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恒跨导CMOS轨对轨运算放大器设计

作　者: 马玉杰
导　师: 杨建红
学　校: 兰州大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 运算放大器 低压 恒跨导 轨对轨
分类号: TN722.77
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 43次
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内容摘要


随着便携式电子产品的飞速发展,集成电路电源电压不断降低,迫使运算放大器(以下简称运放)输入输出信号摆幅不断减小,进而严重影响运放的工作性能,甚至不能正常工作。为了提高运放的信噪比,通常需要输入输出信号范围能够达到整个电源电压,即轨对轨(Rail-to-Rail)。本论文在深入了解国内外轨对轨运放研究动态的基础上,基于标准CMOS工艺,研究如何实现低电压运放的输入输出达到全摆幅,以及如何实现输入级跨导恒定和输出级的高电源利用率。研究了各种电路的组成结构和工作原理,主要研究轨对轨输入／输出和恒跨导的实现方法。在吸收已有的相关技术成果基础上,自主提出设计方案,完成设计与验证。本论文设计的是一种3.3V低压轨对轨运算放大器。该运算放大器采用三倍电流镜法控制互补差分对作为输入级,不但满足了轨对轨共模输入电压范围的要求,而且具有良好的恒跨导特性。运放采用浮动电流源控制的前馈式AB类输出级,在精确控制输出晶体管电流的同时,满足了轨对轨输出电压动态范围的要求。运放采用折叠式共源共栅电路作为中间增益级,除实现电流求和及稳定静态输出电流的功能外,还可提高环路增益。对于所做的设计,基于CMOS工艺规范,采用Cadence Spectre工具进行了仿真。仿真结果表明：在电源电压3.3V、负载电阻5kΩ、负载电容10pF的情况下,运放直流开环增益为120dB,单位增益带宽为6.55MHz,相位裕度为66.4。,功耗为0.36mW,在整个共模范围内输入级跨导变化率仅为2.45%。整个电路结构简单紧凑,适合于低电压低功耗应用。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章 引言  9-15
  1.1 课题研究的背景和意义  9-10
  1.2 运算放大器的发展概况  10-12
  1.3 CMOS运算放大器的设计方法  12-14
    1.3.1 设计方法介绍  12
    1.3.2 运算放大器的性能参数  12-14
  1.4 本论文的主要内容  14-15
第二章 CMOS模拟电路设计基础  15-27
  2.1 MOS晶体管及模型  15-21
    2.1.1 MOS晶体管基本工作原理  15-16
    2.1.2 MOS晶体管大信号模型  16-19
    2.1.3 MOS晶体管小信号模型  19-21
  2.2 MOS器件的二阶效应  21-23
    2.2.1 体效应  21-22
    2.2.2 沟道长度调制效应  22
    2.2.3 亚闽值导电性  22-23
  2.3 CMOS基本模拟放大器  23-26
    2.3.1 共源放大器  23-24
    2.3.2 共漏放大器  24-25
    2.3.3 共栅放大器  25-26
  2.4 小结  26-27
第三章 恒跨导CMOS轨对轨运算放大器设计  27-42
  3.1 设计思路  27-29
  3.2 Rail-to-Rail输入级的设计  29-31
    3.2.1 Rail-to-Rail输入级  29-30
    3.2.2 低压恒跨导Rail-to-Rail输入级  30-31
  3.3 Rail-to-Rail输出级的设计  31-38
    3.3.1 推挽(AB类)输出级  32-34
    3.3.2 前馈式AB类Rail-to-Rail输出级  34-37
    3.3.3 浮动电流源控制的前馈式AB类Rail-to-Rail输出级  37-38
  3.4 偏置电路的设计  38-39
  3.5 补偿电路的设计  39-41
  3.6 低压Rail-to-Rail运算放大器的整体电路  41
  3.7 小结  41-42
第四章 恒跨导CMOS轨对轨运算放大器的仿真  42-54
  4.1 设计指标  42-43
  4.2 直流特性仿真  43-47
    4.2.1 输入共模电压范围的仿真  43
    4.2.2 输出动态范围的仿真  43-44
    4.2.3 直流传输特性的仿真  44-45
    4.2.4 输入失调电压的仿真  45-46
    4.2.5 输入级跨导的仿真  46
    4.2.6 运放静态功耗的仿真  46-47
  4.3 交流特性仿真  47-50
    4.3.1 幅频相位特性的仿真  47
    4.3.2 电源抑制比的仿真  47-48
    4.3.3 共模抑制比的仿真  48-50
  4.4 瞬态特性仿真  50-52
    4.4.1 转换速率的仿真  50-51
    4.4.2 建立时间的仿真  51-52
  4.5 运算放大器的仿真结果汇总  52
  4.6 小结  52-54
第五章 主要结论及工作展望  54-55
参考文献  55-58
在学期间的研究成果  58-59
致谢  59

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 基本电子电路 > 放大技术、放大器 > 放大器 > 放大器：按作用分 > 运算放大器（计算放大器）
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