（微电子学与固体电子学专业论文）cmos低功耗运算放大器的研究与设计.pdf

硕士学位论文 摘要 近年来，以电池作为电源的微电子产品得到广泛使用，迫切要求采用低电压 的模拟电路来降低功耗，低电压、低功耗的模拟电路设计技术正成为研究的热点。 从能源角度考虑，低的功率消耗不仅是电池驱动的便携设备的需求，更是大型系 统的迫切需要。 运算放大器作为集成电路中最基本的单元，其重要性是众所周知的。在低压 运算放大器中，由于电源电压的降低，信号的动态范围减小，同时，噪声信号幅 度相对增大，放大器的信噪比降低。为了扩大信号的动态范围，低电压运放通常 需要输入输出的信号范围能达到全摆幅。针对这个问题，本文做了如下工作：1 ) 设计了一个是包含a b 类轨对轨输出级的低功耗运算放大器。通常设计的低功耗 轨对轨输出运算放大器中，由于信号的动态范围比较小，它的输出驱动能力不强， 这里设计的是采用电平位移电路同时实现了电路的强驱动能力与低功耗，它具有 在单电源电压5 v 的条件下，静态工作电流只有几微安，单位增益带宽达1 0 0 k ， 开环增益能达8 0 d b 以上，相位裕度也能达5 5 度，输出源沉电流达5 0 0 微安以上等 优点。2 ) 设计了一个恒跨导轨对轨输入级。当输入共模电压变化时，不管它的 输入m o s 差分对管处于强反型区还是弱反型区，输入级的跨度保持不变，而且 输入级后面的电流加法电路和输出级的静态工作点也不会随之改变。这些运算放 大电路可望用于移动通讯，个人数字助理，便携式音响系统，电池监测系统等产 品中。 第一章介绍了运算放大器的发展概况、特点以及基本应用。第二章对m o s 管的电学特性做了详细的分析。第三章根据所要求的性能参数确定出运算放大器 的结构以及手工算出电路结构参数的大概值。第四章用电路模拟软件对第三章设 计的运算放大器进行模拟分析，细调设计使之优化。第五章针对低压下运算放大 器的共模输入范围很小的问题，设计了一种恒跨导轨对轨输入级。 关键词：低电压；低功耗；模拟电路；轨对轨；c m o s ；运算放大器； ! 竺呈：堡塑彗重堡墼奎量墼至垒星塞茎 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m o l ea n dm o r ee l e c t r o n i cp r o d u c t sw i t hb a t t e r ys u p p l ya r ew i d e l y u s e d ，w h i c hc r i e sf o ra d o p t i n gl o wv o l t a g ea n a l o gc i r c u i t st or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n ， t h e r e f o r el o wv o l t a g e ，l o wp o w e ra n a l o gc i r c u i td e s i g nt e c h n i q u e sa l - eb e c o m i n gr e s e a r c h h o t s p o t , a n dc o n s i d e r e df r o mt h ee n e r g y , t h el o wp o w e rd i s s i p a t i o nn o to n l yi st h e p o r t a b l ee q u i p m e n td e m a n dw h i c ht h eb a t t e r ys u p p l y , i st h el a r g e - s c a l es y s t e mu r g e n t n e e d t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rt o o ki nt h ei n t e g r a t e dc i r c u i tt h em o s tb a s i cu n i t ，i t s i m p o r t a n c ei sw e l lk n o w n i nl o wv o l t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r b e c a u s es u p p l yv o l t a g e r e d u c i n g ，t h es i g n a ld y n a m i r a n g er e d u c e s ，a tt h es a m et i m e ，t h en o i s es i g n a ls c o p e i n c r e a s e