Master's Thesis

Design and optimization of a Micropower Rail-to-Rail CMOS opamp with transconductance compensation

Final Thesis 7.31 MB

Author of thesis: Ing. Šimon Podolák

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D.

Abstract:

This master’s thesis deals with the design of a low-power CMOS operational amplifier
with a Rail-to-Rail input, output, and transconductance compensation. The theoretical
part describes the basic parameters of operational amplifiers, the architecture of Rail-to-Rail input and output stages, and the issue of transconductance variation in complementary input structures with PMOS and NMOS differential pairs. Furthermore, selected methods for constant transconductance compensation are described and compared. The practical part focuses on the design of a Rail-to-Rail operational amplifier implemented in Onsemi 65 nm technology for a supply voltage range of 1.7–3.3 V. The thesis also includes the design of individual amplifier blocks and simulation-based verification of the proposed circuit. Finally, the achieved results are evaluated.

Keywords:

CMOS operational amplifier, Rail-to-Rail architecture, low power consumption, transconductance, constant transconductance compensation, differential input stage, low-voltage design

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce a zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl na otázky komise: Měli jste v zadání parametry jako šířka pásma, šum a pod? Student uvedl, že se orientoval podle typické hodnoty. Proč je šířka pásma taká nízká? Student uvedl, že se jednalo o zadání vedoucího.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. Lukáš Fujcik, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Vilém Kledrowetz, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Szendiuch, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Kováč, Ph.D. (člen)
Ing. Břetislav Mikel, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Roman Prokop, Ph.D.

Na základě informací konzultanta ze zadavatelské firmy onsemi lze konstatovat následující:

    Diplomová práce splnila zadání v plném rozsahu. Výsledkem je návrh analogového obvodu realizovaný v 65nm technologickém procesu. Zpracování práce prokazuje schopnost studenta nastudovat odborné zdroje a porozumět principům navrhovaného obvodu. Student rovněž úspěšně aplikoval návrhové, simulační a verifikační prostředky a metodiky, které odpovídají standardům návrhu integrovaných obvodů.
    Práce je zpracována přehledně a systematicky. Student čtenáře postupně seznamuje s jednotlivými aspekty řešeného obvodu, jeho návrhem i zvažovanými alternativami. Technická úroveň výkladu je vysoká a odpovídá úrovni diplomové práce. Rozsah práce je adekvátní zadání.
    Formální stránka práce je na dobré úrovni, struktura dokumentu je logická a přehledná.
    Student prokázal schopnost pracovat s odbornou literaturou. Využité zdroje odpovídají řešené problematice a byly vhodně aplikovány při návrhu i vysvětlení principů obvodu.
    Výstupem práce je návrh analogového obvodu, který demonstruje dosažitelné parametry zvoleného řešení. Výsledky mají praktickou hodnotu a návrh může být integrován do větších analogových systémů.
Student pracoval samostatně, proaktivně a práci pravidelně konzultoval. Je patrný výrazný pokrok v jeho odborných znalostech a dovednostech, zejména s ohledem na jeho vstupní úroveň. Práce vedla k jeho významnému profesnímu rozvoji a vyústila v nabídku budoucí spolupráce.
       Práci hodnotím velmi pozitivně, a to 92 body / 100 bodů. Points proposed by supervisor: 92

Grade proposed by supervisor: A

Student v rámci své diplomové práce navrhl v technologii 65 nm společnosti onsemi rail-to-rail operační zesilovač s kompenzací transkonduktance komplementárního diferenčního páru a výstupním stupněm třídy AB. Návrh na tranzistorové úrovni byl dle vlastního popisu prováděn iterativním zpřesňováním pro čtenáře nejasně zvolených počátečních rozměrů tranzistorů, což nelze považovat za správný inženýrský postup. Analytický předběžný výpočet pracovních bodů a rozměrů tranzistorů je přitom standardní součástí návrhu – byť v moderních technologiích poskytuje výsledky zatížené výraznou nepřesností, slouží jako nezbytný a dostatečný výchozí bod pro následnou optimalizaci simulací.

Výsledné parametry obvodu byly ověřeny dostatečným rozsahem simulací zahrnujících corner analýzu a Monte Carlo analýzu, čímž byla prokázána funkčnost návrhu při uvažování globálních i lokálních vlivů rozptylu výrobního procesu.

Struktura práce je vhodně rozvržena a jednotlivé kapitoly logicky navazují. Celkový rozsah odpovídá požadavkům kladeným na diplomovou práci. V textu se však na několika místech opakují stejné informace, což zbytečně zvyšuje rozsah práce na úkor její přehlednosti. Jako příklad lze uvést kapitolu 3, kde jsou ve třech po sobě jdoucích krátkých odstavcích opakovaně vysvětlovány základní vlastnosti rail-to-rail architektury, aniž by každý odstavec přinášel novou informaci.

Formální úprava práce je na slabší úrovni. V řadě oblastí nebyly dodrženy zásady tvorby závěrečných prací ani příslušné normy – proměnné nejsou důsledně psány kurzívou, rovnice nejsou správně začleněny do textu vět, některé hlavní kapitoly postrádají úvodní text a jsou bezprostředně následovány podkapitolou. Práce obsahuje četné anglicismy tam, kde existují zavedené české ekvivalenty (např. „malý mismatch", „headroom", „design"). Zvláště nápadný je nesourodý vizuální styl obrázků a schémat – drtivá většina je převzata z různých zdrojů, aniž by byla sjednocena do jednotného grafického stylu, což výrazně snižuje celkový dojem z práce.

I přes uvedené nedostatky student zadání práce splnil. Navrhuji hodnocení 82 bodů. Topics for thesis defence:
  1. Píšete, že návrh jednotlivých rozměrů tranzistorů byl realizován iterativně, kdy byly nejdříve zvoleny počáteční hodnoty rozměrů tranzistorů a následně byly pomocí simulací zpřesňovány. Výpočet kompenzačních kapacitorů je také nejasný.
  2. Byla u MC analýzy uvažován rozptyl lokální i globální? S ohledem na použitou metodu kompenzace gm, může mít globální rozptyl určitý vliv na napěťovou nesymetrii.
  3. Neuvažoval jste použití tranzistorů se sníženým prahovým napětím v citlivých částech obvodu? Zvolená struktura složené kaskody a vybraného výstupního stupně není příliš vhodná pro obvody s nízkým napájecím napětím.
Points proposed by reviewer: 82

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová