LMC2001_PRE_TEAM_Silicon

The following is actual data and curves taken off the LMC2001 before

the LMC2001 team got complete control of the silicon. This version of

silicon will be referred to as the Pre_Team_LMC2001_Silicon.


                       ...Don Sauer   10/19/09   dsauersanjose@aol.com


===================Hide_1/F_Noise==========================


Was it possible to completely hide all the 1/f noise of a CMOS input stage?

Up until first silicon, this was for the most part theoretical. Other

choppers amps were not claiming they had killed 1/F noise at that time.

Everyone seem to want to describe it as just shifting 1/f noise and offset

to the clock frequency. 


                         

                                       ^ dB

  Main Amp                            /|\

  ___      |\   "High Speed Amp"       |____  Low Gain

 |   |_____|+\       ___               |   .\   

 |___| |   |  \_____|   |              |   . \

  ___  |   |  /     |___|              |___.__\___\

 |   |_\___|-/_                           1KHz    / Freq

 |___| / | |/|\                        ^

       | |     \   Composite          /|\ dB

       | |      \  Amplifier           |

       | | |\    \                     |\  Low speed

       | |_|+\    |                    | \

       |   |  \___|                    |  \

       |   |  /                        |___\______\ 

       |___|-/  "Precision Amp"           1KHz    / Freq

           |/ 

  "Chopper"(more like Mod/Demod)


The Pre_Team_LMC2001 was a composite amplifier where a "chopper"

amplifier was being used to dominate gain at frequencies below

1KHz. Any offset and 1/f noise would therefore get attenuated by

how much extra gain the precision amp was adding to the overall

gain. For instant adding 40dB at 10Hz of extra gain should attenuate the

1/f noise of the main amplifier by 40dB at 10Hz. To see this actually 

work on first silicon, one only needed to cut out the "chopper" stage. 



 Noise       1/F Cancelation (Pre_Team_LMC2001)

 Voltage  ...................................  

         |           .           .           .      

         Before      .           .           .      

         |           .           .           .      

         |    Before .           .           .      

         |           .           .           .      

    100nV|....................................    

         |           Before      .           .      

         |           .           .           .      

         |           .      Before.          .    

         |           .           Before      .      

         |After   After          .    Before .      

    30nV |................After............Before   

         |           .           After       .      

         |           .           .     After .      

         |           .           .         After   

         |           .           .           .    

         |           .           .           .      

    10nV |____________________________________   

         10Hz        100Hz      1000Hz     10KHz 

                      FREQUENCY


Without the "chopper", the normal 1/f of the CMOS input stage of 

the main amplifier comes thru. After the "chopper" signal is

added, it appeared that the noise goes flat all the way down to

DC. Indeed, this is where things got interesting. Things like metal

to metal thermal coupling start to come into the picture when measuring

things at low frequency. 


===================Composite_Noise==========================


                         

                                       ^ dB

  Main Amp                            /|\

  ___      |\   "High Speed Amp"       |____  Low Gain

 |   |_____|+\       ___               |   .\   

 |___| |   |  \_____|   |              |   . \

  ___  |   |  /     |___|              |___.__\___\

 |   |_\___|-/_                           1KHz    / Freq

 |___| / | |/|\                        ^

       | |     \   Composite          /|\ dB

       | |      \  Amplifier           |

       | | |\    \                     |\  Low speed

       | |_|+\    |                    | \

       |   |  \___|                    |  \

       |   |  /                        |___\______\ 

       |___|-/  "Precision Amp"           1KHz    / Freq

           |/ 

  "Chopper"(more like Mod/Demod)




The Pre_Team_LMC2001 really used more of a modulation method to

modulate DC signal up to a high enough frequency where some high

quality gain could be taken. Then the signal would get

demodulate back to DC and used to cancel out input offset. 

In previous choppers, the DC and 1/f would get simply modulated up

to the chopper frequency. 



