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CMOSアンプ（相補型金属酸化膜半導体アンプ）は、コンピュータ、オーディオパワーアンプ、スマートフォン、カメラ、通信システム、生体医療回路、その他多くのシステムで使用される遍在するアナログ回路です。その性能は、システムの全体的な仕様に影響を与えます。CMOSアンプという名称は、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）とは対照的に、 MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を使用していることに由来します。MOSFETはBJTアンプよりも製造が容易で安価ですが、非常に高性能な回路を設計できるほど十分な相互コンダクタンスを備えています。高性能CMOS（相補型金属酸化膜半導体）アンプ回路では、トランジスタは信号を増幅するだけでなく、抵抗負荷と比較してより高いゲインと出力スイングを実現するためのアクティブ負荷としても使用されます。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
CMOS技術は主にデジタル回路設計のために導入されました。過去数十年間、デジタル集積回路（IC）の速度、消費電力、必要面積、その他の側面を改善するために、MOSFETトランジスタのフィーチャサイズは縮小してきました（新しいCMOS技術ではトランジスタの最小チャネル長が短くなっています）。この現象は1975年にゴードン・ムーアによって予測され、ムーアの法則と呼ばれ、約2年ごとにICのシリコン面積が同じであればトランジスタの数が2倍になることを示しています。メモリ回路設計の進歩は、過去数十年間でプロセス進歩が要求サイズと性能にどのように影響したかを見る興味深い例です。1956年には5MBのハードディスクドライブ（HDD）は1トン以上ありましたが[ 4 ] 、今日では数十グラムの重量で50000倍の容量を持つものが非常に一般的になっています[ 5 ] 。
デジタルICは微細化の恩恵を受けてきた一方で、アナログCMOSアンプは、アナログ設計の本質的な制約（例えば、短チャネルトランジスタの固有のゲイン低下など、アンプ全体のゲインに影響を与える）のために、それに見合うメリットを得られていない。より高いゲインを実現する新しい技術は、閉ループアプリケーションにおけるアンプの安定性など、新たな問題も生み出す。以下では、これらの両方の側面を取り上げ、これらの問題を克服するためのさまざまな方法をまとめる。
単一のMOSFETトランジスタの最大ゲインは固有ゲインと呼ばれ、次の値に等しい。
どこは相互コンダクタンスであり、はトランジスタの出力抵抗です。一次近似として、はトランジスタのチャネル長に直接比例します。単段アンプでは、チャネル長を長くすることで出力抵抗とゲインを高くすることができますが、これはトランジスタの寄生容量も増加させ、アンプの帯域幅を制限します。最新のCMOS技術ではトランジスタのチャネル長が短いため、単段アンプで高ゲインを実現することは非常に困難です。高ゲインを実現するために、文献では多くの手法が提案されています。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]次のセクションでは、さまざまなアンプのトポロジーとその特徴について見ていきます。
テレスコピック、フォールデッドカスコード（FC）、またはリサイクリングFC（RFC）は、最も一般的な単段アンプです。これらの構造はすべて、トランジスタをアクティブ負荷として使用して、より高い出力抵抗（＝ より高いゲイン）と出力スイングを提供します。テレスコピックアンプは、より高いゲイン（より高い出力抵抗による）とより広い帯域幅（カスコードノードの非支配極が小さいことによる）を提供します。対照的に、出力スイングが制限され、ユニティゲインバッファの実装が困難です。FCはゲインと帯域幅は低いですが、より高い出力スイングを提供できます。これは、電源電圧が低下した最新のCMOSテクノロジーにおいて重要な利点です。また、入力ノードと出力ノードのDC電圧を同じにできるため、ユニティゲインバッファの実装により適しています。[ 3 ] FCは最近、バイオナノセンサーアプリケーションの積分器を実装するために使用されています。 [ 9 ] [ 10 ]また、多段アンプのステージとして使用することもできます。例えば、FC は、神経活動や DNA センシングを測定するポテンショスタット回路の設計において、2 段増幅器の入力段として使用されます。 [ 11 ]また、トランスインピーダンス増幅器(TIA) を実現するためにも使用できます。TIA は、電流測定バイオセンサーで細胞や溶液の電流を測定し、テスト対象デバイスの特性を定義するために使用できます。[ 12 ] 過去 10 年間、回路設計者は FC 回路のさまざまな改良版を提案してきました。RFC は FC 増幅器の改良版の 1 つで、FC と比較して (同じ消費電力で)より高いゲイン、より高い帯域幅、およびより高いスルーレートを提供します。 [ 13 ]最近では、RFC 増幅器は、サブ秒単位のドーパミン測定のためのハイブリッド CMOS –グラフェンセンサーアレイで使用されています。[ 14 ]積分器を実装するための低ノイズ増幅器として使用されます。