sr e l a t i v e l y , t h ea m p l i f i e rs i g n a lt on o i s er a t i or e d u c e s i no r d e rt oe x p a n dt h e s i g n a lt h ed y n a m i r a n g e ，t h el o wv o l t a g eo p e r a t i o n a la m p l i f i e ru s u a l l yn e e d st h ei n p u t s i g n a ls c o p ea n dt h eo u t p u ts i g n a ls c o p et ob ea b l et oa c h i e v et h ee n t i r ea m p l i t u d e ，i n v i e w o ft h i s q u e s t i o n ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e sa sf o l l o w s ：o n ei sd e s i g n e dw i t ha b r a i l t o - r a i lo u t p u ts t a g e u s u a l l yt h el o wp o w e r o p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sd e s i g n e dw i t hr a i l t or a i lo u t p u ts t a g e ，w h o s es i g n a ld y n a m i r a n g ei ss m a l l ，i t so u t p u td r i v i n gf o r c ei sn o t s t r o n g ，h e r ei t i sd e s i g n e dw i t hv o l t a g ed i s p l a c e m e n ts t a g e ，a n dt h es t r o n gd r i v i n gf o r c e a n dt h el o wp o w e rc o n s u m p t i o ni nt h i sc i r c u i ta r ea c h i e v e d w i m5 vs i n g l ep o w e r t h i s a m p l i f i e rc o n s u m e so n l ys e v e r a l ua ，1 0 0 k h zu n i t y g a i nf r e q u e n c y ，a c h i e v e s8 0 d bd c o p e ng a i na n d5 5 。p h a s em a r g i nf o ral o o p vl o a dc a p a c i t a n c ea n da1 m ql o a d r e s i s t a n c ea n do t h e ra d v a n t a g e s t h eo t h e ri st h ed e s i g no fa m p l i f i e rw i t hc o n s t a n t t r a n s c o n d u c t a n c e ( g m ) r a i l - t o - r a i li n p u ts t a g e w h e nc o m m o nm o d ei n p u tv o l t a g e c h a n g e s ，i tp r o v i d e sn e a r l yc o n s t a n t - g mi n d e p e n d e n to fi n p u tt r a n s i s t o ro p e r a t i n gr e g i o n ( s t r o n g ，m o d e r a t eo rw e a ki n v e r s i o n ) ，a n dt h eq u i e tn o d so f t h ec i r c u i tf o rc u r r e n ta d d i t i o n a n dt h eo u t p u ts t a g ek e e pu n c h a n g e d t h e s ec h i p sb a s e do nt h i sd e s i g nm a yb eu s e df o r m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ，p