C 1 : Output load capacitance of the first stage amplifier circuit C 2 : Output load capacitance of the second stage amplifier circuit 2. 2. The sensitivity of the phase compensation capacitor C C to the total current I total is the minimum ∂I total (C C ) / ∂ (C C ) = 0. 3. Relational expression between the unity gain frequency fT and the current Ids 3 of the first-stage amplifier circuit Ids 3 = πC C · fT · VE VE: Effective bias voltage The gain a 1 of the first stage amplifier and the gain of the second stage amplifier
a 2 are equal a 1 = a 2 = (a 0) (1/2) 5. Conditional expression n = gm 8 / gm 3 = [(C 1 C 2 + C 2 C C + C C) for the current ratio n of the current gm 3 flowing through the first stage amplifier circuit and the current gm 8 flowing through the second stage amplifier circuit C 1 ) / C C 2 ] · tan (φ) 6. Effective bias voltage VE ≦ 2 / ((a 0 ) (1/2) · λ (n // p)) λ (n // p): λ (n // p) = λ (n / p) + λ (p / n) λ (n / p): channel modulation parameter of n-channel MOS in the saturation region λ (p / n): channel modulation parameter of p-channel MOS in the saturation region Design method.
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Cited By (5)

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