             ______        ______           ______

     VIN1   |      |OUT1  |  _   |VSUM     |      |    ____

     _____|\| \ /  |____|\|   /  |_______|\| \ /  |___|OUT2|

   _|_    |/|  X   |    |/|  _\  |       |/|  X   |   |____|

  /VIN\     | / \  |      |______|         | / \  |

  \___/     |______|          ^ BSUM       |______|

   _|_         ^  BMUX1      /_\              ^  BMUX2

   ///        /_\            _|__ 1/F noise  /_\

               |_____       /_   \            |

              _|_    |     // \   \           |

        VCLK /_  \   |     \   \_//           |

            /| |  \  |      \____/            |

            \  |_|/  |       _|_              |

             \___/   |       ///              |

               |     |________________________|

              _|_

              ///


But in a composite architecture, could the chopper artifacts be

placed at a frequency high enough where the main amplifier would

attempt to swamp out any "Chopper Noise Artifacts" ? 


Noise

Voltage    Noise Voltage Spectrum (Pre_Team_LMC2001)


60nV |................................................   

     |           .           .        ^  .           .  

     |           .           .       /|\ .           .  

     |           .           .        |  .           . 

     |           .           .        |  .           . 

     |           .           .        C  .           .

50nV |................................H............... 

     |           .           .        O  .           .  

     |           .           .        P  .           .  

     |+SD  +SD   .+SD        .        P  .           .   

     |                 +SD   .        E  .           .  

     |           .                    R  .           .   

40nV |Ave.....Ave..........+SD........|............... 

     |           .   Ave     .        |  .           .   

     |           .           .           .           .    

     |-SD   -SD  .  -SD    Ave  +SD      .           .   

     |           .           .     +SD   .           .  

     |           .       -SD .   Ave     .+SD   +SD  .  

30nV |........................-SD.......Ave......Ave.. 

     |           .           .         -SD      -SD  .  

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           . 

     |           .           .           .           .

20nV |______________________________________________ .  

     10Hz      100Hz      1KHz        10KHz      100KHz


                       FREQUENCY


The graph above shows actual data taken off of Pre_Team_LMC2001 silicon 

when the spread spectrum circuitry had been disabled. It was easy to

see the"chopper" artifacts by looking at the input noise voltage.

And there are two different flatband noise levels. 

Below 1kHz, the "chopper" amplifier dominates the noise. 

Above 1KHz, the main amplifier dominates the noise. 


===================Truly_Random_Spread_Spectrum==========================



Noise is practically always defined by the input transistors.

For first silicon, the input CMOS transistors 

were not made super large to lower the input noise voltage. 

Everything was being tested out for the first time, and more

normal sizes were being used. But later version of this architecture

did appear to attempt to exploit this opportunity. 


             ______        ______           ______

     VIN1   |      |OUT1  |  _   |VSUM     |      |    ____

     _____|\| \ /  |____|\|   /  |_______|\| \ /  |___|OUT2|

   _|_    |/|  X   |    |/|  _\  |       |/|  X   |   |____|

  /VIN\     | / \  |      |______|         | / \  |

  \___/     |______|          ^ BSUM       |______|

   _|_         ^  BMUX1      /_\              ^  BMUX2

   ///        /_\            _|__ 1/F noise  /_\

               |_____       /_   \            |

              _|_    |     // \   \           |

 VspreadSpec /_  \   |     \   \_//           |

            /| |  \  |      \____/            |

            \  |_|/  |       _|_             

             \___/   |       ///              |

               |     |________________________|

              _|_

              ///


The Pre_Team_LMC2001_Silicon actually used shot noise to spread spectrum 

the clock. With the inputs leads biased up incorrectly,

it was possible to see the clock feed-thru at the inputs. 

With the spread spectrum cut away, the clock was periodic.

 

 |      |      |      |      |

_|\_____|\_____|\_____|\_____|\......


With the spread spectrum in place, the dither was more apparent.


 |    |         |   |     |

_|\___|\________|\__|\____|\......



The goal was to be able to completely hide all "chopper" artifacts

such that the noise voltage would look flat from DC to 10Mhz.

The Pre_Team_LMC2001_silicon was very encouraging. 



                         ________   "The precision Stage"      

            ____________| Clock  |________ 

           |            |________|        |

          \|/                            \|/ 

           V      CMOS|\  _  _          __V_ Gilbert

                      | \/ \/ \        /    \         ___

              ________| /  /\  \__||__/  \/  \_______|   |

             |        | \  \/  /  ||  \  /\  /    |  |___|

             V        | /\_/\_/        \____/    _|_

    ___/\  /\  ___    |/         Blocking        ___  Integration

   |     \/  \/   |              Cap             _|_  Cap

  _|_            _|_                             ///

 |+IN|          |-IN|                     

 |___| INPUTS   |___|                     





          Noise  Voltage Spectrum (Pre_Team_LMC2001)

 Noise    ...................................    

