低电压CMOS运算放大器的设计论文+3

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1、低电压CMOS运算放大器的设计摘要集成运算放大器(Operational Amplifier： Op.Amp.)简称运放，是许多模拟系统 和混合信号系统的一个完整部分，在各种各样的电子系统当中，得到了广泛的应 用，目前，基本上，只要是一个比较完整的电子产品，那都是需要有放大器的支 持的，可以说，放大器是一系列模拟信号处理测试设备的一个最基本的构成元件。 而为了使得低压运放性能得到提升，为了使得输入和输出信号动态范围得到增 大，最终达到珍格格电源电压的范围，我们就需要对运放差分输入级以及输出级 实行调整涉及。本文从CMOS放大器的设计基础及模型入手，从低电压CMOS 运算放大器的设计指标、低电压

2、CMOS运算放大器的输入级设计、中间放大级 电路的设计、输出放大器的设计、频率补偿电路的设计这些方面详细探讨了低电 压CMOS运算放大器的设计过程，最终实施仿真分析。关键词：低电压；CMOS运算放大器；模拟集成电路；仿真AbstractIntegrated operational amplifier (Operational Amplifier:. Op.Amp) referred to the op amp , is an integral part of many analog and mixed-signal systems systems , in which a wide varie

3、ty of electronic systems , has been widely used at present, basically , As long as a more complete electronic products , that are needed to support the amplifier can be said , is a series of analog signal processing amplifier test equipment constitutes a basic element . In order to make low-voltage

4、op amp performance has been improved , in order to make the input and output signal dynamic range is increased, eventually reaching the power supply voltage range princess Jane , we need to op amp differential input stage and output stage of adjustments involved . From the CMOS amplifier design and

5、model -based start from a low voltage CMOS op amp design specifications , the design of low voltage CMOS input stage op amp , intermediate amplifier stage circuit design, output amplifier design , the frequency compensation circuit design of these areas detailed discussion of the low- voltage CMOS o

6、p amp design process , the final implementation of theKey words:simulation analysis .low voltage ; CMOS operational amplifier ; analogintegrated circuits ; simulation目录1. 绪论41.1选题背景41.2选题意义41.3国内外研究现状52. CMOS放大器的设计基础及模型62.1 CMOS放大器的模型62.1.1 MOS管的大信号模型及参数62.1.2 MOS管的小信号模型72.2 MOS管的寄生电容82.2.1氧化层电容82.2

7、.2耗尽层电容92.2.3交叠电容93. 低电压CMOS运算放大器的设计103.1低电压CMOS运算放大器的设计指标103.2低电压CMOS运算放大器的输入级设计103.2.1传统运算放大器的输入级103.2.2 rail-to-trail 输入级113.2.3 本文所设计的输入级133.3 中间放大级电路的设计153.4输出放大器的设计163.5频率补偿电路的设计184. 低电压CMOS运算放大器的仿真检测224.1运放直流传输特性224.2运放输入及输出共模电压范围224.3运放交流的小信号254.3.1幅频特性及相位裕度仿真254.3.2电源抑制比的仿真264.4运放静态分析284.4.

8、1摆率仿真284.4.2建立时间仿真294.4.3运放功耗仿真295. 结论30致谢31参考文献321. 绪论1.1选题背景集成运算放大器(Operational Amplifier： Op.Amp.)简称运放，是许多模拟系统和 混合信号系统的一个完整部分,广泛应用于各种电子系统之中，几乎现阶段每个 完整的电子产品中都离不开放大器，是各种模拟信号处理测试设备中的基本元 件。运算放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，其 质量性能指标已接近理想运放。第一代集成运放,线路特点是大部分为NPN管，只有少量PNP管,只能满 足 较低要求，如1964年问世的yA702,集成运放的电压

9、放大器倍数只有20004000;第二代集成运放以采用有源负载为标志，如1966年问世的yA741,改变了许 多线性电路设计者对于集成电路的使用，可以说是集成运算放大器发展史上重大 的转折点，从那以后，美国几乎所有的集成电路制造厂家都生产这种电路；第三代集成运放以超0晶体管作为差分输入级为特点，超卩管的卩值可高达 10005000,因此在相同的IC情况下，输入偏置电流比普通NPN管低一个数量 级 以上,输入电阻高，电压放大倍数可达到107,如1972年问世的AD508。这些初期生产的集成运放交流特性很差，仅限于直流放大用,而今集成运放 已发展到第四代产品。第四代集成运放采用了中、大规模集成技术，