o r t a b l ea u d i o se t c i nt h i s t h e s i s ，d e v e l o p i n gs i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i ca n db a s i ca p p l i c a t i o no f o p e r a t i o n a la m p l i f i e r s a l ei n t r o d u c e di n c h a p t e r1 t h ee l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i co f m o s f e t si sa n a l y z e di n d e t a i l i nc h a p t e r2 i nc h a p t e r3 ，t h ec o n f i g u r a t i o no fa n o p e r a t i o n a la m p l i f i e ri sc o n f i r m e di nb a s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r , w h i c hi s n e e d e df i r s t l y ，a n dt h ep r o b a b l ev a l u eo fc o n f i g u r a t i o np a r a m e t e ri n t h i s c i r c u i ti s c a l c u l a t e da r t i f i c i a l l y t h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e rt h a ti sd e s i g n e di nc h a p t e r3i ss i m u l a t e d i i i i nc h a p t e r4 ，a n dt h ed e s i g ni so p t i m i z e d i no r d e rt oi n c r e a s et h er a n g eo ft h ec o m m o n m o d ei n p u tv o l t a g e ，ac o n s t a n t g mr a i l - t o - r a i li n p u ts t a g ei sd e s i g n e di nc h a p t e r5 k e y w o r d s ：l o wv o l t a g e ；l o wp o w e r ；a n a l o gc i r c u i t ；r a i l t o - r a i l ；c m o s ； o p e r a t i o n a la m p l i f i e r i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另, l j m 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：黼磁 日期：乃吐年f 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 村援 导师签名：妻盔吏 t ， 日期：w 5 年，月日 日期：知- 6 年0 月日 c m o s 低功耗运算放大器的研究与设计 第1 章概述 集成运算放大器( o p e r a t i o n a la m p l i f i e r - o pa m p s ) ，简称运放，是线性电路 中一种最通用和最重要的单元电路。它在模拟运算、信号处理、d a 和a d 转换器 以及有源滤波等很多方面得到了广泛应用，所以人们称为万能的集成电路“2 1 。 1 1 运算放大器的发展概况 从1 9 6 0 年起。单片电路技术的发展，将运算放大器的成本降低了大约两个数 量级，最初于1 9 6 6 年出现的7 4 1 电路，改变了许多线性电路设计者对于集成电路的 使用，因此，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【3 _ 5 1 。初期生产的集成运放它的交流 特性很差，仅限于直流放大用，而今它已发展为第四代产品。 第一代集成运放，线路特点是大部分为n p n 管，只有少量p n p 管，只能满足 较低要求，如1 9 6 4 年问世的a 7 0 2 ，集成运放的电压放大器倍数只有2 0 0 0 4 0 0 0 。 