 Voltage |           .           .           .       

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

    100nV|....................................   

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .    

         |           .           .           .    

         |Noise   Noise   Noise  .  -- Noise .        

    30nV |........................./..\.......   

         |           .           ./    \     .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .   

         |           .           .           .      

    10nV |____________________________________   

         1000Hz     2000Hz      6000Hz     10KHz 


                     FREQUENCY


When the output of a spectrum analyzer was averaged for a while, it

was possible to see the spread spectrum chopper artifacts

as a mild bump on the input noise curve. Give the composite

architecture, there was great potential to bury all artifacts

of the precision amplifier even deeper inside the main amplifier's

flat band noise.  


===================Not_Really_A_Chopper==========================


Modulation Not chopping

    ___

   |   |____________________________

   |___| |             |            |

         | 1Meg        |   1K       |     Main Amp

         |_/\  /\_     |_/\  /\_    |__|\

             \/   |        \/   |      |-\    ___

                  |             |      |  \__|   |

          _/\  /\_|     _/\  /\_|      |  /  |___|

         |   \/   |    |   \/   |    __|+/

    ___  | 1K     |    |  1Meg  |   |  |/

   |   |_|_______/|\___|_______/|\__|

   |___|          |             |      

                  V             V

                     To Chopper 




The Pre_Team_LMC2001 was using a modulation method in an 

attempt to hide input current spikes. To a certain extent, CMOS switch

feed-thru can be minimize through the use of dummy transistors.

But when a CMOS transistor completely turns off, were the charge goes

that formed the channel is not real obvious. There was no real 

good way to cancel out all the gate signal feed-thru. 



             R1    ___                                VCC  ^

      _/\  /\  /\_|IN1|_____________________              /_\

     _|_ \/  \/   |___|        |            |              |

     ///                  ^   _|       ^   _|              |

                          |_|| MN1     |_|| MN2            |

                            ||__         ||__            __| MN6

                       CLK1 ||->     CLK2||->     IN3  _|  |_

                               |            |________||NM5   ||_

                               |            |        ||______|| |

                               |___________/|\___    ||->  <-|| |

                       CLK2    |            |    |      |__|    |

                          ^   _|       ^   _|    | IN4  |       |

                          |_||MN3      |_||NM4   |_____/|\______|

                            ||__    CLK1 ||__          _|_

           R2               ||->         ||->         / _ \ V1

                    ___        |            |         \/ \/

      _/\  /\  /\__|IN2|_______|____________|      I1 /\_/\

     _|_ \/  \/    |___|                              \___/

     ///                                               _|_

                                                       ///


A "chopping like action" was being done without turning off 

CMOS transistors. By shifting the resistances of CMOS channels around, 

a more of a gain modulation was taking place.  The CMOS channels 

were designed to alternate between 1Kohm to 1Megohm. The dummy transistors

were biased up the same way in the hope that feed-thru cancellation 

would be much better.


                  (Pre_Team_LMC2001)

          Feedthru Noise current @100Kohms

 Noise    ...................................   Noise

 Voltage |           .           .           . Current     

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

    100nV|.................................... 1pA 

         |           .           .           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .    

         |           .     __    .           .    

         |40n  40n  40n  FT  FT  40n  40n    .        

    30nV |............../......\.............. 0.3pA  

         |           . FT      FT.           .      

         |           ./          \           .      

         |           .           .           .      

         |           .           .           .   

         |           .           .           .      

    10nV |____________________________________   

         1000Hz     2000Hz      6000Hz     10KHz  


                     FREQUENCY


 

Above is as far as the Pre_Team_LMC2001_silicon got into the challenge

of minimizing input feed-thru current spikes. The potential for improvement 

in this area is unknown since this is when the LMC2001 team

started to get control.


===================RRIO_Op_AMP==========================




The Pre_Team_LMC2001 silicon was a full RRIO Op Amp. 

It's offset over the full input range is shown below.


           INPUT OFFSET (Pre_Team_LMC2001)

+10uV ...............................................  