10、目前除了单纯的双极型和 CMOS夕卜，还有Bi-MOS、Bi-JFET、Bi-CMOS相容型，其中的CMOS运算放大器, 在各方面皆有较大的优越性，电路结构、制造工艺在近年得到快速发展。许多运 算放大器都有单运放、双运放、四运放的形式，形成一种系列。1.2选题意义近年来，随着个人通讯和数据处理的迅速发展，降低模拟集成电路的电压和 功耗是模拟集成电路的发展趋势之一，已经受到了国际上的广泛关注。随着超大 规模集成电路(VLSI)和片上系统(SOC)技术的迅猛发展,低电压集成电路将会具 有非常广阔的应用前景。因此，降低的电压运算放大器和实现运算放大器的高性 能已成为近年来集成电路设计的焦点，对低电压

11、运算放大器的设计的研究与设计 具有现实的重要意义。1.3国内外研究现状在国外，各大模拟公司不断推出新产品，低压CMOS轨至轨运算放大器的性 能不断地改善，电源电压越来越低,功耗越来越小，芯片的面积也越来越小。美国 Maxim公司的高性能运放如Max406,Max407系列已经达到了低压微功耗的水平1。 美国国家半导体公司(National Semiconductor Corporation)2006年5月推出的 LMv951，在l3v内可变化的供电范围内均能达到轨至轨输入输出，其增益和信号 失真度表现的都非常理想2。在国内，在低压低功耗CMOS运算放大器的研究方面比国外要晚的多，开始 于上个世

12、纪90年代末。主要从事这方面研究的单位大多在高校3。例如:西北大 学，复旦大学，电子科技大学，华东师范大学等。但是对于低压低功耗CMOS运算 放大器的设计并没有产业化，其中复旦大学代笔了国内高校的最高水平。在采用 衬底驱动CMOS管研究中，西安电子科技大学研究水平在国内较为领先4。运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重要的部件。大量的具有不同复 杂程度的运放被用来实现各种功能。便携式电子应用领域的发展使低电压成为必 然的需求,运算放大器是模拟集成电路最重要、最基本的电路模块之一，许多模拟 电路中都会用到它，例如各种运算电路，信号的处理和产生电路等都需要使用放 大器。1 Tommy K，Mou

13、rad. Current status of CMOS low voltage and low power wiredess IC designsJ. Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2007, 36(3): 186 一 212.2 T. Stockstad,H.Yoshizawa.A 0.9 V 0.51 pA rail-to-rail CMOS operational amplifier J .IEEE Conference of Custom Integrated Circuits. 2001, 26(12)3 Chee

14、 YH, Rabaey J, Niknejad AM.A class A/B low power amplifier for wireless sensor networksJ.IEEE Circuits and Systems,2004,4(12): 23-26.4 Angulo J R,Martin Antonio J Lopez,Carajal Ramon G.Very Low-Voltage Analog Processing Based on Quasi-Floating-Gate TransistorsJ.IEEE Journal of Solid-State Circutis.

15、2004, 39(3): 434-442.2. CMOS放大器的设计基础及模型2.1 CMOS放大器的模型2.1.1 MOS管的大信号模型及参数对于大信号模型来讲，其实还包括了其他的很多特性，这些特性主要包括了 源/漏衬底结、源/漏欧姆电阻以及一系列的电容，还有噪声等等。对于一个完整 的大信号模型来讲，如图1.1所示：图1.1 MOS管的完整大信号模型图在上图当中，二极管所表示的是在源区和衬底，在漏区和衬底之间的pn结。而为了使得这一管子得以正常的运行，所有的这些二极管都需要反偏。而在滞留 模型当中，这些二极管的主要功能就是要模拟泄漏电流。需要指出的是，其中的 电阻r以及电阻r所表示的分别是漏