多くのアプリケーションでは、アンプは負荷としてコンデンサを駆動します。スイッチドキャパシタ回路などの一部のアプリケーションでは、容量性負荷の値がサイクルごとに変化します。そのため、出力ノードの時定数とアンプの周波数応答に影響を与えます。あらゆる容量性負荷に対してアンプが安定して動作することが必要であり、設計者は回路設計時にこの問題を考慮する必要があります。設計者は、最悪の場合に対して回路の位相余裕（PM）が十分であることを確認する必要があります。適切な回路動作と時間応答を得るために、設計者は通常、PMを60度とします。PM値が大きいほど回路は安定しますが、出力電圧が最終値に達するまでに時間がかかります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]テレスコピックアンプとFCアンプでは、支配極は出力ノードにあります。また、カスコードノードには非支配極があります。[ 3 ]容量性負荷が出力ノードに接続されているため、その値は支配極の位置に影響を与えます。この図は、容量性負荷が支配極の位置にどのように影響するかを示しています。そして安定性。容量負荷が増加すると、支配極が原点に近づき、周波数が1であるためは（アンプのゲイン）倍また、原点に向かって移動します。したがって、PMが増加し、安定性が向上します。つまり、最小容量負荷で回路の安定性を確保すれば、より大きな負荷値でも安定性を維持できます。[ 2 ] [ 3 ] 60度を超えるPMを達成するには、非支配極がより大きくなければならない
スイッチドキャパシタフィルタや積分器、各種アナログ-デジタルコンバータなどのアプリケーションでは、高ゲイン (70～80 dB) が必要であり、必要なゲインを単段アンプで達成することは不可能な場合がある。[ 6 ]これは、チャネル長が短いためトランジスタの出力抵抗が小さい現代の CMOS テクノロジーではより深刻である。高ゲインと高出力スイングの両方を実現するために、多段アンプが発明された。2 段アンプを実現するには、第 1 段として FC アンプ、第 2 段としてコモン ソースアンプを使用できる。また、4 段アンプを実現するには、3 つのコモン ソースアンプを FC アンプとカスケード接続できる。[ 15 ]大きな容量負荷または小さな抵抗負荷を駆動するには、出力段はクラス AB である必要があることに留意すべきである。[ 2 ]例えば、クラス AB動作のコモン ソースアンプを 3 段アンプの最終段として使用することで、駆動能力だけでなくゲインも向上させることができる。[ 16 ]クラスABアンプはLCDの列ドライバとして使用できます。[ 17 ]
単段アンプとは異なり、多段アンプは通常 3 つ以上の極を持ち、フィードバック ネットワークで使用される場合、閉ループ システムは不安定になる可能性があります。多段アンプで安定した動作を実現するには、補償ネットワークを使用する必要があります。補償ネットワークの主な目的は、十分な PM を達成するようにシステムの伝達関数を変更することです。[ 2 ] [ 3 ]したがって、補償ネットワークを使用することで、単段アンプで示したものと同様の周波数応答が得られるはずです。単段アンプでは、容量性負荷が出力ノードに接続され、そのノードに支配的な極が発生し、その値を大きくすると PM が改善されます。[ 3 ]つまり、補償コンデンサ (ネットワーク) のように機能します。多段アンプを補償するには、通常、補償コンデンサを使用して支配的な極を低周波数に移動させ、十分な PM を達成します。
下図は、完全差動モードおよびシングルエンドモードにおける2段アンプのブロック図を示しています。2段アンプでは、入力段はテレスコピックアンプまたはFCアンプのいずれかになります。第2段には、アクティブ負荷を備えた共通ソースアンプが一般的に用いられます。第1段の出力抵抗は第2段の出力抵抗よりもはるかに大きいため、支配極は第1段の出力に位置します。
補償がない場合、アンプは不安定になるか、少なくとも十分なPMがありません。負荷容量は第2段の出力に接続され、非支配極はそこに発生します。したがって、単段アンプとは異なり、容量負荷の増加は非支配極を低周波数に移動させ、PMを悪化させます。[ 3 ] Mesriらは、単段アンプのように動作する2段アンプを提案し、容量負荷の値が大きい場合でもアンプは安定しています。[ 6 ] [ 7 ] 適切な動作を得るには、2段または多段アンプを補償する必要があります。下の図の左側のブロック図に示すように、2段アンプを補償する最も簡単な方法は、第1段の出力に補償コンデンサを接続し、支配極を低周波数に移動させることです。しかし、シリコンチップ上にコンデンサを実現するにはかなりの面積が必要です。 2段増幅器で最も一般的な補償方法はミラー補償です（下図の中央のブロック図）。[ 2 ] [ 3 ] [ 8 ]この方法では、補償コンデンサが第2段の入力ノードと出力ノードの間に配置されます。この場合、補償コンデンサはミラー補償方式は、第1段の出力で倍の振幅を持ち、支配極とユニティゲイン周波数を低周波数側に押し下げます。さらに、極分割効果により、非支配極も高周波数側に移動します。したがって、アンプを安定させるのに適した方式です。ミラー補償方式の主な利点は、必要な補償コンデンサのサイズを倍に縮小できることです。ミラー補償コンデンサから生じる問題は、右半平面 (RHP) ゼロを導入し、PM を低下させることです。幸いなことに、この問題を解決するためにさまざまな方法が提案されています。たとえば、RHP ゼロの影響を打ち消すために、補償コンデンサと直列にヌリング抵抗を使用できます (下図の右側のブロック図)。抵抗値に基づいて、RHP ゼロをより高い周波数に移動 (PM への影響を打ち消すため)、またはそれを LHP に移動 (PM を改善するため)、あるいは最初の非支配極を削除して帯域幅と PM を改善することもできます。この補償方法は、最近、ポテンショスタット回路のアンプ設計で使用されています。[ 11 ]プロセス変動により、抵抗値は 10% 以上変化する可能性があり、そのため安定性に影響します。補償コンデンサと直列に電流バッファまたは電圧バッファを使用することも、より良い結果を得るための別のオプションです。[ 2 ] [ 3 ] [ 8 ]
