Study and design of rail-to-rail OTAs in 65 nm technology

Abstract

The Technological Unit of the Institute of Cosmos Science of the University of Barcelona (ICCUB-TECH) is focused on developing ultrafast read-out electronics for high-energy physics, medical imaging, astrophysics and space. The group has developed Application Specific Integrated Circuits (ASIC) for many different applications. In the framework of bridging developments and improvements in radiation detectors, ICCUB-TECH and the European Organization for Nuclear Research (CERN) collaborate in the design of a new front-end Application Specific Integrated Circuit (ASIC) (FastIC) in 65 nm CMOS technology, devoted for fast-timing applications in high energy physics, medical imaging, and other fields such as Fluorescence Lifetime Imaging, LIDAR and direct 3D-Imaging. This Master Thesis presents the design of three different Rail-to-Rail (RTR) Operational Transconductance Amplifiers (OTA) that will be included in the FastIC ASIC. The first version of the RTR OTA is a slow version with a GBW of 1,5 MHz and a power consumption of 70 µW, capable of driving a capacitive load of 1 pF. The second version of the RTR OTA is a fast version with a GBW of 115 MHz and a power consumption of around 700 µW, driving a capacitive load of 1 pF. The third version of the RTR OTA is a modification of the second version with a Slew Rate (SR) enhancement up to 330 V/µs and a GBW of 143 MHz.

La Unidad Tecnológica del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB-TECH) se dedica a desarrollar electrónica de lectura para física de altas energías, imagen médica, astrofísica y aplicaciones espaciales. El grupo ha desarrollado Circuitos Integrados para Aplicaciones Específicas (ASIC) para diferentes aplicaciones. Con el objetivo de desarrollar mejoras en detectores de radiación, el ICCUB-TECH i la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) colaboran en el diseño de un ASIC de lectura en tecnología CMOS de 65 nm, dedicado a aplicaciones rápidas en física de altas energías, imagen médica y otros campos como Fluorescence Lifetime Imaging, LIDAR y imagen directa en 3D. Este Trabajo de Final de Máster presenta el diseño de tres Amplificadores Operacional de Transconductancia (OTA) Rail-to-Rail (RTR) que serán incluidos en el ASIC FastIC. La primera versión del OTA RTR es una versión lenta con un GBW de 1,5 MHz y un consumo de potencia de 70 µW, con una carga capacitiva de 1 pF. La segunda versión del OTA RTR es una versión rápida con un GBW de 115 MHz y un consumo de potencia de 700 µW, con una carga capacitiva de 1 pF. La tercera versión es una modificación de la segunda versión con una mejora de Slew Rate (SR) hasta 330 V/µs y un GBW de 143 MHz.

La Unitat Tecnològica de l'Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB-TECH) es dedica a desenvolupar electrònica de lectura per a física d'altes energies, imatge mèdica, astrofísica i aplicacions espacials. El grup ha desenvolupat Circuits Integrats per a Aplicacions Específiques (ASIC) per a diferents aplicacions. Amb l'objectiu de desenvolupar millores en detectors de radiació, l'ICCUB-TECH i l'Organització Europea de Recerca Nuclear (CERN) col·laboren en el disseny d'un nou ASIC de lectura en tecnologia CMOS de 65 nm, dedicat a aplicacions ràpides en física d?altes energies, imatge mèdica i altres camps com Fluorescence Lifetime Imaging, LIDAR i imatge directa en 3D. Aquest Treball de Fi de Màster presenta el disseny de tres Amplificadors Operacionals de Transconductància (OTA) Rail-to-Rail (RTR) que seran inclosos a l'ASIC FastIC. La primera versió de l'OTA RTR és una versió lenta amb un GBW de 1,5 MHz i un consum de potència de 70 µW, amb una càrrega capacitiva d'1 pF. La segona a versió de l'OTA RTR és una versió ràpida amb un GBW de 115 MHz i un consum de potència de 700 µW, amb una càrrega capacitiva d'1 pF. La tercera versió de l'OTA RTR és una modificació de la segona versió amb una millora de Slew Rate (SR) fins a 330 V/µs i un GBW de 143 MHz