16、极的欧姆电阻以及源极的都木电阻。一般来Ds讲，这些电阻的大小在50欧姆至100欧姆之间。所以说，在漏电流比较小的情 况之下，这些电阻是可以忽略的。2.1.2 MOS管的小信号模型对于小信号模型来讲，它其实是工作点附近的那些大信号模型的一种近似。 值得注意的是，在很多的额模拟电路当中，MOS FETs都是朝着饱和区偏向的， 也正是因为此，才有了小信号模型的导出。这一信号，主要可以通过在偏置点上 面，产生了一个小的增量实现，同时，我们还可以把它所能够造成的其他偏置参 数的增量计算出来，最终就可以把小信号模型得到。具体的小信号模型的过程是:第一，我们知道漏电流是栅-源电压的一个函数，所以，在这时候，

17、我们就 能够把一个压控电流引入进来，这一压控电流的值是g V 5。m GS第二，这里的漏电流是会伴随着漏-源电压的变化而不断发生变化的，这种效应，我们也能够通过一个压控电流来做出模拟。但是，值得注意的是，如果由 于一个电流值和通过这一电流值的电压，形成的关系是电流源，那么，其效果是和一个线型阻抗的效果相类似的。所以，在这时候，我们就能够通过电阻来对这种 效应做 出 表示从而得到 了：1 11 WXiP C(VV )2X2 n Ox L GS r(1-1)QV1r 二 ds 二Odidi / avDD DS第三，在体效应的作用之下，衬底电势会对阈值电压产生影响，进而会对栅-源过驱动电压产生影响。

18、那么，如果所有的端子都维持着恒定电压的话，那么,di漏电流就是衬底电压的函数。从而其电流的值就可以用g =亠来表示6,而 mb dVBS从第二步的公式当中，我们又可以将这一把式子转换成为：5 Urquidi Carlos,Angulo Jamie R.A New Family of Low-Voltage Circuits Based on Quasi-floating-Gate TransistorsJ.IEEE Transactions on Systems, 2002, 1 (6): 4-7.6贾政亚，低压微功耗CMOS运算放大器的研究与设计D，电子科技大学，2005wavg * C -

19、(V -V )(寸), mb n Ox L GS T QVBS进而又可以得到：av _ av= ravavBSBS最终又可以得到：(1-2)(1-3)rg = g=n?mb m 2/20 + v m r SB(1-4)按照这样的分析，我们就能够把小信号模型得到，具体如图1.2所示:图2.3基本MOS小信号模型图1.2 MOS小信号模型图2.2 MOS管的寄生电容2.2.1氧化层电容对于这一点，假设在栅氧化层以下，还有导电沟道存在的话，那么，就有了 一个电容器的存在,而这一电容器，主要是把多晶硅栅进而导电沟道作为极板的， 所以，这是一个平板电容器。而追电容器的绝缘介质，就应该是栅氧化层。这时 候

20、，氧化层的电容，我们就可以用c = wl c来表示。GCeqa ax需要指出的是，其中的W所表示的是栅宽，L所表示的是导电沟道的等que效长度，所以，WL所表示的是平板电容器的等小面积。que2.2.2耗尽层电容我们知道，对于导电沟道来讲，它是通过自由电子而形成的一种反型层，所 以，它和p型衬底之间，是有着耗尽层电容的存在的，我们通常用C来表示，CB而对这一值的计算，我们主要是按照以下的公式来进行的：C = WL-.q N 1(4 )。(1-5)CBsi subF2.2.3交叠电容在CMOS的具体制造过程当中，始终存在着源区以及漏区的横扩散现象的, 也正是这一现象的存在，使得多晶硅栅会和源区以

21、及漏区之间产生重叠，这时候, 就会产生两个交叠电容，我们分别用C 以及C 来表示。这时候，就有了以GSOGDO下式子的存在：C = C = WL C = WC 。(1-6)GSOGSOov ox0V需要指出的是，其中的L所表示的是多晶硅栅和源区或者是和漏区重叠部OV分的等效长度，当然，事实上，往往会因为边缘电力线分布的不均匀问题，而使 得这一数值和实际尺寸存在差异，这时候，就需要通过更加复杂的磁场计算来得 到。3. 低电压CMOS运算放大器的设计3.1低电压CMOS运算放大器的设计指标当所提供的电源电压比较低的时候，为了能够促使集成电路性能可以的懂啊 保持，主要可以采用两种方式，第一种方式是把

