高速运算放大器的设计

论文摘要

近年来,随着集成电路（IC）芯片制造工艺的发展和电路结构的更新,对运算放大器提出了更高的要求。信息家电、手机、PDA、网络等新兴应用的兴起,又为运算放大器提供了活跃的舞台。高速运放有频带宽、建立时间快、失真和噪声小、输出电流大、直流特性好,能在低电源电压下工作等良好的性能特点使其广泛应用于模拟视频处理和传送以及通讯系统等领域中。本文设计的高速运放主要应用于基带低通滤波器和基带自动增益控制芯片中,信噪比要求高,而且基带频率变化范围从4MHz到33MHz,因此对运放的单位增益带宽积和输出摆幅要求要高。该运算放大器基于CSMC公司的0.5μmCMOS数模混合信号工艺进行设计。在电路结构上采用两级全差动结构,第一级提供一个高的增益,第二级提供一个大的输出摆幅。共模反馈采纳两级各用一个共模反馈电路的方案,得到了很好的共模稳定。频率补偿采纳了增加一个前馈放大级电路来产生一个左半平面零点,与第一个次极点相抵消的方案,达到了环路稳定的要求。测试结果表明,在单电源3.3V电压下,运放的直流增益为65.5dB,单位增益带宽积达350MHz以及+2.7V的输出摆幅,输入共模范围为0.4V～2.2V,共模抑制比和电源抑制比分别为62.16dB和67.96dB,满足了设计指标要求。本文第一章主要介绍了高速运放的应用背景、应用场合以及几种典型的结构;第二章介绍了高速运放的设计过程,包括结构分析（输入级、输出级、共模反馈级、频率补偿级、偏置电路级、电流基准和电压基准）和参数设计（开环增益、摆率、噪声、增益带宽积等）,其中主要介绍了共模反馈环路设计和频率补偿电路设计。。第三章对高速运放的主要性能参数进行了仿真;第四章对高速运放芯片的主要性能指标进行了测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 应用背景
• 1.2 主要应用
• 1.3 现有成果
• 1.3.1 单级套简式共源共栅运放
• 1.3.2 基于增益提升技术的折叠式共源共栅运放
• 1.3.3 套简式共源共栅作为第一级的两级运放
• 1.3.4 采用新型"菱形晶体管"结构高速运放
• 1.3.5 应用负密电容的高速运放
• 1.4.设计指标
• 第2章 高速运放的设计过程
• 2.1 高速运放的结构分析
• 2.1.1 输入级电路分析
• 2.1.2 输出级电路分析
• 2.1.3 共模反馈电路分析
• 2.1.4 频率补偿电路分析
• 2.1.5 偏置电路分析
• 2.1.6 电流基准和电压基准
• 2.2 高速运放性能指标分析
• dm>60dB)'>2.2.1 开环直流增益(A_dm>60dB)
• 100V/μS）'>2.2.2 差分压摆率（>100V/μS）
• 2.2.3 失调电压
• 2.2.4 等效输入噪声（<10nV/Sqrt（Hz））
• 2.2.5 相位裕量（≥60°）,单位增益带宽（≥500MHz）
• 2.3 参数确定（手工计算）
• 第3章 高速运放的仿真分析
• 3.1 直流工作点的确定
• 3.2 仿真结果
• 3.2.1 交流频率特性
• 3.2.2 时域瞬态响应特性
• 3.2.3 转换速率仿真
• 3.2.4 输入电压范围和输出电压摆輻
• 3.2.5 共模抑制比和电源抑制比
• 3.3 版图设计和芯片照片
• 第4章 测试电路和结果分析
• 4.1 中低频测试
• 4.1.1 稳态特性
• 4.1.2 输出摆幅
• 4.1.3 输入共模范围
• 4.1.4 瞬态特性
• 4.1.5 共模特性
• 4.1.6 开环增益
• 4.1.7 失调电压、CMRR、PSRR
• 4.2 高频测试
• 4.2.1 3dB带宽
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 在研期间科研成果
• 致谢