低压恒跨导轨对轨CMOS运算放大器设计

摘要

随着以电池作为电源的便携式消费电子的广泛使用,低压、低功耗已成为模拟电路设计的热点之一。运算放大器(简称运放)作为模拟电路的重要组成部分,电压降低对运放的设计带来了很大的挑战。电源电压降低,信号的动态范围将随之减小,因此迫切需要运放实现轨对轨的输入和输出。
　　 本文对国内外轨对轨运算放大器的设计方法做了广泛的调查研究,分析了多种运放的工作原理和各自的优缺点,在总结前人研究成果的基础上,设计了一个低压、恒跨导、轨对轨的运算放大器。输入级采用互补差分对结构实现轨对轨的输入,同时为解决在整个共模电压输入过程中差分输入对的跨导不恒定的问题,引入改进型前馈式恒定跨导控制电路；中间级采用共源-共栅放大结构,不仅增大了运放的开环电压电压增益,提高了输入和输出电压的幅度；且与输入级连接成自举电路,从而使输入级的静态工作点不随输入电压的变化而变化。输出级采用前馈式AB类推免输出形式以提高效率,防止交越失真；采用目前广泛使用的带有调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿。采用基于台积电TSMC0.25μm CMOS工艺参数,对整个电路进行了精心设计,并通过Cadence软件进行了仿真。仿真结果表明:在整个信号输入过程中,所设计运放电路能很好地抑制输入级MOS管跨导的变化,仅在NMOS和PMOS导通的临界点存在4.7％的跨导变化率,且信号输入／输出均实现了轨对轨。在±1.5 V电源电压和5 pF负载电容情况下,所设计运放的静态功耗仅为337.5μW,开环电压增益、单位电压增益带宽和相位裕度分别达到107.8 dB、44.6 MHz和65°,输出信号建立时间仅为48 ns,各项技术指标都满足了预期的设计要求。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 运算放大器发展历史与趋势

1.3 低压低功耗模拟电路设计的限制因素

1.4 论文章节安排

第二章 运算放大器的设计基础

2.1 MOS器件的结构和模型

2.1.1 MOS器件的结构与Ⅰ-Ⅴ特性

2.1.2 MOS管的小信号模型

2.2 运算放大器的基本结构

2.3 运算放大器的主要技术指标

2.4 运算放大器的应用

2.4.1 反相放大器

2.4.2 同相放大器

2.4.3 单位负反馈放大器

2.4.4 加法器

2.4.5 微分器

2.4.6 积分器

第三章 轨对轨运算放大器的设计

3.1 轨对轨运放输入级的理论模型

3.2 运放的设计指标

3.3 轨对轨运放输入级的设计

3.3.1 冗余差分对法

3.3.2 三倍电流镜技术

3.3.3 前馈补偿技术

3.3.4 改进型前馈补偿法

3.4 轨对轨运放中间级的设计

3.4.1 套筒式共源-共栅运算放大器

3.4.2 折叠式共源-共栅放大电路

3.4.3 宽摆幅镜像电流源

3.3.4 折叠式共源-共栅自举放大电路

3.5 轨对轨运放输出级的设计

3.5.1 推挽输出级结构

3.5.2 前馈AB类输出级

3.6 带隙基准电压源电路的设计

3.6.1 传统基准电压源

3.6.2 PTAT电流源产生的基准电压

3.7 补偿电路的设计

3.7.1 密勒补偿

3.7.2 控制零点的密勒补偿

3.8 小结

第四章 低压低功耗轨对轨运放的仿真实验

4.1 概述

4.2 轨对轨运放跨导的仿真

4.3 输入/输出特性仿真

4.4 幅频特性与相频特性仿真

4.5 转换速率的仿真

4.6 建立时间的仿真

4.7 共模抑制比的仿真

4.8 电源抑制比仿真

4.9 运放功耗仿真

4.10 运放仿真结果分析

第五章 结论与展望

5.1 工作总结

5.2 结果、结论及创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

附录 TSMC MOS器件模型参数

攻读硕士研究生期间发表的论文