22、元器件制造工艺加以改进；第二 种是，选择设计合适的逻辑电路。但是，在这一过程当中，一系列的问题，也就 逐渐暴露出来，这些问题包括了短沟道效应、热载流子效应以及亚阈值漏电流等 等的二阶效应。而对于这些问题，如果比较严重的话，那么，就会对CMOS逻 辑电路的发展造成制约。所以，正是因为此，我们就需要从工艺上通过工艺的改 进，来促使芯片以及封装电容得到减少。具体来讲，对于低电压CMOS运算放 大器的设计指标，主要有十三个指标，第一个是电源盒电压，通常为土0.75伏土 6%。第二个是负载，通常为1千欧姆的电阻以及100pF的电容。第三个是输入 失调电压，通常小于4毫伏。第四个是静态功耗，通常小于300

23、微瓦。第五个是 共模输入范围，一般在1.3伏以上。第六个是输出电压摆幅，一般在1.1伏以上。 第七个是直流开环电压增益，通常在70dB以上。第八个是单位增益带宽，通常 在2兆赫兹以上。第九个是建立时间，通常在2微秒以下。第十个是转换速率， 通常在0.8伏每微秒以上。第一个是相位裕度，通常这一数值是60度。第十 二个是共模抑制比，通常这一数值在75dB以上。第十三个是电源抑制比，通常 这一数值在60dB以上。3.2低电压CMOS运算放大器的输入级设计3.2.1传统运算放大器的输入级对于传统的运算放大器的输入级来讲，通常采用的是电流源负载的差分对， 具体情况如图2.1所示:图2.1传统运算放大器的

24、差分输入级图在上图当中，如果假定M 是处于饱和状态的，那么，就能够把共模输入电 压的上限确定好，得到了下列的公式：V V + V(2-2)CMDSsat 5GS1那么，为了使得计算变得更加方便，可以把衬偏效应忽视，所以，这时候， 饱和电压就应该是相同的，所以，就可以把差分对的共模输入电压范围计算出来， 公式为：CMRR 二 V - 3V(2-3)DDDSsat3.2.2 rail-to-trail 输入级对于NMOS差分对的共模输入范围来讲，实际上是十分大的，甚至可以和 正电源相同，但是，PMOS差动对的负向共模能力优势十分强的，甚至可以达到负电源的值。在这样的情况之下，我们就可以通过NMOS

25、管以及PMOS管并联 的互不差分输入对结构，来使得rail-to-trail输入级得到实现，具体情况如图2.2 所示：图2.2基本的rail-to-trail输入级结构图需要指出的是，其中的M以及M都是属于NMOS差分输入对；而其中的1 2M以及M 都是属于PMOS差分输入对的。具体情况如图2.3所示：34图2.3 rail-to-trail输入级运算放大器共模输入电压范围图3.2.3本文所设计的输入级在本文所涉及的运算放大器的输入级的结构，具体如图2.4所示:Ms %REFM% M图2.4运算放大器输入及结构图从上图当中，可以清晰地看出，输入级是由互补差分输入对、恒定电路以及 偏置电路共同组

26、成的。而其中的M以及M都是属于NMOS差分输入对；M以123及M都是属于PMOS差分输入对7。这四者之间，共同构成了互补输入差动对,4而其中的M以及M所表示的都是电流的开关管；其中的M、M 这两者，和56910M以及M 这两者之间，分别形成的是两个电流镜，这两个电流镜的比例是1：11 123。需要指出的是I = (W/L)101，(W/L)10 =3,那么，如果在电流镜M以及10 (W / L 9 (W / L99 9电流镜M 共同作用的时候，那么，I二3I 8。那么，相同的道理，M 以及M10 1091112这两个电流镜如果在共同作用之下的话，那么，I = 3I。总的来讲，NMOS11 12

27、以及PMOS差分输入对管的沟道的长以及宽都满足这样的条件，那就是：7张静，CMOS低压微功耗折叠式共源共栅运放设计D，江苏大学，20108俞学刚，程梦璋低电压CMOS模拟集成运算放大器输入级的研究J电子器件.2004，27(4): 691-693.(W/L)P =匕，同时，这一公式应该满足这样的条件：I二I二I 9。(W / L)卩78 refNp从输入级的工作原理来看，具体是：在共模输入电压和正电源V比较接近 DD的时候,N差分对上的M以及M就会被导通io。而同时PMOS差分对上的M以123及M截止，这时候，电流的开关管M 就会被导通，开关管M截止。而同时,456I二I通过M达到了 1:3这

