一种高精度CMOS运算放大器的设计

论文摘要

近年来,由于电子测试测量产品在医疗领域、汽车电子系统、军事航天领域的广泛应用,迫切要求采用CMOS低压高精度运算放大器以便于集成整合到后端芯片中制成SOC。因为测试测量中需对微弱信号进行放大处理,于是对高精度运算放大器研究成为必然,从而推进了高精度运放的发展。本论文是在对国内外各种模拟低电压CMOS运算放大器做了广泛的研究,分析其工作原理和优缺点,并吸收这些技术成果的基础上而设计的一种高精度CMOS运算放大器。本文主要从器件参数、电路结构和版图来分析研究提高精度而设计的运算放大器。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管的差动输入结构,主要是从减小噪声和提高增益来考虑的,同时对折叠式共源共栅差动输入结构所使用的偏置的电流镜负载是采用了适合在低压上工作的低压宽摆幅共源共栅结构,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而采用PMOS构成的共源放大器作为增益级;为了降低随机失调,增加输出缓冲级。在输出级设计时,考虑高效率,采用了推挽共源级放大器作为输出级,输出电压摆幅基本上达到了电源电压;为了保证运放的稳定性,采用了带调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿。整个电路采用在国内现有标准的2.0um的CMOS工艺参数模型进行设计,并经过or CAD SPICE工具仿真,仿真结果表明,在直流电源±2.0V的条件下,输入失调电压达到21.7uV,直流流开环增益、单位增益带宽积和共模抑制比分别达到87dB、1.44MHz和150 dB,此外功耗为46mW,各项技术指标都满足设计要求。版图设计使用Tanner版图软件,采用优化的版图设计技术进行设计,其版图面积为540×560um~2。本运算放大器能用于量测仪器、控制系统、医疗领域等面向测试与测量仪表、汽车电子系统及工业控制系统的电子产品中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 论文的背景、现状及意义
• 1.2 本设计的要求和安排
• 第二章 MOSFET器件的工作原理
• 2.1 MOS器件的特性及对精度的影响
• 2.1.1 MOS管的沟道调制效应
• 2.1.2 MOS管的阀值电压
• 2.2 MOS管的工作区域
• 2.2.1 线性区
• 2.2.2 饱和区
• 2.2.3 亚阀值区
• 2.3 MOS管的小信号模型
• 2.4 MOS管的噪声及对精度的影响
• 第三章 CMOS运放的原理及性能指标
• 3.1 理想运算放大器
• 3.2 CMOS运放的特性及参数
• 3.3 CMOS高精度运算放大器的主要性能指标
• 第四章 CMOS基本电路分析
• 4.1 基本放大器
• 4.1.1 有源负载反向器
• 4.1.2 电流源负载反相器
• 4.2 共源共栅放大器
• 4.3 基本差分对
• 4.4 电流镜
• 4.5 基本补偿电路
• 4.6 失调的理论分析
• 第五章 CMOS高精度运放电路原理、设计及主要指标仿真
• 5.1 运放的总体方案及设计目标
• 5.1.1 运放的设计目标
• 5.1.2 运算放大器电路结构的选择
• 5.2 具体电路的实现
• 5.2.1 CMOS运算放大器差分输入级的设计
• 5.2.3 运放中间级的设计
• 5.2.4 运放输出级的设计
• 5.2.5 运放偏置电路的设计
• 5.2.6 运放的补偿
• 5.3 电路的主要性能指标仿真
• 5.3.1 运放的开环增益的仿真与分析
• 5.3.2 运放直流特性分析（DC）
• 5.3.3 运放共模抑制比
• 5.3.4 电源抑制比
• 5.3.5 运算放大器的噪声特性曲线
• 第六章 CMOS运放的版图设计
• 6.1 电流镜的版图
• 6.2 输入差分对的版图
• 6.3 电阻的版图
• 6.4 电容的版图
• 6.5 CMOS高精度运放的版图、DRC及LVS
• 6.5.1 高精度运放的版图设计策略
• 6.5.2 DRC
• 6.5.3 LVS
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的论文