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .      +SD   +SD.       |  

+5uV |...............................................|  

     +SD   +SD     +SD  +SD  .  +SD  .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |  

 0uV |__A____A___A___A_______________________________|  

     |       .       .  A A  A  A A  .       .       |   

     |       .       .       .     A .       .       |   

     |       .       .       .      A.       .       |   

     |-SD    .-SD  -SD       .       A   A  A.       |     

-5uV |................-SD..-SD.-SD...................|  

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .  -SD  .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .    -SD.       .       |   

-10uV|...............................................| 

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .     -SD       .       |   

     |       .       .       .       .    -SD.       |   

     |       .       .       .       .       .       |    

-15uV|_______________________________________________|  

     0      1V      2V      3V      4V      5V     


               COMMON MODE VOLTAGE



The Pre_Team_LMC2001 silicon was designed to exceed the

input rails by hundreds of millivolts. Apparently junctions

like ESD diodes begin to start introducing input bias

current at common mode voltages below ground. 


   

INPUT OFFSET       (Pre_Team_LMC2001)          INPUT CURRENT

+10uV ............................................... 1nA

     |       .       .       .       .       .       |   

     |Ibias  .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |   

     |       .       .       .       .       .       |  

     |......Ibias....................................|100pA  

     |       .       .       .       .       .       |   

     |Off    .  Off  .    Ibias      .       .       |   

     |       .       .     Off     Off       .       |   

     |       .       .       .   Ibias     Off   Off |  

 0uV |...............................................|10pA  

     |       .       .       .       .       . Ibias |   

     |       .       .       .       .       .       |  

     |       .       .       .       .       .       |    

     |       .       .       .       .       .       |    

     |_______________________________________________|  

   -100mV   -66mV  -33mV     0V     33mV    66mV    100mV 


               COMMON MODE VOLTAGE



===================Composite_Amplifier==========================



The composite amplifier architecture makes things very 

convenient. The main amplifier can be optimized as a high

speed high quality general purpose RRIO Op Amp. The precision

amplifier was only being asked to remove DC offset and 1/f noise

of the main amplifier. A side benefit was that it greatly 

increased things like open loop gain and and input common mode rejection

as well. It looked promising to have the best of everything

without any tradeoffs. 



  ___      |\   Main Amp       

 |   |_____|+\       ___  

 |___| |   |  \_____|   | 

  ___  |   |  /     |___| 

 |   |_\___|-/_        

 |___| / | |/|\  

       | |     \  

       | |      \        

       | | |\    \       

       | |_|+\    |   

       |   |  \___|   

       |   |  /   

       |___|-/  "Chopper" 

           |/         



But there was an unusual feature to this composite architecture.

The "chopper" amplifier could be designed as a pure 

single pole Op Amp with it's pole well under 1mHz. If the 

main Op Amp was design to have a pole around 1KHz, the

two amplifiers can be made to do a pole zero cancelation 

so that the  total composite amplifier looks like a perfect

Op Amp with extremely high open loop gain with a high 

gain bandwidth. 


       Gain Band Width Chopper On/Off  (Pre_Team_LMC2001)

100dB ................................................  

     ON          .           .           .           .      

     |           .           .           .           .  

     |   ON      .           .           .           .   

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .   

80dB |..........ON....................................   

     |           .   ON      .           .           .   

     |           .          ON           .           .    

     | OFF    OFF   OFF    OFF   ON    ON            .   

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .  ON       .  

40dB |............................................ON 

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .   

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .

0dB  |_______________________________________________   

    10Hz        100Hz      1000Hz     10KHz      100KHz  



The curve above shows that the Pre_Team_LMC2001 silicon had

around 60dB open loop gain with the "chopper" off. When

the chopper was turned on, first silicon did not have perfect

pole zero cancelation. But things were encouraging.


