CMOS高增益宽带宽运算跨导放大器的研究与设计

摘要

随着集成电路产品广泛应用到民用领域和军事领域的各个方面，人们对集成电路的性能要求也不断提高。运算放大器作为模拟集成电路应用极为广泛的单元之一，它不仅用于信号的运算、处理、变换和信号产生电路，而且还用于开关电路中，其性能会直接影响模拟集成电路系统的性能，更为严重的是会限制系统性能的提升。运算跨导放大器(OTA)是一种省去缓冲输出的运算放大器，它在模拟集成电路中得到更普遍的应用，因此成为微电子领域的研究热点。
　　本文旨在对基准电压源、运算跨导放大器进行深入研究与设计。本文主要工作包含:
　　(1)针对传统三极管构成的基准源功耗高、面积大等问题，通过引入MOS管工作在亚阂值区和数字控制技术，研究了一种低功耗可校正的电压基准源，为电路中的OTA提供了一个稳定的参考基准电压。所设计基准源与传统基准源相比，具有低温漂、可校正、低功耗等优点。
　　(2)为了解决在低电压、深亚微米工艺条件下获得高增益运算放大器的问题，通过引入电流倍增和分流技术，研究了一种新型高增益可调单端输出运算跨导放大器。对该电路进行理论分析和仿真验证，结果显示该OTA的直流开环增益在61dB至91dB可调，最大静态功耗为434uW，最小共模抑制比为114dB，具有高增益和增益可调的优点;此外，根据对运放的增益和带宽的研究，针对共源共栅结构的增益和带宽受限问题，通过引入负载管分割、高速电流镜、增益自举等技术，研究了一种高增益宽带宽全差分运算跨导放大器。经理论分析和仿真显示，该全差分OTA直流开环增益为105.4dB，单位增益带宽为714MHz，相位裕度为84.5°，共模抑制比达136dB，在1MHz时的等效输入参考噪声为6.17nV/kz。该OTA的跨导实现倍增，具有较高的输出阻抗和增益以及较宽的带宽特性。
　　(3)根据对采样电路和滤波电路的研究，所设计的OTA实现了流水线ADC中12bit100MHZ采样电路和多路反馈二阶滤波电路的应用，性能均达到了设计指标要求。最后，对所设计的电压基准源、单端输出OTA、全差分输出OTA、采样电路和多路反馈二阶滤波电路进行了版图设计。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 MOS器件与运算放大器工作原理

2．1 MOS器件物理基础

2．1．1 MOS管的结构和I-V特性

2．1．2 二级效应

2．2 运算放大器原理

2．2．1 运放的总体结构

2．2．2 运放的主要性能参数

2．2．3 运放的指标与折衷

2．2．4 基本的运算放大器结构

2．3 本章小结

第3章 电压基准源的研究与设计

3．1 传统的带隙基准电压源

3．1．1 基本原理

3．1．2 电路实现

3．2 一款带POR的可校正低功耗电压基准源的设计

3．2．1 核心电路原理

3．2．2 基准源整体电路

3．2．3 电路仿真结果与分析

3．3 本章小结

第4章 运算跨导放大器的研究与设计

4．1 单端输出运算跨导放大器的设计

4．1．1 基本原理

4．1．2 电路仿真结果与分析

4．2 全差分运算跨导放大器的设计

4．2．1 设计目标

4．2．2 运算放大器结构的选择

4．2．3 主体电路原理

4．2．4 零极点分析与补偿

4．2．5 辅助运放与共模反馈电路

4．2．6 偏置电路设计

4．2．7 电路仿真结果与分析

4．3 本章小结

第5章 运算跨导放大器的应用

5．1 12bit 100M采样电路

5．1．1 采样电路的选择

5．1．2 开关电路的设计

5．1．3 时钟产生电路的设计

5．1．4 电路的仿真结果与分析

5．2 二阶低通滤波器

5．2．1 二阶低通滤波器原理

5．2．2 二阶低通滤波器的设计

5．2．3 电路的仿真结果与分析

5．3 本章小结

第6章 版图与设计

6．1 版图设计规则

6．1．1 匹配设计

6．1．2 可靠性设计

6．2 版图的实现

6．3 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢

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