Diseño OTA

AVANCE DE PROYECTO - Profesor: Javier Ferney Ardila Ochoa- Fecha de presentación: Enero 18 de 2015
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y DE TELECOMUNICACIONES

Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN OTA
(OPERATIONAL TRANSCONDUCTANCE
AMPLIFIER)
Fundamentos de Circuitos Analógicos (23414) Grupo (O2-O3)Autores (Jhon Alexander Gómez Quintanilla, 2111550, sasu.lero.123@gmail.com
Harold Hernando Monroy Buitrago, 2092425, hhmonroyb@hotmail.com
Sergio Enrique Reyes Aparicio, 2100171, sergioapa59@hotmail.com)

DISEÑO Y ANÁLISIS TEÓRICO DEL OTA.
A. Modelo Circuital OTA.
El modelo circuital que debe cumplir los objetivos de
características y especificaciones, fijadas a continuación, es el
mostrado enla Figura 1.
- |Ganancia total de amplificación| ≥ 70 [dB]
- Rango de excursión a la salida ≥ 2,5 [V]
- Rango de entrada en modo común ≥1,8 [V]
- 1≤ (𝑤⁄𝑙 ) ≤100
- L= 1[μm]
- Vov ≥ 0,2 [V]

 Ganancia total del OTA:
A continuación, se define la ganancia total del modelo
circuital, en pequeña señal, de un amplificador mosfet por
etapas; Primera etapa en conexión con carga activa y segundaetapa en conexión surtidor común:
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑒𝑟𝑎 𝐸𝑡𝑎𝑝𝑎: |𝐴𝑣1| = 𝑔𝑚2 (𝑅𝑜4 || 𝑅𝑜2)
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑆𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑎 𝐸𝑡𝑎𝑝𝑎: |𝐴𝑣2| = 𝑔𝑚7 (𝑅𝑜7 || 𝑅𝑜6)
𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑀𝑜𝑑𝑒𝑙𝑜 𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑎𝑙: 𝐴𝑣𝑇𝑀𝐶 = |𝐴𝑣1| ∗ |𝐴𝑣2|
𝐴𝑣𝑇𝑀𝐶 = ([𝑔𝑚2 (𝑅𝑜4 || 𝑅𝑜2)] ∗ [ 𝑔𝑚7 (𝑅𝑜7 || 𝑅𝑜6)] ) ≥ 70 [dB] (1)

Dónde:
- (gm2 y gm7): Son los parámetros de transconductacia de los
transistores Mosfet M2 y M7.
- (Ro4 || Ro2) y (Ro4 || Ro2): Son lasresistencias vistas desde
el nodo de salida a tierra, por etapas, del modelo circuital,
Ahora se analiza, teóricamente; el
transconductacia de los mosfet M2 y M7:

parámetro

𝑔𝑚2 = √2 ∗ 𝐼𝐷2 ∗ 𝜇𝑝𝐶𝑜𝑥 ∗ (𝑤⁄𝑙 )
𝑔𝑚7 = √2 ∗ 𝐼𝐷7 ∗ 𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥 ∗ (𝑤⁄𝑙 )

Figura 1 Modelo Circuital OTA a Diseñar.

B. Análisis y diseño de un amplificador OTA: Se parte del
modelo circuital de la Figura 1. Asumiendotodos los
transistores mosfet en saturación como zona de operación,
para este modelo circuital se detalla el siguiente análisis
teórico:

2

7

de

(2)

(3)

Dónde:
- (ID2 e ID7): Son las corrientes que fluyen de drenador a
surtidor en el los transistores mosfet M2 y M7
respectivamente.
- (𝑤⁄𝑙) 𝑦 (𝑤⁄𝑙) : Son los parámetros de construcción de los
2
7
transistores mosfet M2 y M7,l =largo del canal, w =ancho del
dispositivo.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T
“Perfecta combinación entre energía e intelecto ”

AVANCE DE PROYECTO - Profesor: Javier Ferney Ardila Ochoa- Fecha de presentación: Enero 18 de 2015
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍAS ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA YDE TELECOMUNICACIONES

Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto

Ahora: Reemplazando (2) y (3) en (1), tomando 𝑅𝑜2,4,7,6 como
1
, e 𝐼𝐷2,4,7,6 en términos de Iref, se obtiene
⁄( λ ∗ 𝐼𝐷
𝑛,𝑝
2,4,7,6 )
la expresión para la ganancia total del modelo circuital.
2

|𝐴𝑣𝑇𝑀𝐶| =

√2 ∗ 𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥 ∗ (𝑤⁄𝑙 ) ∗ √𝜇𝑝𝐶𝑜𝑥 ∗ (𝑤⁄𝑙 ) ∗ (λn+ λp)
7

2

𝐼𝑟𝑒𝑓
|𝐴𝑣𝑇𝑀𝐶| ≥ 70 [𝑑𝐵]
(4)



PotenciaConsumida por el OTA: Potencia consumida
permitida (≤ 10[mW])
La potencia total consumida se toma como el producto entre la
suma de las corrientes que salen de VDD, ID6=ID5=ID8=Iref,
y el valor de este.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = (ID6 + ID5 + ID8) ∗ 𝑉𝐷𝐷
Ahora, se asume simetría entre los transistores mosfet 𝑀1,2 ,
𝑀3,4 y 𝑀5,8,6 , para afirmar la conexión, entre estos, como un
espejo de corriente, por lotanto:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = (3 ∗ 𝐼𝐵𝑖𝑎𝑠) ∗ 𝑉𝐷𝐷 = 𝑂, 42 [𝑚𝑊] (5)


Rango de excursión a la salida del OTA (DRout) y Rango
de entrada en modo común del OTA:

Se tiene:
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝑜𝑣6
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑜𝑣7

Dónde:
𝑤
𝑉𝑜𝑣7 = √2 ∗ 𝐼𝑟𝑒𝑓 ⁄𝜇𝑛𝐶𝑜𝑥 ( )
𝑙 7

Por lo tanto se obtiene:
𝑅𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝑜𝑣6 − 𝑉𝑜𝑣7 ≥ 2,5 [𝑉] (6.1)
Ahora se tiene:
𝑉𝑐𝑚𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝑜𝑣5
𝑉𝑐𝑚𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝐺𝑆1 + 𝑉𝑜𝑣3
𝑅𝑉𝑐𝑚𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝑜𝑣5 −...