Design of Inverter Based CMOS Amplifiers in Deep Nanoscale Technologies

Abstract

In this work, it is proposed a fully differential ring amplifier topology with a deadzone voltage created by a CMOS resistor with a biasing circuit to increase the robustness over PVT variations. The study focuses on analyzing the performance of the ring amplifier over process, temperature, and supply voltage variations, in order to guarantee a viable industrial employment in a 7 nm FinFET CMOS technology node for being used as residue amplifier in ADCs. A ring amplifier is a small modular amplifier, derived from a ring oscillator. It is simple enough that it can quickly be designed using only a few inverters, capacitors, and switches. It can amplify with rail-to-rail output swing, competently charge large capacitive loads using slew-based charging, and scale well in performance according to process trends. In typical process corner, a gain of 72 dB is achieved with a settling time of 150 ps. Throughout the study, the proposed topology is compared with others presented in literature showing better results over corners and presenting a faster response. The proposed topology isn’t yet suitable for industry use, because it presents one corner significantly slower than the rest, namely process corner FF 125 °C, and process corner FS -40 °C with a small oscillation throughout the entire amplification period. Nevertheless, it proved itself to be a promising technique, showing a high gain and a fast settling without oscillation phase, with room for improvement.

Neste trabalho, é proposta uma topologia de ring amplifier com a deadzone a ser criada através de uma resistência CMOS com um circuito de polarização para aumentar a robustez para as variações PVT. O estudo foca-se em analisar a performance do ring amplifier nas variações de processo, temperatura e tensão de alimentação, de forma a garantir um uso viável em indústria na tecnologia de 7 nm FinFET CMOS, para ser usado como amplificador de resíduo em ADCs. Um ring amplifier é um pequeno amplificador modular, derivado do ring oscillator. É simples o suficiente para ser facilmente projetado usando apenas poucos inversores, condensadores e interruptores. Consegue amplificar com rail-to-rail output swing, carregar grandes cargas capacitivas com carregamento slew-based e escalar bem em termos de performance de acordo com o processo. No typical process corner, foi obtido um ganho de 72 dB com um tempo de estabilização de 150 ps. Durante o estudo, a topologia proposta é comparada com outras presentes na literatura mostrando melhores resultados over corners e apresentando uma resposta mais rápida. A topologia proposta ainda não está preparada para uso industrial uma vez que apresenta um corner significativamente mais lento que os restantes, nomeadamente, process corner FF 125 °C, e outro process corner, FS -40 °C, com uma pequena oscilação durante todo o período de amplificação. Todavia, provou ser uma técnica promissora, apresentando um ganho elevado e uma rápida estabilização sem fase de oscilação, com espaço para melhoria.