第二代集成运放以采用有源负载为标志，如1 9 6 6 年问世的u a 7 4 l 【4 】。第三代集成运 放以超b 晶体管作为差分输入级为特点，超b 管的b 值可高达1 0 0 0 5 0 0 0 ，因此 在相同的i c 情况下，输入偏置电流比普通n p n 管低一个数量级以上，输入电阻高， 电压放大倍数可达到i c e 6 】，如1 9 7 2 年问世的a d 5 0 8 。第四代集成运放采用了中、 大规模集成技术，其质量性能指标已接近理想集成运放。每年都有很多新型的、 功能越来越高的运放进入屯子应用领域。最新一代运放其带宽可从5 k h z 到几 g h z 7 1 供电电源可以从零点凡伏到几百伏0 1 ：输入失调电压和失调电流亦越来 越小。由于性能上的提高，使用起来也越来越简单方便，运放已经成为任何工程 师可随手应用的电予单元电路。 1 2 运算放大器发展的特点 ( 1 ) 过去运算放大器的设计往往是一些矛盾参教的折衷。例如，带宽与功率、输 入阻抗与噪声等。但是，现在的发展和新的产品性能表明，为改进一种参数而牺 牲其它参数的代价已变得越来越小。因此，运放的性能越已趋向理想化。 ( 2 ) 许多种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。 ( 3 ) 运算放大器的设计和制造越来越成为一种综合的技术。其工艺对集成运算放 硕士学位论文 大器也是有很大的影响。目前除了单纯的双极型和c m o s 外。还有b i m o s 、 b i j f e t 、b i c m o s 相容型，在制造工艺技术上也在不断改进 i i - 1 2 】。 1 3 运算放大器发展的几个主要方向 ( 1 ) 双极型运算放大器，主要在于改进电路的输入特性1 1 3 - 1 5 】； ( 2 ) , i e f t 运算放大器，主要在改进其输入电压噪声 1 6 - 1 7 】： ( 3 ) 低压低功耗运算放大器，一般是在功耗以及输入输出范围方面的考虑 1 8 - 1 9 】； ( 4 ) 混合运算放大器，主要在高速、大功率和大电流缓冲中应用【2 0 】： ( 5 ) 单片功率运算放大器，散热是其发展的主要障碍f 2 1 _ 2 2 l ； ( 6 ) 仪器放大器，它在输入失调电压、电流方面要求较苛亥l l 2 3 】； ( 7 ) 介质隔离运算放大器，在抗辐射方面有很好的前途【2 4 】； ( 8 ) c m o s 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1 2 ”5 】。 i 4 运算放大器的特点 1 4 1 理想运算放大器的模型 运算放大器的符号，如图1 i 所示 2 7 】 图1 i 运算放大器的符号 理想运算放大器的参数为：( 1 ) 差模信号的开环电压增益为无穷大，即a ，= 0 0 ； ( 2 ) 差动输入电阻为无穷大，即r 。= 。；( 3 ) 输出电阻为零，即r 。= 0 ；( 4 ) 开环频 带宽度为无穷大，即b w = 0 0 ；( 5 ) 当输入同相端( “+ ”) 与反相端( “一”) 的电压 相等时，输出电压吃。= 0 ( 针对双电源供电) 。 上述条件下，运算放大器的两输入端之间为零端口化，即所谓“虚短虚断” 状态，它的电压和电流同时为零，其特性可由下式表示 c m o s 低功耗运算放大器的研究与设计 巧一吒j = 0 = 1 1 2 l = 0 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 1 4 2 非理想运算放大器的模型 实际的运算放大器只能十分接近上述的理想放大器，或者说在理想运算放大 器中增加一系列的模型参数，使其更接近实际情况。图1 2 是非理想运算放大器的 一种模型。 图1 2 非理想运算放大器的模型 r 。、c 。表示差动输入电阻、差动输入电容；置。表示输出电阻；也。、c 。 表示共模输入电阻、共模输入电容；吃表示输入失调电压；i o , ( 图中未画出) 表示 输入失调电流，它是在运放用两个相同的电流源驱动时，使输出电压为0 的电流值， 所以l 可定义为两个输入偏置电流l t 和如：之差；c 膨腿是共模抑制比； 表示受控电压源：2 、- 2 是运放的等效噪声电压和等效噪声电流，它们以均方 电压和均方电流表示，并认为它们是相互独立的。 1 4 3 理想与非理想模型之间的差别 从理想运放和非理想运放的模型中可以看到它们的主要差别主要集中在以下 几个方面【2 8 】： 1 增益 对于实际的运算放大器，电压增益是有限的，在低频和小信号情况下，典型 值为从6 0 d b 至t j l 0 0 d b 。 2 线性范围 输出电压，在一定的范围内，与输入电压的线性关系匕。= a ，以一砭) 才成 3 立。一般情况下，p 0 的最大值是比正的电源电压要小；而圪。