28、样的电流镜比率M以及M，这时候，M的电7 ref591010流的值就是I二3I二3I 11o在这样的情况之下，M的电流，和M的电流相109ref108加的话，总电流的值就是 4I ，这时候，此区间的等效跨导g的值就是refm2 ：I R C (W / L) 12。另外，如果共模输入电压在中间值附近的话,那么,NMOS ref N oxN以及PMOS这两个差分对会在同一时间被导通，而这时候，电流开关M以及M56就会截止，这时候的附加电流，是丝毫没有作用可言的，这时候的输入对的尾电流是不会发生变化的，即还应该是I尸。在这时候，这一取件的等效跨导g的 refm值就是Ji卩C (W /L) + ”卩C

29、 (W / L ，我们知道，由于(W/L)p二巴n， ref N oxNref p oxpNp所以，跨导在共模输入电压的这三个区间应该是相等的，这样一来，rail-to-trail 差分对跨导在珍格格共模输入电压范围之内就始终处于恒定的状态14。3.3中间放大级电路的设计对于中间放大级电路来讲，其中可以选择的中间放大级有很多，包括了套筒 式、折叠式、增益提高型运放、基本两级运放以及电流模型运放等等。而不同的 中间放大级，其增益，其输出的摆幅，其速度，其功耗以及噪声等等，都是各不 相同的，具体的这些中间放大级的不同情况如表2-1所示：9张杰，低电压低功耗CMOS集成运放的研究与设计D，湖南大学，

30、2006.10张津京，低电压低功耗CMOS集成运放的研究与设计D，西北师范大学，2008.11李建中，汤小虎,魏同立一种低电压CMOS折叠-共源共栅跨导运算放大器的设计J.微电子学.2005,35(4): 412-415.12李俊，高速低压低功耗CMOS_BiCMOS运算放大器设计D，江苏大学，2008.13徐静萍一款低电压高精度CMOS运算放大器设计J西安邮电学院学报.2008,13(1): 72-74.14张玉波，基于衬底驱动的低压低功耗轨至轨COMS运算放大器设计D，河北大学，2011.表2-1运放中间放大级性能比较情况表中间放大级增益输出摆幅速度功耗噪声套筒式中低高低低折叠式中中高中中

31、增益提高型运放高中中高中基本两级运放高高低低中电流模型运放中高低低高但是，除了上述表格当中所说的这些中间放大级之外，其实还存在着一种运 算放大器，那就是两级运放，对于这种运放来讲，它主要就是在以及运放的基础 之上，在串联上一个输出增益级别，通过这一级别，来提供大的输出摆幅。一般 来讲，最为常用的方式就是两级运放，在第一级，主要采用共源共栅的结构；在 第二级，主要采用共源级串联而成，当然，同时，在其后面级联一个共源放大器。 之所以如此，其根本目的就是要促使增益的有效提升，但是，需要注意的是，同 时，这样的方式也是存在着很大的缺点的。很多时候，如果要得到更高的低频电 压增益的效果，那么，可以采用多

32、级级联结构。通过对上述五种中间放大级的对比，来把本文需要的中间放大级结构确定 好。同时，对各自的优缺点加以充分的考虑，出于本文低电压CMOS运算放大 器的设计目标，所以，就应该要具备比较大的输出摆幅，所以，本文选用的中间 放大级主要就是折叠式共源共栅结构。3.4输出放大器的设计对于输出放大器来讲，其最根本的任务就是要把信号提供至输出负载，对于 输出放大器来讲，它必须要满足的一个条件，那就是要具备能够给负载提供足够 信号的能力，需要指出的是，这里所说的信号主要就是电压、电流以及功率等等。 而CMOS输出放大器的最根本的目标，就是要把电流变换的功能予以实现。通常而言，对于一个比较好的输出级来讲，应

33、该满足四个方面的要求。第一，能够通过电流的形式或者电压的形式，来提供足够多的输出功率。 第二，如果信号摆幅呈现出逐渐增大的趋势的话，那么，非线性就会成为其 中的一个十分重要的因素，所以说，在这时候，就需要使得失真现象得到避免。第三，要尽可能的把驱动管自身的功耗降低，所以说，对效率的要求就十分 高。第四，由于MOS器件是存在自温度的限制的，正是由于这一特性，所以， 需要为其提供反常情况之下的保护。所以，在本文的低电压CMOS运算放大器的设计的时候，本着这一目的， 选择了效率比较高的输出级，而最符合这一特点的就应该是推挽放大器了，也正 是因为此，本文选择了一个简单的推挽共源级放大器当做输出级。具体

