一种低压功耗CMOS轨对轨运算放大器的设计

论文摘要

运算放大器是模拟电路中最重要的单元电路,在各种模拟电路和数模混合电路中得到了广泛的应用在。近年来,随着便携式电子产品的广泛应用和因CMOS工艺的不断进步而导致的阈值电压的不断降低,低压低功耗模拟电路越来越受青睐。低压低功耗的模拟电路也是当今模拟电路设计的一个热点。随着电源电压的降低,信号的动态范围减小,运算放大器通常需要实现轨对轨的输入和输出。本论文针对国内外低压低功耗轨对轨运算放大器做了广泛的调查和研究,分析了多种运放的工作原理和优缺点,在吸收前人成果的基础上,设计了一个低压低功耗轨对轨运算放大器。运算放大器采用两级运放的结构。运放的第一级采用互补差分对结构以实现轨对轨输入,采用折叠式共源共栅结构实现第一级的高增益。采用电流镜技术来实现输入级的跨导的恒定。输出级采用共源结构的互补甲乙类输出结构,提高了输出电压的范围和效率,达到了轨对轨输出。设计了一个带隙基准电压源,给运放提供较稳定的偏置电压和偏置电流。偏置电路采用共源共栅电流镜,以实现较高的电源抑制比。运放的频率补偿采用共栅频率补偿的方法,以消除右半平面的低频零点。整个电路采用台积电（TSMC）0.35μm3.3V CMOS数模混合工艺库进行设计,并经过Star-Hspice2004仿真软件仿真。仿真结果表明,在工艺库标准的电源电压3.3V和20pF负载电容的情况下,运放的静态功耗为0.95mW,直流增益为113dB,单位增益带宽为9.5MHz,相位裕度为73°,压摆率为8.2V/μS,输入共模电压范围为0-3.3V,输出电压摆幅为0-3.3V,运放实现了轨对轨的输入和输出。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展态势
• 1.3 本论文的主要工作
• 第二章 CMOS 运算放大器设计基础
• 2.1 MOS 器件原理及模型
• 2.1.1 MOS 管的大信号模型
• 2.1.2 MOS 管的二级效应
• 2.1.3 MOS 管的小信号模型
• 2.2 模拟电路设计的八边形法则
• 2.3 轨对轨运算放大器设计的总体框图
• 2.4 运算放大器参数设计指标
• 第三章 运算放大器的具体设计
• 3.1 运放的输入级设计
• 3.1.1 传统的运放输入级
• 3.1.2 轨对轨运放的输入级
• 3.1.3 恒定跨导输入级
• 3.2 运放的输出级设计
• 3.3 基准恒流源的分析与设计
• 3.3.1 自偏置恒流源
• 3.3.2 带隙基准电压源
• 3.3.3 基准恒流源
• 3.3.4 基准恒流源电路中简单二级运放的设计
• 3.4 运放偏置电路的设计
• 3.5 运放的频率补偿电路设计
• 3.5.1 运放的稳定性
• 3.5.2 运放的密勒补偿
• 3.5.3 把右半平面零点移动到左半平面消除第一个左极点的方法
• 3.5.4 本文所采用的频率补偿方法
• 3.6 运放的噪声分析
• 3.6.1 噪声定义
• 3.6.2 噪声类型
• 3.6.3 运算放大器的噪声分析
• 3.7 实际设计
• 第四章 运算放大器的仿真
• 4.1 带隙基准源的仿真
• 4.1.1 自启动电路的仿真
• 4.1.2 带隙基准电压源的仿真
• 4.1.3 带隙基准电流源的仿真
• 4.2 运算放大器的仿真
• 4.2.1 运放的失调电压的仿真
• 4.2.2 运放的输入共模范围（CMR）的仿真
• 4.2.3 运算的输出电压摆幅的仿真
• 4.2.4 运放的交流小信号仿真
• set )'>4.2.5 运放的转换速率（SR）和建立时间(T_set)
• 4.2.6 运放的共模抑制比仿真
• 4.2.7 运放的电源抑制比（PSRR）的仿真
• 4.2.8 运放的噪声的仿真
• 4.2.9 运放的功耗的仿真
• 4.2.10 带负载能力仿真
• 第五章 版图
• 5.1 一节 版图设计的常用规则
• 5.2 总体版图
• 第六章 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果