的最小值要比负的 电源电压大一些。 3 失调电压 对于理想的运算放大器来说，如果巧= 砭，则，恒定在个数值，即 吃，) = 0 。但在实际的器件中，这种关系并不完全正确。当输入短接时，输出电压 ( 。) 0 ，) 与运放的增益成正比。因此，用输入失调电压( 使吃( 。) = 0 的差分输入电压) 来表示更为方便，其典型值在+ 2 m v 至l j l o m y 之间。 4 共模抑制比( c m r r ) 共模电压增益为： 矿 a e = ( 1 3 ) 一一丽硼 “ 差分电压增益为： 矿 a o2 渤 “。 共模抑制比( a 微) 被定义为差分电压增益与共模电压增益的比值，即 如如或者等于2 0 l o g l o a c ) 。对：p c m o s 放大器其值大致在6 0 d b - 8 0 d b 之间， 而理想运算放大器的共模电压增益为0 ，共模抑制比为一。共模抑制比表明的是运 算放大器抑制噪声的能力，因此一个大的共模抑制比( c 脚r ) 值是很重要的。 5 频率响应 由于存在寄生电容、有限的载流子迁移率等原因，在高频的情况下，增益会 随着频率的增加而减小，通常用单位增益带宽( 即在电压增益为l 时的频率) 来描 述，单位增益带宽通常在1 1 0 0 m h z 范围内，而理想运算放大器的单位增益带宽为 o 6 转换速率 在运算放大器的输入端加一个大的阶跃信号，那么一些晶体管就会进入线性 区或者完全截止，结果，输出会以一定的速率跟随输入信号，这种电压变换的极 限叫转换速率。转换速率大小由所能提供的对电容充放电的最大电流确定。正常 情况下，转换速率不受输出端的限制，而是受前一级所能提供或吸收电流的能力 的限制。对于c m o s 放大器，1 2 0 v a s 范围内的转换速率可以获得，而理想运算 放大器的转换速率为m 。 7 非零输出电阻 c m o s 低功耗运算放大器的研究与设计 实际的运算放大器的开环输出电阻并不为零，带输出缓冲的放大器，它的输 出电阻大致在0 1 5 k q 范围内；而不带输出缓冲级的放大器，它的输出电阻要大 的多，这将增加对连接到输出的电容充放电的时间，也就是降低了运算放大器的 速度和最高的信号频率。 8 噪声 理想运算放大器里面是不会产生噪声的，而实际上m o s 晶体管由于它本身的 结构、工艺技术和在运算放大器中的偏置条件等原因，在低频情况下显示了较高 的闪烁噪声，而在高频情况下热噪声是主要的。这些噪声在运放的输出端产生了 噪声电压，除以电压增益等效为输入噪声电压源，它严重影响了运算放大器的动 态范围。 9 电源抑制比( 燃) 理想运算放大器的电源电压的波动是不会影响到输出端，而实际上，由于数 字噪声可能会耦合到模拟电源上以及电源本身噪声的影响，电源电压的改变会引 起运放输出电压的变化，它们的变化之比再乘以运放的开环增益，叫电源抑制比 ( p s i ) 。 对于正电源： 对于负电源： p s r r + ：蔓型 1 形+ o ) 一一：蔓型 7 b ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 作为运算放大器本身，通常p s r r 值的范围大致在6 0 8 0 d b ，在开关电容电 路中，3 0 5 0 d b 可以获得。 1 0 d c 功耗 理想放大器中没有任何的直流功耗，而在实际的运放中，运算放大器的直流 功耗的典型值为0 2 5 1 0 m w 。 实际上上述描述的都是运算放大器的设计过程中所要考虑的主要参数，这些 参数之间的实现是相互矛盾的，要实现某些参数就要以牺牲其它性能指标为代价， 因此，要设计一个高性能的运算放大器，多方面的优化是_ 个非常关键的问题。 如图1 3 “模拟电路设计八边形法则”所示1 2 9 ，这样的折衷选择、相互制约对高性 能放大器的设计提出了许多难题，要靠直觉和经验才能得到一个较佳的折衷方案。 输 图1 3 模拟电路设计八边形法则 1 5c m o s 运算放大器的基本结构 运算放大器是一种有足够高的正向增益的放大器( 受控源) ，图1 4 的框图给出 了运放的主要部件。 图1 4 运算放大器的基本结构 集成运放的基本单元电路主要包括：差分跨导输入级、中间级、输出级以及 补偿电路和偏置电路。 集成运放输入级的主要作用是放大差模输入信号，并将其变为单端信号传给 下一级。现代集成运放就其电路方案来说主要是采用参数补偿原理，所谓参数补 偿原理，是指依靠电路的对称性设法使集成运放一些重要参数如失调电压、失调 电流、噪声以及失调参数随温度、时间的变化尽可能的小。通过分析将会看到这 些失调参数主要是由输入级特性所决定的，集成化的差分输入级电路将提供良好 的对称性。因此在集成运放中，输入级通常都采用差分电路。 6 ：! ，!：呈竺! 