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基于衬底驱动的低压低功耗轨至轨COMS运算放大器设计

作　者: 张玉波
导　师: 郭宝增
学　校: 河北大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: CMOS 运算放大器衬底驱动轨至轨 Hspice
分类号: TN722.77
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着便携式电子产品和超深亚微米CMOS工艺技术的不断的发展,低电压、低功耗的模拟电路设计技术正成为研究的热点。在模拟集成电路中,运算放大器是最典型的电路之一,所以设计低电压低功耗的运算放大器是非常必要的。本文对CMOS运算放大器做了调查和研究,在此基础上设计了一个基于衬底驱动技术的低压低功耗轨至轨的全CMOS运算放大器电路。运算放大器输入级采用衬底驱动NMOS管和PMOS管并联的互补差动输入对结构,有效避开阂值电压限制；对于稳定跨导输入级的设计,比较了各种稳定跨导的方法,最终选用冗余差分对技术实现了输入级的跨导稳定；中间级采用衬底驱动低压宽摆幅共源共栅(Cascode)结构；输出采用改进前馈式AB类输出级,不仅提高了输出电压动态范围,而且不增加电路额外功耗、具有良好的高频特性,确保了输出级晶体管的电流能够得到精确控制,使输出摆幅达到轨至轨。整个电路采用PTM (Predictive Technology Model)标准0.18μm CMOS工艺参数进行设计,用Hspice进行仿真。模拟结果显示,测得直流开环增益62.1dB,单位增益带宽为2.2 MHz,相位裕度60°；输入输出均达到轨至轨全摆幅；具有较高的共模抑制比和电源抑制比；电路在0.8V低电压下正常运行,电路平均功耗只有65.9μW。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-12
  1.1 课题背景  9-10
  1.2 低压低功耗CMOS 轨至轨运算放大器的发展及研究现状  10
  1.3 本文的主要工作及内容  10-12
第2章 CMOS运算放大器的设计基础  12-18
  2.1 MOS晶体管的基本结构  12-13
  2.2 MOS晶体管的Ⅰ-Ⅴ特性  13-15
    2.2.1 MOS管的阈值电压及工作原理  13
    2.2.2 MOS管的Ⅰ-Ⅴ特性  13-15
  2.3 MOS晶体管小信号模型  15-18
第3章 CMOS集成电路中低压低功耗技术  18-23
  3.1 模拟电路功耗的组成  18
  3.2 低电压低功耗设计中的限制  18-19
  3.3 CMOS模拟集成电路低压低功耗技术  19-23
    3.3.1 弱反型区/亚阈值区工作电路  19-20
    3.2.2 浮栅MOS管  20
    3.3.3 电流模电路  20
    3.3.4 衬底驱动技术  20-23
第4章运算放大器的具体设计  23-39
  4.1 典型运算放大器的设计概述  23-25
    4.1.1 典型运算放大器概述  23-24
    4.1.2 CMOS运算放大器的设计流  24-25
  4.2 运算放大器的具体设计  25-36
    4.2.1 建立设计目标  25-26
    4.2.2 运算放大器电路结构的确定  26-36
      4.2.2.1 运算放大器的输入级设计  26-31
      4.2.2.2 运算放大器的输出级设计  31-35
      4.2.2.3 运算放大器的频率补偿  35-36
  4.3 运算放大器CMOS管尺寸的确定  36-39
第5章电路的仿真  39-53
  5.1 运算放大器的直流特性分析  39-40
  5.2 运算放大器建立时间和转换速率的仿真和分析  40-42
  5.3 运算放大器的共模输入电压仿真  42-43
  5.4 运算放大器的输出电压摆幅仿真  43-44
  5.5 运算放大器的交流小信号的仿真与分析  44-48
    5.5.1 运算放大器的相频特性和幅频特性的仿真与分析  44-45
    5.5.2 运算放大器电源电压抑制比的仿真与分析  45-47
    5.5.3 运算放大器共模抑制比的仿真与分析  47-48
  5.6 运算放大器功耗的仿真  48-49
  5.7 运算放大器驱动负载能力的仿真  49-51
  5.8 本章小结  51-53
第6章结论与展望  53-54
参考文献  54-56
致谢  56-57
攻读学位期间发表论文情况  57

基于衬底驱动的低压低功耗轨至轨COMS运算放大器设计

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