低压低功耗CMOS运算放大器的设计.pdf
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电子科技大学硕士学位论文低压低功耗CMOS运算放大器的设计姓名:
刘辉申请学位级别:
硕士专业:
微电子学与固体电子学指导教师:
谢孟贤2001.1.1___-1_-摘要摘要I随着集成度的提高及便携式电子应用的发展,低压低功耗技术愈来愈重要。
然赢电源电压的下降对模拟电路的设计是一个挑战。
如今模拟电路的典型电源电压大约是253伏,但是发展的趋势表明电源电压将是15伏,甚至更低。
在这种情况下,国内外研究人员的很多精力花在设计适用于标准CMOS工艺的低压电路结构。
在模拟Ic中,最典型的电路之一是运算放大器,许多模拟电路中都会用到它,所以设计低压低功耗的运算放大器显得尤其重要。
在实现低压低功耗的过程中,必须考虑电路的主要性能的实现,因为电源电压的下降将影响电路的性能。
只是实现低压低功耗而不实现良好的性能显然是错误的。
,7本文在设计实现低压低功耗的运算放大器的同时,也想法提高输入共模范围和输出信号的幅度,同时降低输出阻抗。
为此,采用了新的差分输入级,使共模范围增大,同时尽量不减少差分输入级的增益。
在提高输出信号幅度的同时,采用跨接电阻的方式减少输出阻抗。
在分析输出级时,尝试了用密勒定理分析,这样,定量的分析容易推导、理解。
为了确保用密勒定理分析电路的正确性,还用模拟来验证,模拟结果表明了分析的正确性。
关键讯低删氐2耗、运秒大器“M哕圭分输入蝣氐秒阻抗k7VABSTRACTBecauseintegrateddegreesexaltationandportableelectronicapplicationsdevelopment,lowvoltageandlowpowertechniqueismoreandmoreimportant。
However,tothedesignofanalogcircuit,itisachallengewhenitssupplyvoltageislow。
Nowthetypicalsupplyvoltageofanalogcircuitisabout253V,butthetrendsuggestsitwillbe15vevenmuchlowerUnderthiscondition,greateffortofresearchmembersdomesticandabroadisdevotedtothedesignoflowvoltagecircuitstructurewithstandardCMOSprocesses。
IntheanalogIC,oneofthetypicalcircuitsisoperationalamplifier,andmanyanalogcircuitscanuseitTherefore,thedesignoflowvoltageandlow-poweroperationalamplifierisparticularlyimportantWhilerealizinglowvoltageandlowpower,itmustbenoticedfortheimplementingofthemainfunctionofthecircuitBecausethelowsupplyvoltageaffectsperformancesofcircuits,itobviouslyismistakeforjustimplementinglowvoltageandlowpowerbutnotimplementingthegoodperformancesWhilelowvoltageandlowpowerisrealizedwhendesigningtheoperationalamplifierinthistext,greateffortshavebeendevotedtoincreasingtheinputcommonmoderangeandtheswingofoutputsignal,andlowingtheoutputresistanceatthesametimeForthis,Iadoptthenewdifferentialinputstagetomakeinputcommonmoderangeenlarged,andasfaraspossiblenotreduceitsgainDuringtheexaltationofoutputsignalswing,theadoptionoftheresistanceconnectingacrosscanreducetheoutputresistanceWhenanalysingoutputstage,Itryusingthemilertheoremtoanalyseit,soquantitativeanalysiscanbededucedandunderstoodeasilyInordertoinsurethecorrectnessofanalysisofmilertheorem,Iusesimulationtoverifyandsimulativeresultshowstheanalysisiscorrect。
Keywords:
lowvoltageandlowpower,operationalamplifier,CMOSdifferentialinputstage,lowoutputresistance独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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年月El关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
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童1缝导师签名:
塑壶缓Et期:
年月日第一章绪论近几年来,个人数据处理和通讯的迅猛发展,加上器件尺寸不断小型化,推动着VLSI朝着低压低功耗技术(LVLP)方向发展。
低压低功耗技术是其应用可涉及任何携带能源有限的设备、仪器、表卡范围,诸如单兵通讯机、Ic卡、笔记本电脑、航天飞机、卫星电子设备等等。
LVLPIC技术应用广泛,意义重大,影响深远,它成为目前国内外关注的研究热点之一。
诸多要求表明必须找到能工作在供压为12V时的电路技术,同时低功耗。
对数字电路设计而言,它能工作在如此的低压情况下,甚至是使用如今可以利用的技术。
然而,供压的下降对模拟电路的设计是一个挑战。
这个挑战是因为MOS的阈值电压与供压值相比较,相对来说还是较大,而且未来的标准CMOS工艺中的闽值电压不会比如今的小许多。
如今模拟电路的典型供压大约是253伏,但是发展的趋势表明未来将是15伏供压,甚至更低。
在这么低的供压值下,国内外很多精力花在设计适用于标准CMOS工艺的低压电路结构,因为低的阈值电压工艺有许多缺点。
在模拟1C中,一个最基本的电路之一是运算放大器。
许多模拟电路中都会用到它,像在加法、减法、微分、积分电路,采样一保持电路、RC有源滤波器等等中都会用到,所以设计低压低功耗的运算放大器显得尤其重要。
在实现低压低功耗的过程中,必须注意到考虑电路的主要性能的实现。
因为供压的下降将影响电路的性能,只是实现低压低功耗而不实现良好的性能显然是错误的。
本文在设计实现低压低功耗的运放的同时,也想法提高输入共模范围和输出信号的幅度,同时降低输出阻抗。
为此,采用了新的差分输入级来使共模范围增大,同时尽量不减少差分输入级的增益。
在提高输出信号幅度的同时,采用跨接电阻的方式减少输出阻抗。
在分析输出级时,用密勒定理取代常用的负反馈分析方法,使分析简单明了。
本文的第一章说明了课题的背景和重要性,以及自己做得一些工作。
第二章阐述了MOS模拟Ic的基础。
包括MOSFET的伏安特性,对增强型MOSFET的可变电阻区和饱和区的特性进行了比较简明的叙述。
还包括背栅控制特性及MOSFET交流小信号等效模型等等的说明。
第三章叙述了MOS基本电路单元。
对有源负载,基本放大电路和输出级都有较详细的说明。
其中也包括一种新型的差分输入级。
第四章讲述了低压低功耗运算放大器的设计。
对输出级进行了较详细的分析,还用基尔霍夫定理的相关知识进行推导,同时用模拟结果来验证。
第五章为阈值电压的计算。
第六章为结论。
第二章MOS模拟集
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