基于双极型工艺的低噪声运算放大器的设计

摘要

运算放大器在如今的电路系统中随处可见，并且现在的运算放大器大都是具有特殊性能的专用运放。运放对微弱的信号非常敏感，很容易被环境中或者内部的噪声信号所影响，当噪声的数量级与有用信号的数量级相同时会对输出信号造成严重的影响。那么运放的噪声特性就显得相当重要，因此降低运放的噪声具有非常重大的意义。同时双极型工艺相比于MOS工艺，具有较小的失调、较强的电流驱动能力以及更好的噪声特性等，所以绝大部分高精度运放都采用双极型工艺。
　　本文主要致力于设计一款基于双极型工艺的低噪声运放。从工艺、器件、电路结构、电路参数四个角度介绍了运放低噪声的实现方法；输入级运用电阻负载差分对结构和偏置电流消除电路以减小运放的噪声电压和输入偏置电流、中间级运用折叠式共射共基结构以提高运放的增益、输出级运用双缓冲输出结构以提高运放的带负载能力和输出电压摆幅；设计合适的基准电流源以及偏置电路为运放提供合理的偏置电压；设计典型的密勒补偿电路以及前馈补偿电路以提高运放的稳定性；文章详细推导了运放的各项主要参数如等效输入噪声电压、输入失调电压、开环增益、转换速率等。
　　本课题采用上海先进3μm的Bipolar工艺，运用HSPICE软件仿真，结果表明，当供电电压为±15 V时，在1 kHz时的等效输入噪声电压为2.465 nV/ Hz；输入失调电压为0.0146 mV，开环增益达到131.3 dB，共模抑制达到170 dB，单位增益带宽为6.06 MHz，相位裕度为51.7°，转换速率为2.61 V/μs。在版图的设计过程中运用一层金属布线，最终通过版图验证，版图面积为4100μm×2590μm。因此，本文所设计的运放不仅具有极低的噪声，在其他方面也表现出色，基本达到设计指标。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 运算放大器的发展现状

1.3 运算放大器的研究方向

1.4 论文的主要内容及章节安排

第二章 噪声原理简介

2.1 噪声类型

2.2双极型晶体管的噪声

2.3 基本放大电路的噪声分析

2.4 本章小结

第三章 低噪声运算放大器的设计

3.1 设计指标

3.2 电路结构的设计

3.3 运算放大器的噪声考虑

3.4 基准电流源的分析与设计

3.5 主体运放电路的分析与设计

3.6 各项参数分析

3.7 本章小结

第四章 低噪声运算放大器的仿真验证

4.1 噪声特性仿真

4.2 其他各项参数仿真

4.3 本章小结

第五章 低噪声运算放大器的版图设计

5.1 版图的绘制

5.2 版图的验证

5.3 本章小结

第六章 总 结

致谢

参考文献

攻硕期间获得的研究成果