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一种低压高精度CMOS运算放大器设计

2020-12-09阅读(926)

一种低压高精度CMOS运算放大器设计

论文摘要

随着生活层次的不断提升,人们对各类微电子产品的要求也越来越高,各种电子测试测量产品在微电子系统、汽车电子系统、医疗领域、军事航天领域得到广泛应用,因而迫切要求采用低压、高精度CMOS运算放大器来提高这些仪器的精确度。由于测试、测量设备中需要对微弱信号进行放大或处理,所以需要对高精度运算放大器进行研究。论文基于运算放大器的基本原理,对国内外各种模拟高精度CMOS运算放大器做了广泛的研究,分析了其优缺点,并在吸收这些技术成果的基础上,设计了一种低压高精度CMOS运算放大器。在设计输入级时,采用折叠式共源-共栅差动输入结构,同时采用PMOS管差动输入结构并运用自举技术,主要从减小噪声和提高增益来考虑;在中间增益级电路设计中,电流镜负载并不采用传统的标准共源-共栅结构,而是采用适合在低压工况下的宽摆幅共源-共栅结构,从而提高了运放的精度及工作范围;为了提高增益和降低闪烁噪声,采用PMOS器件共源极放大器作为增益级;为了降低随机失调,增设输出缓冲级,在输出级设计时考虑高效率,采用了AB类推挽共源极放大器作为输出级,输出电压摆幅基本上达到电源电压的数值;为了保证运放的稳定性,采用带有调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿;为了降低系统失调,运用了斩波技术。文中采用标准上华科技CSMC 0.35μm CMOS工艺参数,对整个运放电路进行了精心设计,并通过HSPICE软件作出了仿真。结果表明,在1.5 V的电源电压下输入失调电压只有18.7μV,直流流开环增益、单位增益带宽积和相位裕度分别达到了88 dB、2.5 MHz和80°,主要技术指标都符合了设计要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 CMOS集成电路的发展历史及其意义
  • 1.2 CMOS运算放大器的整体结构
  • 1.3 CMOS高精度运算放大器的现状
  • 1.4 论文章节安排
  • 第二章 CMOS放大器的设计基础
  • 2.1 MOS器件的构造和基本特性
  • 2.1.1 MOS管的结构和Ⅰ-Ⅴ特性
  • 2.1.2 MOS管的二级效应
  • 2.1.3 MOS管的小信号模型
  • 2.2 MOS管的噪声及其对精度的影响
  • 2.2.1 MOS管的热噪声和等效电路
  • 2.2.2 MOS管的闪烁噪声和等效电路
  • 2.2.3 MOS管的散粒噪声
  • 第三章 CMOS运算放大器的性能指标与基本结构
  • 3.1 运算放大器
  • 3.2 CMOS运算放大器的基本结构
  • 3.3 CMOS运算放大器性能指标
  • 3.3.1 开环增益（open loop dc gain）
  • 3.3.2 开环带宽和增益带宽积（band width and Gain Bandwidth Product）
  • 3.3.3 输出摆幅（output swing）
  • 3.3.4 转换速率与建立时间（slew rate and settling time）
  • 3.3.5 相位裕度（phase margin，PM）
  • 3.3.6 共模抑制比（common mode reject ratio,CMRR）
  • 3.3.7 电源电压抑制比（power supply rejection ratio，PSRR）
  • 3.3.8 功耗（power dissipation）
  • 3.3.9 噪声（noise）
  • 3.4 CMOS高精度运算放大器的主要性能指标
  • 第四章 运算放大器电路的设计与分析
  • 4.1 设计目标
  • 4.2 运算放大器的结构选择
  • 4.3 输入级设计
  • 4.3.1 传统运算放大器的输入级设计
  • 4.3.2 折叠原理
  • 4.3.3 折叠式共源-共栅差动输入设计
  • 4.3.3.1 输入输出摆幅分析
  • 4.3.3.2 小信号增益分析
  • 4.3.4 自增益式技术（Gain Boosting）的折叠式共源-共栅差动输入设计
  • 4.3.4.1 Gain Boosting技术的基本原理
  • 4.3.4.2 采用Gain Boosting技术的折叠式共源-共栅差动输入级设计
  • 4.4 中间放大级设计
  • 4.4.1 低压宽摆幅共源-共栅电流镜电路
  • 4.4.2 中间放大级电路设计
  • 4.5 输出放大级设计
  • 4.5.1 共源输出放大器
  • 4.5.2 源极跟随器
  • 4.5.3 输出放大级的设计
  • 4.6 基准电路的设计
  • 4.6.1 带隙基准电压源
  • 4.6.2 PTAT基准电流源
  • 4.6.3 基准电流源的设计
  • 4.7 频率补偿电路设计
  • 4.7.1 反馈系统的稳定性
  • 4.7.2 运放的频率补偿
  • 4.7.3 运放频率补偿电路的设计
  • 4.8 斩波技术（Chopping）用于运放设计
  • 4.8.1 斩波技术原理
  • 4.8.2 调制电路的实现方法
  • 第五章 运算放大器的HSPICE仿真
  • 5.1 运放开环增益特性分析
  • 5.2 运算放大器的直流传输特性分析
  • 5.2.1 失调电压
  • 5.2.2 转换速率和建立时间
  • 5.2.3 输入共模电压范围
  • 5.2.4 输出电压摆幅
  • 5.3 共模抑制比（CMRR）的测量
  • 5.4 电源抑制比（PSRR）的测量
  • 5.5 运算放大器的噪声特性曲线
  • 第六章 结论与展望
  • 致谢
  • 附录 所设计的CMOS运算放大器电路图
  • 参考文献
  • 攻读硕士研究生期间发表的论文

    • 相关论文文献

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