CMOS低压微功耗折叠式共源—共栅运放设计

论文摘要

在生物科学和空间技术的研究中,需要集成电路在低电压和弱电流的条件下工作。采用低电源电压供电的模拟电路不但能减少电路的功耗,而且能增强电路的稳定性。因此,研制和生产低功耗甚至微功耗的集成电路是电子工业界的重要课题。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,更是大型电子系统的迫切需要。运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中最基本的单元,其重要性是众所周知的,其性能的提高使整个系统的性能得到改善。因此,设计低压、微功耗的运算放大器是非常必要的。论文对国内外低电压、低功耗模拟电路的设计方法做了广泛的调查研究,分析了这些技术的工作原理和优缺点,在吸收这些成果的基础上,基于运算放大器的基本原理,对运算放大器的输入、输出以及偏置电路进行介绍。在此基础上,设计了一个电源电压为0.75 V、微功耗、轨对轨的CMOS运算放大器。采用低压折叠式共源一共栅输入级结构,使其具有较大的输出摆幅;在偏置电路设计中,电流镜负载并不采用传统的共源一共栅结构,而是采用适合在低压工况下的宽摆幅共源一共栅结构;通过改变传统基于运放的基准源设计的方法,采用电流镜负载的差分放大器设计了一个基准电流源,为运放提供稳定的偏流和偏压;在设计输出级时,为了获得较高的电源效率,采用前馈式AB类推挽输出结构,能够在低压下实现全摆幅的轨对轨输出;并采用带有调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿。采用标准的上华科技CSMC 0.35μm CMOS工艺参数,对整个运放电路进行了设计,并通过HSPICE软件进行了仿真。仿真结果表明,在0.75 V的电源电压下,所设计的CMOS运放的静态功耗只有3.6μW,开环增益、单位增益带宽和相位裕度分别达到106 dB,360 kHz和68°,各项技术指标都达到了设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及其意义
• 1.2 国内外研究现状及发展方向
• 1.3 低压低功耗设计的限制因素
• 1.4 论文章节安排
• 第二章 运算放大器的设计基础
• 2.1 MOS器件的基本特性
• 2.1.1 MOSFET的结构和大信号特性
• 2.1.2 MOSFET的小信号模型
• 2.2 CMOS运算放大器的设计方法
• 第三章 运算放大器的性能指标
• 3.1 开环增益（open loop dc gain）
• 3.2 输入阻抗（driving point impedance）
• 3.3 输出阻抗（output impedance）
• 3.4 开环带宽（band width）
• 3.5 输出摆幅（output swing）
• 3.6 转换速率与建立时间（slew rate and setting time）
• 3.7 相位裕度（phase margin）
• 3.8 功耗（power dissipation）
• 3.9 噪声（noise）
• 第四章 模拟电路低压低功耗的设计方法
• 4.1 低功耗设计中的限制
• 4.2 亚阈值工作区技术
• 4.3 降低阈值电压的设计方法
• 4.4 组合晶体管技术
• 4.5 SOI技术
• 4.6 准浮栅技术
• 4.7 电流模式电路
• 第五章 CMOS运算放大器的设计
• 5.1 CMOS运算放大器的基本结构
• 5.2 低压低功耗运算放大器存在问题
• 5.3 电路设计目标
• 5.3.1 设计目标
• 5.3.2 运放的结构选择
• 5.4 输入级设计
• 5.4.1 传统差分输入级结构
• 5.4.2 套筒式输入级结构
• 5.4.3 折叠式输入级结构
• 5.4.4 宽摆幅共源-共栅电流镜电路
• 5.4.5 差分输入级设计
• 5.5 输出级设计
• 5.5.1 AB类前馈式输出级
• 5.5.2 反馈式AB类输出级
• 5.5.3 偏置电路的设计
• 5.6 基准电流源设计
• 5.6.1 带隙基准电压源
• 5.6.2 PATA基准电流源
• 5.6.3 设计的基准电流源
• 5.7 补偿电路设计
• 第六章 低压微功耗运放HSPICE仿真
• 6.1 直流分析（DC）
• 6.2 输入输出跟随特性
• 6.3 输出电压摆幅的仿真
• 6.4 交流小信号分析
• 6.5 转换速率与建立时间仿真
• 6.6 共模抑制比
• 6.7 电路功耗仿真
• 6.8 仿真结果与分析讨论
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录 MOS器件模型参数
• 攻读硕士研究生期间发表的论文