低噪声高增益CMOS运算放大器设计

论文摘要

随着国内通信事业的快速发展,运算放大器（简称运放）被广泛用于各类无线电接收机的高频或中频前置放大级和高灵敏度电子设备中。在放大微弱信号场合,运放自身噪声对有用信号的干扰可能会很严重,因而设计了一款低噪声系数、高功率增益、工作稳定性好、带宽足够和动态范围较大的运放电路。CMOS运放是模拟集成电路中最重要的单元电路。然而MOS场效应晶体管（MOSFET）会给电路带来噪声,特别是随着MOSFET尺寸的减小和信号幅度的降低,电路的低频噪声特性变得越来越重要。因此,论文设计一款用于接收机最前端的低噪声高增益运放。首先,从分析运放电路中主要的噪声来源入手,然后结合基本噪声理论对电路中相应的元件参数进行设计,并且在运放的各项指标要求下再对某些元件的参数进行调整。运放输入级采用PMOS差分输入的增益增强型直接套筒式结构,以提高增益和抑制噪声,输出级也采用差分输入形式以进一步抑制噪声,同时采用AB类推挽输出形式以提高效率,防止交越失真。为了保证稳定的差分运放输出的共模电压,采用双差分对构成的共模反馈结构。文中详细分析推导电路所存在的零点和极点,采用MOS管线性电阻代替可调电阻,与电容串联构成密勒补偿电路。通过对整体电路的噪声性能分析,优化了电路的噪声特性。基于台积电（TSMC）0.18μm CMOS工艺参数,对整个运放电路进行了设计。并通过PSPICE软件工具进行了仿真。结果表明:当电源电压为3V时,当接有5 pF负载电容和20 kΩ负载电阻时,所设计的CMOS运放的静态功耗只有34mW,时延为1.5μs,运放电路的实测交流开环电压增益为134 dB,开环相位裕度为68°,单位增益带宽为203 MHz,在200 kHz处的输入电压噪声密度仅为3.51nV/Hz1/2,各项性能指标已达到低输入噪声的设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的价值及其意义
• 1.2 运算放大器的发展现状
• 1.3 运算放大器发展的特点
• 1.4 运算放大器主要研究方向
• 1.5 论文的章节安排
• 第二章 噪声
• 2.1 噪声类型
• 2.1.1 热噪声
• 2.1.2 散弹噪声
• 2.1.3 闪烁噪声
• 2.1.4 爆裂噪声
• 2.2 MOS管中的噪声
• 2.2.1 沟道热噪声
• 2.2.2 闪烁噪声
• 2.2.3 雪崩噪声
• 2.3 噪声的基本参数
• 2.3.1 噪声系数
• 2.3.2 多级运放噪声系数
• 2.4 运放的其他性能指标
• 2.4.1 开环增益
• 2.4.2 开环带宽和增益带宽积
• 2.4.3 输出摆幅
• 2.4.4 转换速率SR与建立时间ST
• 2.4.5 相位裕度
• 2.4.6 DC功耗
• 2.4.7 线性范围
• 2.4.8 非零输出电阻
• CMRR)'>2.4.9 共模抑制比(K_CMRR)
• 2.4.10 电源抑制比（PSRR）
• 2.5 运放指标之间的关系
• 第三章 运算放大器的噪声模型
• A. 辅助定理
• B. 计算噪声方法
• 3.1 基本放大电路的噪声分析
• 3.1.1 共源放大级
• 3.1.2 共栅放大级
• 3.1.3 源跟随器
• 3.1.4 共源-共栅电路
• 3.1.5 差分对中的噪声
• 3.2 典型运算放大器的噪声分析
• 3.2.1 两级运算放大器的噪声模型
• 3.2.2 双端输出直接套筒式结构
• 3.2.3 双端输出折叠式结构运放
• 3.2.4 简单差动对结构的两级运放
• 3.3 噪声与其他性能参数之间的折衷
• 3.4 小结
• 第四章 低噪声高增益运算放大器的设计
• 4.1 设计目标
• 4.2 电路结构设计及原理分析
• 4.3 输入级设计
• 4.3.1 增益放大器
• 4.3.2 增益增强型运放电路
• 4.4 输出级电路设计
• 4.5 共模反馈设计
• 4.6 频率补偿电路设计
• 4.6.1 反馈系统的稳定性
• 4.6.2 运放的频率补偿
• 4.6.3 Miller补偿电阻
• 4.6.4 噪声的性能
• 4.7 线性度
• 4.7.1 差动电路的非线性
• 4.7.2 负反馈改善非线性
• 4.7.3 转换速率SR
• 4.7.4 MOS管宽长比计算
• 4.8 运放整体电路图及参数计算
• 4.8.1 运放整体电路图设计
• 4.8.2 器件参数计算和验证
• 第五章 低噪声运算放大器性能仿真
• 5.1 直流参数仿真
• 5.1.1 共模输入范围仿真
• 5.1.2 输出动态范围仿真
• 5.2 交流小信号仿真
• 5.3 瞬态特性仿真
• 5.4 功耗仿真
• 5.5 噪声仿真
• 5.6 运放性能比较
• 第六章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文