低压低功耗Rail-to-Rail CMOS运算放大器

论文摘要

近年来,以电池作为电源的微电子产品得到广泛使用,迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗,低电压低功耗的模拟电路设计技术正成为研究的热点。在模拟集成电路中,运算放大器作为集成电路中最基本的单元,其重要性是众所周知的。在低压运算放大器中,由于电源电压的降低,信号的动态范围减小,同时,噪声信号幅度相对增大,放大器的信噪比降低。为了扩大信号的动态范围,低电压运放通常需要输入输出的信号范围能达到全摆幅。针对以上问题,本文做了如下工作:1)对国内外的相关研究动态做了广泛的调研,仔细比较了各种实现电路的优缺点,研究各种电路的组成结构和工作原理。在吸收已有的相关技术成果基础上,设计了一个1.5V的低功耗rail-to-rail CMOS运算放大器。2)根据CMOS工艺特点和要求,设计各模块具体的电路形式,如输入差分对,共源共栅级,低压宽摆幅电流镜,rail-to-rail输出级,密勒补偿电容等。特别是对于其中比较复杂的模块,如共源共栅输入级、低压宽摆幅电流镜等,根据其电路特点来设计,使其性能最优。3)设计了一个恒跨导rail-to-rail输入级。当输入共模电压变化时,不管它的输入MOS差分对管处于强反型区还是弱反型区,输入级的跨导保持不变,而且输入级后面的电流加法电路和输出级的静态工作点也不会随之改变。输出级采用浮动AB类输出结构,提高了输出电压的动态范围,达到rail-to-rail的输出范围,并提高了电路的功率效率。4)整个电路采用标准的中芯国际0.35μm CMOS工艺参数进行设计,并经过HSPICE工具仿真,仿真结果表明,当接100pF负载电容时,运放的静态功耗只有0.141mW,直流开环增益、单位增益带宽和相位裕度分别达到100dB以上、500MHz和68度。各项技术指标都满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外现状和发展方向
• 1.3 本论文的主要工作
• 第2章 CMOS器件工作特性与模型
• 2.1 MOS管的结构
• 2.2 MOS管的I/V特性
• 2.2.1 阈值电压
• 2.2.2 MOS管的I/V特性
• 2.3 MOS管大信号模型
• 2.4 MOS管的小信号模型
• 第3章 传统RAIL-TO-RAIL运放
• 3.1 传统RAIL-TO-RAIL运放输入级
• 3.1.1 基本的Rail-to-Rail输入级结构
• 3.1.2 传统的跨导恒定原理
• 3.1.3 传统恒跨导rail-to-rail运放输入级设计
• 3.2 RAIL-TO-RAIL输出级
• 3.3 传统恒跨导RAIL-TO-RAIL运放
• 第4章 改进型低压低功耗恒跨导RAIL-TO-RAIL CMOS运放的分析与设计
• 4.1 低压低功耗设计
• 4.1.1 低压低功耗电路
• 4.1.2 电压降低的极限
• 4.1.3 运放设计的低压低功耗考虑
• 4.2 RAIL-TO-RAIL运算放大器的基本实现
• 4.3 改进RAIL-TO-RAIL运放输入级设计
• 4.3.1 跨导恒定原理
• 4.3.2 共源共栅放大电路
• 4.3.3 改进的恒跨导rail-to-rail输入级电路
• 4.4 RAIL-TO-RAIL运放输出级设计
• 4.4.1 AB类输出级
• 4.4.2 浮动AB类输出级
• 4.5 运放的频率补偿电路
• 4.6 改进型恒跨导RAIL-TO-RAIL运放设计
• 第5章 恒定跨导RAIL-TO-RAIL运放的分析与仿真
• 5.1 RAIL-TO-RAIL运算放大器的分析与HSPICE仿真
• 5.1.1 大信号分析
• 5.1.2 交流小信号分析
• 5.1.3 运放静态功耗特性
• 5.1.4 运放转换速率和建立时间分析
• 5.1.5 输入级跨导分析
• 5.2 运算放大器的仿真结果总汇
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文