34、情况如图 2.5所示：图2.5低电压CMOS运算放大器图从上图当中，我们可以清晰的看出，两个共源极晶体管M 51以及M 52的基极 是连接起来的，两者都是用作输入级的。而同时，集电极也都是连接在一起的， 两者共同把电流输出。需要指出的是，如果V和正电源V相接近的时候，P沟道管上的M就会inDD52截止，那么，在这时,所有的负载电流就会流入到n沟道管的另一边，也就是M。51如果V的数值处于中间的范围，那么，在这一范围之内，M 以及M 都是出于 in5152导通状态的，这时候的输出电流值，也就是两晶体管电流的差值15。所以说，这 时候放大器的输出就是推挽输出。而由于这时候，所提供的电流都是处于流入

35、负 载或者是流出负载的状态的，所以说，其中的所有电流都是有效的，自然而然效 率也就比较高了。3.5频率补偿电路的设计在本文频率补偿电路的设计过程当中，为了对闭环电路的稳定性进行保证, 为了对时间响应的效率进行保证，本文主要采用了带调零电阻的密勒补偿技术。 指的注意的是，在这里，调零电阻我们用R来表示。值得注意的是，我们先要z把零点的位置确定好，而零点位置的确定，具体公式如下：Z =(2-4)C (1/g - R )Cmil z按照上述的公式，如果R的值是丄，这时候，零点就会被消去。而这里 zgmil的密勒补偿技术，主要和零点消除技术存在的不同点就是R的取值，按照公式z(2-4)，可以知道，如果

36、R的值是大于丄的值的话，那么，右半边的零点平 zgmil面就会朝着左半平面偏移。所以，如果在进行调零电阻的设计的时候，零点一道作伴平面的极点位置用P来表示的话，那么，我们就能够着这一和输出复杂电2容相关的极点予以消除。而要想实现这样的目标，只需要符合下面的条件就可以,也就是Z= P 16。2最终就能够得到公式：15张雷，一种低压高精度CMOS运算放大器设计D，江苏大学，2010.16杨银堂，李晓娟,朱樟明，韩茹低压低功耗运算放大器结构设计技术J.电路与系统学报.2005(04): 6-18.-gmHC (1/g R )Cmil z(2-5)II这样一来，我们就能够把调零电阻的值得到，具体如下:

37、厂 C + C C + C(2-6)R = CH CLz g C g C mil Cmil C整个频率补偿电路如图2.6所示:图2.6 CMOS运算放大器的整体结构图 1-1prr4. 低电压CMOS运算放大器的仿真检测4.1运放直流传输特性在进行运算放大器的仿真的时候，运放电流选取的是土0.75伏特。这时候, 把运放的反向端接地，与此同时，向前端加入直流扫描电压，从而就能够把直流 传输的特性得出来，具体情况如图3.1所示：lOCOm -8C0m -6COm -4COm -2COm -ECOrn J-4COm _-6C0m J-6C0m _ln-5O0u0930 u1 nVoltage X C

38、Lin) OTILTS)图3.1运放直流传输特性图需要指出的是，当V的值为0的时候，所确定的输入电压也就是输入失调 out电压，从上图中，也能够清晰的看出，输入失调电压是-40微伏。4.2运放输入及输出共模电压范围不管是运算放大器的开环模式，还是运算放大器的币换模式，我们都能够把 其输入以及输出的共模电压范围确定好。但是，值得注意的是，在开环的装填之 下，输出的仅仅只是CMRR。这是因为运算放大器所处的模式往往都是闭环， 所以，在本文的研究当中，主要是通过单位增益的结构，来对运放的输入共模电 压范围进行仿真。换句话来讲，也就是把运放的输入端，和反相输入端连接起来, 榆次同时，在同向输入端加入直

