低电压低功耗CMOS集成运放的研究与设计

论文摘要

近年来,电子产品向小型化和便携式方向发展,特别在电子通讯、笔记本电脑、微生物和医学等领域更为显著,这就迫切要求采用低电压的模拟电路来降低功耗,以延长电子产品所用电池(锂电池等)的使用寿命。从能源角度考虑,低的功率消耗不仅是电池驱动的便携设备的需求,更是大型系统的迫切需要。低电压、低功耗的模拟电路设计技术正成为研究的热点。运算放大器是许多模拟及数模混合片上系统(SoC)的一个基本电路单元,其性能的提高将使整个系统的性能得到改善。因此,研究和生产低电压、低功耗的集成运放是很重要的课题。本论文对国内外的模拟低电压、低功耗相关问题做了广泛的调查研究,分析了功耗的来源和降低电源电压带来的问题,并介绍了目前提出的低电压、低功耗技术,分析了这些技术的工作原理和优缺点;从运放组成单元的角度,对运算放大器的输入、输出以及基准电路的各种实现电路进行了介绍,最后在吸收这些技术成果、结合低电压、低功耗运算放大器工作机理的基础上设计了一个±0.75V低功耗CMOS运算放大器,并对其进行了版图设计。采用Hspice仿真工具,对所设计的电路进行了详细的仿真。结果表明:在±0.75V的电源电压工作条件下,直流开环增益达到83.2dB,相位裕度为60度,单位增益带宽为3.5MHz,功耗为14mW。达到了预期的设计要求。与文献[3]相比,在实现低电压、低功耗的同时,其他各项性能指标均有所提高。在设计输入级时,采用电流转换型差分输入级,以电流而非电压作为设计变量,突破了传统的电压模式的设计方法;在设计输出级时,为了提高增益,采用了互补共源共栅输出级,且达到了很高的输出电压摆幅;采用了一个低功耗的基准电流源,不仅为运放提供了稳定的偏置电流,且进一步降低了电路总体功耗。在版图设计上,对输入级采用改进的交叉耦合结构,减小由工艺引起的不对称,从而减小了电路的失调电压,而且节省了版图面积;对大尺寸的管子采用叉指结构;为减小闩锁效应,采用增大衬底偏置面积的方法;考虑到静电释放( ESD,Electrostatic Discharge)带来的破坏性的后果,在输入输出采用了保护电路;为改善导电性能,金属走线采用45°拐角形式。本运算放大器可望用于移动通讯、个人数字助理、便携式音响系统、电池监测系统等产品中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文结构安排
• 第2章 低电压低功耗CMOS 运放概述
• 2.1 集成运放概述
• 2.1.1 运算放大器的发展概况
• 2.1.2 集成运放的基本结构
• 2.1.3 CMOS 运算放大器的优点
• 2.2 运放的应用
• 2.2.1 基本运算电路
• 2.2.2 信号处理电路
• 2.2.3 波形发生器
• 2.2.4 测量电路
• 2.3 低电压低功耗模拟IC 基本问题
• 2.3.1 CMOS 电路功耗的来源
• 2.3.2 电压降低的极限
• 2.3.3 低电压低功耗运放的基本问题
• 2.3.4 低电压低功耗模拟IC设计技术
• 2.4 总结
• 第3章 运算放大器的设计基础
• 3.1 MOS 器件模型与工作特性
• 3.1.1 MOS 管的V/I 特性
• 3.1.2 MOS 管的大信号模型
• 3.1.3 MOS 管的小信号模型
• 3.2 运放的基本单元
• 3.2.1 有源电阻
• 3.2.2 电流源和电流镜
• 3.2.3 运放的输入级
• 3.2.4 运放的输出级
• 3.3 总结
• 第4章 低电压低功耗运放的电路设计
• 4.1 设计目标
• 4.2 运算放大器结构的选择
• 4.3 输入级的设计
• 4.3.1 电流镜结构的运放
• 4.3.2 具体设计
• 4.4 输出级设计
• 4.5 基准电流源的设计
• 4.5.1 基本的基准电流电路形式
• 4.5.2 本文设计的基准电流电路
• 4.6 偏置电路的设计
• 4.7 电路总体结构
• 4.8 总结
• 第5章 低电压低功耗运放的仿真
• 5.1 运算放大器的仿真模型以及软件
• 5.2 运算放大器的仿真结果
• 5.2.1 运放直流传输特性分析
• 5.2.2 运放输入和输出共模电压范围分析
• 5.2.3 运放交流小信号分析
• 5.2.4 运放转换速率和建立时间分析
• 5.2.5 运放共模抑制比分析
• 5.2.6 运放电源抑制比分析
• 5.2.7 电路功耗分析
• 5.3 总结
• 第6章 低电压低功耗运放的版图设计
• 6.1 输入差分对管
• 6.2 大尺寸器件的结构
• 6.3 信号走线
• 6.4 闩锁效应
• 6.5 静电释放保护电路
• 6.6 DRC和LVS
• 第7章 结论和展望
• 附录 A TSMC 的MOSFET模型文件
• 附录 B 低电压低功耗运放的部分网表文件
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所发表的论文