用于TFT-LCD集成芯片的低功耗多级运算放大器研究

摘要

随着现代电子显示设备市场的日益发展，TFT-LCD因其高分辨率、低功耗、轻重量、长寿命等特点成为液晶乃至面板显示技术的主流，并被广泛应用在大、中、小尺寸的主流电子产品中。低功耗、高集成度、高分辨率的薄膜晶体管显示集成芯片需要能够驱动大容性负载、大带宽等特性的低功耗多级运算放大器。然而低功耗放大器的设计方法与 CMOS工艺晶体管的特征尺寸紧密相关，所以研究不同尺寸工艺下放大器的设计方法具有一定意义。器件需要折中稳定性、带宽和芯片面积等参数，所以研究多级运算放大器的频率补偿技术显得很有必要。
　　根据芯片的低功耗和驱动容性大负载等需求，本文研究了低功耗多级运算放大器的设计方法。改进了自适应粒子群优化算法，并分别采用单目标和多目标算法设计两级密勒电容补偿运算放大器和三级运算放大器。基于gm/ID方法，研究了高阶短沟道尺寸工艺下共源放大器的失真和灵敏度等特性。设计了一款驱动容性大负载的低功耗四级运算放大器，通过流片测试验证；研究了多级运算放大器的频率补偿技术；在高阶短沟道尺寸工艺条件下设计一款有源密勒电容反馈和串联RC补偿结构的三级运算放大器，通过基于版图后仿真验证。本文的主要创新点包括：
　　1、改进一种基于gm/ID方法的自适应粒子群优化算法。在CMOS工艺下，以两级密勒电容补偿运算放大器和三级运算放大器为例说明：它既节约晶体管级电路的设计时间，又降低电路设计的误差。在直流增益、增益带宽积、噪声和相位裕度等参数之间，该方法为设计者提供更多的设计余量。
　　2、设计一款驱动容性大负载的低功耗四级运算放大器。从放大器输出端到第一级输出端形成有源反馈路径，引入一个低频左半平面零点以抵消低频左半平面非主极点。在低功耗条件下，它既维持放大器的稳定性不变，又提高其驱动容性负载的能力。芯片测试结果显示该设计改善了放大器的最优值。
　　3、设计一款有源密勒电容反馈和串联RC补偿结构的低功耗三级运算放大器。串联RC结构引入的低频左半平面零点抵消一个低频左半平面非主极点，提高了相位裕度。调节RC值来优化放大器的共轭非主极点和Q值而不增加其静态功耗，从而拓展放大器的增益带宽积。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 TFT-LCD集成芯片

1.2低功耗多级运算放大器

1.3内容安排和主要创新点

1.4本章小结

第二章 运算放大器设计方法

2.1运算放大器

2.2 gm/ID方法

2.3本章小结

第三章 驱动容性大负载多级运算放大器

3.1基于gm/ID的自适应粒子群优化设计

3.2改进阻抗自适应运算放大器

3.3驱动容性大负载的四级运算放大器

3.4局部反馈环路分析法

3.5本章小结

第四章 短沟道尺寸工艺下多级运算放大器

4.1多级运算放大器的频率补偿技术

4.2有源密勒电容反馈和串联RC补偿三级运算放大器

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1论文的总结

5.2下一步的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