低电压CMOS可调增益跨导运算放大器的设计与应用

摘要

集成电路是当今电子与通信领域的一门前沿学科，世界各国都投入巨大的人力和财力去促进集成电路产业的发展，随着近些年移动消费电子对电路的性能、功耗、集成度等方面的要求越来越高，半导体集成电路更是得到了迅猛发展。跨导运算放大器作为模拟集成电路中最基础同时也是用途最广泛的单元之一，更是受到了极大的关注，它不仅可以用于模拟信号的运算、处理、变换，还可以直接用在开关电路中，其性能的好坏更是直接影响到整个模拟集成电路的性能。
　　本文主要是针对跨导运算放大器进行了研究、设计和应用。本文的主要工作包含:
　　(1)从基本跨导运算放大器的原理出发，简明扼要的介绍了现有CMOS跨导运算放大器的电路结构，在此基础上提出了本文所设计的低电压可变增益跨导运算放大器。电路从三个方面对现有跨导运算放大器进行了改进，具体是在输入级采用了信号衰减技术，提升了电路的线性度;使用复制更加精准的电流镜结构来减小电路的误差;在输出级使用超级折叠共源共栅结构去提升电路的增益。通过模拟仿真显示该OTA的直流开环增益在53dB至68dB之间可调，静态功耗最小为540μW，单位增益带宽为68dB至79MHz，在1MHz时的等效输入噪声为29nV/√kHz至32nV/√kHz，在电源电压为±0.8V的情况下，线性区间为±0.55V，整个跨导放大器具有低电源低压、增益可调、单位增益带宽大、线性度高、功耗低等特征。
　　(2)将本文所设计的低电压CMOS可调增益跨导运算放大器应用到电压模式三端输入单端输出OTA-C多功能滤波器中。此滤波器的电路结构仅由三个OTA以及两个电容构成，结构简单，在不改变电路主体结构的情况下，只需要改变输入端的电压组合就可以完成低通、高通、带通、带阻四种滤波功能的转换，且截止频率可以通过控制OTA的增益来进行控制，具有很好的实用性。
　　(3)在完成滤波器设计的情况下还基于本文所设计的OTA电路设计了一个环形振荡器。整个振荡器电路由5个级联OTA和两个模拟电阻构成，电路结构简单，版图面积小，易于集成在芯片上，并且可以通过调整OTA的增益来控制振荡器的频率，震荡频率为50MHz至62.5MHz。
　　(4)按照版图设计规则对所研究的CMOS低电压可变增益跨导运算放大器进行了版图设计，并对版图进行了后仿真设计，误差在设计允许范围内。
　　与本文相关的电路结构已经申请国家专利两项。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 国内外的研究动态

1．3 本文的主要研究工作及内容安排

第2章 MOS器件与跨导运算放大器工作原理

2．1 MOS器件物理基础

2．1．1 MOS管的结构

2．1．2 MOS管的伏安特性

2．1．3 MOS管的二级效应

2．2 跨导运算放大器的基本原理

2．2．1 基本CMOS跨导运算放大器

2．2．2 改进的CMOS跨导运算放大器

2．2．3 跨导运算放大器的应用

2．3 本章小结

第3章 低电压可调增益跨导运算放大器的设计

3．1 跨导运算放大器的主要指标与折衷

3．1．1 开环增益

3．1．2 开环带宽和增益带宽积

3．1．3 相位裕度

3．1．4 功耗

3．1．5 跨导运算放大器技术指标的折衷

3．2 跨导运算放大器的目标参数

3．3 跨导运算放大器的研究

3．3．1 输入级的研究

3．3．2 电流镜的研究

3．3．3 输出级的研究

3．3．4 电路整体分析

3．3．5 仿真

3．6 本章小结

第4章 低电压可调增益跨导运算放大器的应用

4．1．2 电压模式三输入单输出OTA-C多功能滤波器

4．2 差分环形振荡器

4．2．1 振荡器的简介

4．2．2 环形振荡器的设计

4．3 本章小结

第5章 版图设计与验证

5．1 版图设计规则

5．2 版图设计

5．2．1 对称性与匹配性

5．2．2 降低寄生效应

5．2．3 减小衬底噪声

5．3 跨导运算放人器版图及后仿真

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 本文研究工作总结

6．2 进一步工作的展望

参考文献

攻读硕士期间取申请的科研成果

致谢

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