39、流扫描电压，并从负电源一直扫描至正电源，具 体的仿真结果图如图3.2所示：-100101U0IK10K HMJK IXLQXFrcuimncy (Ids) (HERT2o O图3.8电源抑制比幅频特性曲线图从上图中，我们可以清晰的看出，这时候的电源电压抑制值是99dBo4.4运放静态分析4.4.1摆率仿真对于摆率来讲，其所指的是把运放连接成为共模单位的一种增益结构，在这 时候，如果输入电压处于大幅度变化的情况之下的话，那么，输出电压就会在初 始阶段，通过某一种固定的速率不断上升，或者不断下降。这时候，我们就称这 种固定速率为运算放大器。需要注意的是，如果运方提供的输入阶跃信号很大的 话，那么，

40、极有可能会造成运放中的电流出现过小问题，从而就无法使得负载电 容的充放电工作完成，最终会造成运放转换。而在这一电压增大或者是减小的过 程当中，我们在对转换速率进行确定的时候，通常都是通过波形的斜率来实现的。 具体情况如图3.9所示：图3.9运放上升摆率仿真曲线图在经过了相关的计算之后，可以得到上图中，运放上升的摆率是12.6伏每 微秒；运放的下降摆率是14.38伏每微秒。4.4.2建立时间仿真这里所说的建立时间，实际上也就是说输出电压达到稳定值的时候所需要的 时间，而这一建立时间，在信号的上升沿以及信号的下降沿，不一定是相同的， 很多时候都是不同的，所以，我们需要分开来对其做出分析。如果输入阶

41、跃信号 的幅度比较小的话，那么，摆率的现象也就不会存在，这时候，运算放大器表现 出来的特性是线性。对于这时候的建立时间来讲，就是交流小信号稳定的时间。 那么，反过来，建立时间就是摆率时间和小信号稳定时间两种。具体情况如图 3.10所示：-0.60汕1 腿D. 450-0* 15-0. 30-0.450. 303 0- 15W 15/2(Time Clin) (TIME)图3.10运放的建立时间仿真图从上图当中，我们可以清晰的看出，运放的建立时间是2.6微秒。4.4.3运放功耗仿真在运放的整个设计过程当中，离不开一项重要的衡量指标，那就是功耗。按 照仿真电路在静态开环状态之下，所产生的电路的总电

42、流，我们就能够把运放的功耗计算出来。具体情况如图3.11所示:图3.14运放静态电流仿真波形图从而可以得到总功耗P=2UI=63.3微瓦。5.结论总之，低电压运算放大器是目前模拟电路研究当中的一个重点所在。而伴随着电 源电压的不断降低，rail-to-rail运算放大器的发展前景是十分广阔的。本文的研 究，通过查阅文献，对CMOS运算放大器的结构进行理论分析，总结以往电路 结构的优缺点，并在此基础上提出改进的设计方案，完成对CMOS运算放大器 的整体结构和原理的分析与设计。通过理论计算设计出电路中各个器件的参数。 通过利用Tanner EDA软件进行原理图绘制，仿真调试各器件参数达到运算放大

43、的功能。最终把CMOS运算放大器的版图绘制出来。致谢本论文是在老师的悉心指导和热情关怀下完成的，选题，撰写到定稿，老师 给予了我很多及时且建设性的指导意见，我在论文中的每一点进步，无不凝聚着 恩师的心血。值此论文完成之际，谨向老师致以深深的感谢和崇高的敬意。参考文献1 Tommy K, Mourad. Current status of CMOS low voltage and low power wiredess IC designs. Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2007, 36(3): 186 一 212.2 T.

44、Stockstad,H.Yoshizawa.A 0.9 V 0.51 pA rail-to-rail CMOS operational amplifier J. IEEE Conference of Custom Integrated Circuits. 2001, 26(12)3 Chee YH, Rabaey J, Niknejad AM.A class A/B low power amplifier for wireless sensor networksJ.IEEE Circuits and Systems,2004,4(12): 23-26.1365-1272.4 Angulo J

45、R,Mar tin Antonio J Lopez,Carajal Ramon G.Very Low-V olt age Analog Processing Based on Quasi-Floating-Gate TransistorsJ.IEEE Journal of Solid-State Circutis. 2004, 39(3): 434-442.5 Urquidi Carlos,Angulo Jamie R.A New Family of Low-Voltage Circuits Based on Quasi-floating-Gate TransistorsJ.IEEE Tran

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