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低压低功耗CMOS运算放大器设计

作　者: 植万江
导　师: 成立；王振宇
学　校: 江苏大学
专　业: 农业电气化与自动化
关键词: 低压低功耗模拟集成电路轨对轨 CMOS运算放大器
分类号: TN722.77
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在微电子技术和生物科技研究中,需要集成电路在低电压和低功耗的条件下工作,因而迫切要求采用低电源电压的模拟电路来降低功耗。目前低电压、低功耗的模拟电路设计技术正成为微电子行业研究的热点之一。在模拟集成电路中,运算放大器是最基本的单元,其性能的提高使整个系统的性能得到改善。所以设计低电压、低功耗的运算放大器是非常必要的。论文基于运算放大器基本原理,结合国内外的低电压、低功耗模拟电路的设计方法,在吸收这些成果的基础上设计了一个0.95 V低电压、低功耗、轨对轨的CMOS运算放大器。在设计输入级时,采用了NMOS管和PMOS管并联的互补差动输入级结构,并采用成比例的电流镜技术实现了输入级跨导的恒定;在中间增益级电路设计中,电流镜负载并不采用传统的标准共源-共栅结构,而是采用适合在低压工况下的低压、宽摆幅共源-共栅结构;为了提高效率,在设计时采用了AB类推挽放大器作为输出级,输出电压摆幅基本上达到了轨对轨;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。结果表明,在0.95 V的电源电压下,所设计的CMOS运放的静态功耗只有2.375 mW,开环增益、单位增益带宽和相位裕度分别达到70 dB、2.5 MHz和60°,各项技术指标都达到了预期的设计要求。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-13
  1.1 CMOS模拟集成电路背景及其意义  10-11
  1.2 CMOS运算放大器的基本结构  11-12
  1.3 低压低功耗运算放大器的基本问题  12
  1.4 论文的章节安排  12-13
第二章 CMOS放大器的设计基础  13-24
  2.1 MOS器件的基本特性  13-19
    2.1.1 MOS管的结构和IV特性  13-15
    2.1.2 MOS管的二级效应  15-18
    2.1.3 MOS管的小信号模型  18-19
  2.2 运算放大电路概述及其应用电路  19-21
  2.3 运算放大器性能指标  21-24
    2.3.1 开环增益(open loop dc gain)  21
    2.3.2 开环带宽和增益带宽积(band width and Gain Bandwidth Product)  21-22
    2.3.3 输出摆幅(output swing)  22
    2.3.4 转换速率与建立时间(slew rate and settling time)  22
    2.3.5 相位裕度(phase margin)  22
    2.3.6 功耗(power dissipation)  22
    2.3.7 噪声(noise)  22-24
第三章低电压低功耗CMOS运放设计技术  24-35
  3.1 弱反型区/亚阈值电路  24-25
  3.2 电平移位电路  25-26
  3.3 衬底驱动电路  26-29
  3.4 准浮栅技术  29-32
  3.5 自举共源-共栅电路  32-33
  3.6 电流模式电路  33-35
第四章运算放大器的设计  35-60
  4.1 设计目标  35
  4.2 运放的结构选择  35-36
  4.3 输入级设计  36-41
    4.3.1 传统运算放大器的输入级设计  36-37
    4.3.2 轨对轨输入级设计  37-38
    4.3.3 输入级跨导恒定原理  38-40
    4.3.4 恒跨导输入级设计  40-41
  4.4 共源-共栅中间放大级  41-47
    4.4.1 折叠式共源-共栅(folded-cascode)差动级  41-43
    4.4.2 套筒式共源-共栅(telescopic-cascode)差动级  43-44
    4.4.3 低压宽摆幅共源-共栅电流镜电路  44-46
    4.4.4 中间放大级电路设计  46-47
  4.5 输出放大级设计  47-49
    4.5.1 共源输出放大器  47-48
    4.5.2 源极跟随器  48
    4.5.3 输出放大级的设计  48-49
  4.6 基准电路的设计  49-52
    4.6.1 带隙基准电压源  49-50
    4.6.2 PTAT基准电流源  50-51
    4.6.3 基准电流源的设计  51-52
  4.7 频率补偿电路设计  52-60
    4.7.1 反馈系统的稳定性  52-53
    4.7.2 运放的频率补偿  53-58
    4.7.3 运放频率补偿电路的设计  58-60
第五章运算放大器的HSPICE仿真  60-66
  5.1 运算放大器的直流传输特性分析  60-61
  5.2 运算放大器输入和输出共模电压范围的分析  61-62
  5.3 运算放大器的增益和相位测量  62-63
  5.4 共模抑制比(CMRR)的测量  63-64
  5.5 阶跃响应特性  64-65
  5.6 放大器功耗的测量  65-66
第六章结论与展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
附录 MOS器件模型参数  73-78
攻读硕士研究生期间发表的论文  78

低压低功耗CMOS运算放大器设计

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