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轨至轨自动调零运算放大器的分析与设计

作　者: 张永水
导　师: 邢建力
学　校: 厦门大学
专　业: 电路与系统
关键词: 运算放大器 轨至轨 自动调零
分类号: TN722.77
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


时至今日,虽然集成电路中数字信号处理算法的功能日益增强,但是模拟技术在与自然信号交集领域仍然具有不可撼动的地位。然而,随着现代集成电路发展中芯片尺寸的减小,电源电压的降低以及精密控制的要求,对模拟集成电路的设计发起了新的挑战,运算放大器作为模拟集成电路中基础的系统模块,也同样面临着挑战。针对于低电源电压下运放共模输入范围、输出摆幅和信噪比的限制,精密控制中微小信号的检测问题,本文设计了一款轨至轨自动调零运算放大器。该运算放大器可分为两个部分,轨至轨输入模块和自动调零运放。其中输入模块不同于以往的NMOS对和PMOS对并联输入结构,而是利用电荷平衡采样技术将输入信号中的差分量进行取样,同时舍去原有的共模偏置,转而将差分量偏置在另一固定偏置电平上,以实现轨至轨甚至超越电源电压的共模输入范围。自动调零运放即利用自动调零技术大大减小运放在设计和制造中产生的失调电压。调零过程中,在传统的调零阶段和输出阶段之间,设计增加了一个失调尖峰消除阶段,即利用一个辅助运放进一步消除失调电压和尖峰值,使得调零过程中电容上的电压在开关切换时更为平稳,整体失调电压更小。本文采用CSMC0.6um CMOS工艺完成了系统各模块电路及其整体电路的设计,并利用Cadence Spectre设计软件对其进行仿真。运算放大器的共模输入范围和输出摆幅均达到了轨至轨的要求,其中输入采样频率设置为3KHZ。失调电压方面,运放在自动调零失调电压时产生的尖峰值约为100uV,并且在不同工艺角和温度下其失调电压均值在10uV以下。运放的直流环路增益远大于100dB,增益带宽积大于2MHZ,相位裕度约为60°,共模抑制比大于125dB,电源抑制比约为120dB。同时,运放的输出级利用提高摆率的结构,使其上升摆率为4.4V/us,建立时间为600ns,下降摆率为5.3V/us,建立时间为540ns。运放的工作电源电压为2.7～5V之间,并且常温时其静态电流在3V电源下的典型值为900uA。仿真结果表明,所设计的运算放大器能够实现轨至轨范围和对失调电压的自动调零,满足预期设计目标。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
Contents  9-11
第一章 概述  11-17
  1.1 课题研究的背景和意义  11-13
  1.2 运算放大器历史和发展  13-15
  1.3 本文的结构安排  15-16
  1.4 本章小结  16-17
第二章 运算放大器基础  17-30
  2.1 理想运算放大器  17-18
  2.2 基础运算放大器电路及原理  18-27
  2.3 运算放大器的主要性能指标  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章 轨至轨和自动调零原理介绍  30-57
  3.1 轨至轨输入级原理分析  30-44
    3.1.1 三倍电流镜法  32-34
    3.1.2 电平移位法  34-39
    3.1.3 冗余差分对法  39-41
    3.1.4 一倍电流镜法  41-43
    3.1.5 电荷平衡采样数据技术  43-44
  3.2 运算放大器低失调的原理分析  44-51
    3.2.1 斩波技术  44-46
    3.2.2 自动调零技术与相关双采样技术  46-51
  3.3 输出级原理分析  51-56
  3.4 本章小结  56-57
第四章 运算放大器电路的设计与分析  57-74
  4.1 带隙基准电流源的设计  58-62
  4.2 振荡器的设计  62-64
  4.3 电荷平衡采样轨至轨输入电路设计  64-65
  4.4 自动调零运算放大器原理电路  65-70
    4.4.1 宽带主运放的电路设计  66-69
    4.4.2 调零运算放大器电路设计  69-70
    4.4.3 辅助运放的电路设计  70
  4.5 自动调零逻辑分析  70-72
  4.6 本章小结  72-74
第五章 运算放大器的电路仿真  74-89
  5.1 共模输入电压范围  74-76
    5.1.1 自动调零运放共模输入范围  74-76
    5.1.2 整体运放共模输入电压  76
  5.2 输出电压摆幅  76-77
  5.3 运放幅频及相频特性  77-78
  5.4 共模抑制比  78-80
  5.5 电源抑制比  80-81
  5.6 瞬态时域仿真  81-83
  5.7 失调电压  83-87
  5.8 运放的静态功耗  87
  5.9 本章小结  87-89
第六章 总结与展望  89-90
参考文献  90-93
硕士期间发表的论文  93-94
致谢  94

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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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