          _________________________________________

         |                                         |

         |          Main Amplifier      |\         |

         |                          ____|+\        |

         |____________|\  _  _     _|_  |  \_______|

   VIN           |  - | \/ \/ \_   ///  |  /       |   ___

     ___________/|\___| /\_/\_/ |_______|-/        |__|OUT|

   _|__    |     |  + |/          INN2| |/ BOPA    |  |___|

  /_   \   |     |                    |            |

 // \   \  |     |                    |__||________|

 \   \_//  |     |          RPZC      |  ||  CCOMP |

  \____/   |     |                    |            |

   _|_     |     |        _/\  /\  /\_|_/\  /\  /\_|

   ///     |     |        |  \/  \/    RAV\/  \/

           |     |        |_________________

           |  ___|                          |

           |  |                 CINT __||___|

           |  |                     |  ||   |

           |  |  |\ BCHOP   RINT    |       |OUT2

           |  |__|+\                | |\    |

           |     |  \____/\  /\  /\_|_|-\   |

           |     |  /      \/  \/     |  \__|

           |_____|-/             INN  |  /

                 |/                 __|+/

                                  _|_ |/

            Precision Amplfifier  ///

            Equivalent circuit


The equivalent circuit above shows how all the poles and zeros are defined.

Since the poles and zero of both amplifiers are set by internal

components, it was possible to set things up so that everything

tracked each other over process and temperature.


       POLE ZERO CANCELATION   (Pre_Team_LMC2001)

      

60dB |................................................   

     | G         .           .           .           .  

     |   G       .       P P .           .           .   

     |     G     .           P           .           .  

     |       G   .    P      . P         .           .  

     |         G .  P        .  P        .           .

40dB |...P....PG...P...............P...P...P...P..P...90deg

     |           G           .           .           .  

     |           . G         .           .           .  

     |           .   G       .           .           .   

     |           .     G     .           .           .  

     |           .       G   .           .           .   

80dB |.......................G......... ..............45deg

     |           .           . G                     .   

     |           .           .   G       .           .    

     |           .           .     G     .           .   

     |           .           .       G   .           .  

     |           .           .         G .           .  

60dB |...................................G............ 0deg

     |           .           .           . G         .  

     |           .           .           .   G       .     

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .

-20dB|______________________________________________ .  

     10Hz      100Hz      1KHz        10KHz      100KHz


The pole zero cancelation was less than perfect on first silicon.

This is best seen by the bump in phase of the op amps gain phase curve.


                                      

       ^ dB

      /|\

       |

       |\   Low Speed amp  dominates offset, gain, noise

       | \/

       |  \

       |___\  high Speed amp dominates Gainbandwidth, slew rate

       |   .\ /  

       |   . \ 

       |___.__\___\

          1KHz    / Freq



The Pre_Team_LMC2001's precision amplifier stage was not really designed 

to have an actual low frequency pole. In theory, a perfect Op Amp has infinite 

open loop gain at DC. But gains higher the 150dB are questionable because

of thermal couple effects whenever two different metals are making electrical

contact. Having a large open loop gain is also creates some IC testing

challenges. 



===================High_Gain_High_Bandwidth==========================




           Gain Phase  (Pre_Team_LMC2001)

60dB |................................................   

     | G         .           .           .           .  

     |   G       .           .           .           .   

     |     G     .           .           .           .  

     |       G   .           .           .           .  

     |         G .           .           .           .

 40dB|...P....P..G.P..P..P..P...P..P..................90deg  

     |           . G         .         P .           .      

     |           .   G       .           P           .  

     |           .     G     .           ^P          .   

     |           .       G   .          /|\P         .  

     |           .         G .           |   P       .   

20dB |.......................G...........|............45deg  

     |           .           . G         |    P      .   

     |           .           .   G       |           .    

     |           .           .     G     |     P     .   

     |           .           .       G  \|/          .  

     |           .           .         G V      P    .  

 0dB |...................................G......P..... 0deg  

     |           .           .           . G    P    .  

     |           .           .           .   G       .     

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .  

     |           .           .           .           .

-20dB|______________________________________________ .  

    10KHz      100KHz      1MHz        10MHz      100MHz



Pre_Team_LMC2001 silicon was designed to be a 100pF Cap stable, low supply current,

10MHz RRIO Op Amp. The target was a CMOS Op Amp with input offsets in microvolts, 

have input currents in pico amps, with open loop gain too high to measure, 

have zero input offset drift over time and temperature and supply voltage, have flat 

input noise voltage with no 1/f or chopper noise, have no noise spikes on the 

supplies, used a truly random spread spectrum clock, show low feedthrough noise 

current spikes at the input, and be all self contained in a tiny 5 lead package.  

Up until the LMC2001 team was formed, meeting all these goals looked
technically encouraging.