堡塑墅重量螫奎兰墼至垄耋塞兰 在集成运放中，通常把输入级和输出级之间的电路统称为中间级，实际运放 中的中间级虽然各异不同，但概括起来中间级必须承担三项基本功能：一是保证 足够高的电压增益；二是进行直流电平移动，保证输入零电平时，输出也是零电 平( 对于双电源运放来讲) ；三是完成双端转换到单端愉出的功能。中间级一般 包括：恒流源电路、有源负载电路、双端变单端转换电路、频率补偿电路、恒流 源偏置电路、电平移动电路。 集成运放的输出级主要包括输出级电路和输出级保护电路，对输出级有许多 特殊要求，其中最主要包括：必须保证有一定的电压输出幅度，这个幅度应尽可 能接近电源电压值；保证有一定的电流输出能力；要有尽可能低的输出阻抗，使 电压增益受负载变化影响小；要有尽可能小的功耗等。 常用的输出级电路有：单管射随器输出级、推挽输出级、互补输出级等。对 任何类型的集成运放，它的最小负载电阻值是有限的，如果它的负载电阻小于限 定值，或输出端与地短路或与电源短路，都会导致输出管因电流过大而损坏，因 此，在现代集成运放中，一般都有输出保护电路，以限制输出级电流，如电阻保 护、二极管保护和三极管保护等。 1 6 运算放大器的应用 运算放大器在现代电子工业中，应用十分广泛，它不仅在计算机中，而且在 通讯、程序控制、电于仪表、测量设备等方面都得到了广泛的应用t 3 0 1 。 1 6 1 数学运算 利用运算放大器的负反馈特性，变换不同的反馈元件和输入元件，则可实现 各种数学运算的功能。 ( 1 ) 反相放大器 当运放接成如图1 5 所示电路时，运算放大器电路的输出表达式为： 7 v = 争v ， ( 1 7 ) v 图1 5 倒相器 若i 玻, z i = z ，= r ，则v 。= 一吃，输出信号与输入信号仅改变一个符号；若取 z i = r ，z = k a y ，则v 。，= 一勋。，输出信号与输入信号成反比例。 ( 2 ) 同相放大器 当运放接成如图1 6 所示电路时，运算放大器电路的输出表达式为： v 。：互v 。 ( 1 8 ) 2 才匕 湛 v 图1 6 同相器 若取z 。= z = r ，则v 。，= v s ，输出信号与输入信号相等：若取z 。= r ， z ，= k r ，则v 。= k v 。，输出信号与输入信号成正比例。 ( 3 ) 加法器 若图1 5 所示的运算放大器负输入端外接阻抗有多个，如图1 7 所示，可以求出 运算放大器的输出表达式为： ! 兰呈! 堡型堡塞塞垫查兰墼墼彗皇堡兰 k 。= _ ( 鲁k ，+ 乏v 一+ 考v 。 ( 1 9 ) ： 璺t 图1 7 加法蠡 ( 4 ) 减法器 若图1 6 所示的运算放大器正负输入端都加有信号，如图1 8 所示，可以求出运 算放大器的输出表达式为： v 2 v s i z i + z , v s l - - v s 2 毛 z 1 ( 1 1 0 ) 若取z - = z i 、z ，= 刁，则= 考o 。：一v j ，实现了输出信号与两输入信号 成正比。 v v ， 圈1 8 减法器 9 ( 5 ) 乘除发器 将运算放大器接成如图1 9 所示电路，将场效应管等效为电阻，根据运算放大 器的基本虚短虚断特性，可以求出输出电压的表达式为： 实现了输出电压正比于输入电压乘、除运算的结果。 v 娌 v a 3 图1 9 秉除法器 ( 6 ) 通过在运算放大器外围加入电容、三极管、电阻，可实现积分、微分、对数、 指数等基本的数学运算。 l 。6 2 信号发生器 利用运算放大器的正反馈特性可以方便地产生各种类型的可控信号，如正弦 波、方波、三角波、锯齿波等信号。 ( 1 ) 正弦波发生器 如图1 1 0 所示，正弦波发生器的一种，就是一个同相输入负反馈放大器，如 果取c ，= c 4 = c 、r 3 = r 。= r ，并且调节其它电阻的大小，能使电路起振，输出 电压的频率为被c ，幅度由两个二极管来稳定。 警 弓一弓 = 。：。：呈坚至堡2 堑圣苎墼奎矍墼至查皇堡兰 。；。 图1 1 0 正弦波发生器 ( 2 ) 方波三角波发生器 如图1 1 l 示出了用一个运算放大的方波- z 角波发生器的最简单电路，在这里， 运放做比较器用，而r 、c 实现积分功能，如文献【3 “，在放大器的输出端和负输入 端分别产生方波和三角波。 图1 1 l 方波一三角波发生器 ( 3 ) 还可以通过连接不同的外围电路组成锯齿波脉冲发生器、阶梯波发生器、 单稳态触发器、调制信号发生器等【3 l 】。 1 6 3 信号处理电路 用运算放大器可方便地构成各种信号处理电路，而且电路性能普遍有所改善， 通过运算放大器还可以构成比较器、箝位放大器、电桥放大器、线性熬流器、峰 值检波器及有源滤波器等。 1 6 4 专门测量电路 运算放大器还可以用于晶体管参数测量、配对晶体管的测量、产品( 如晶体 管) 按某个参数( 如 。或四p r c 。) 的大小自动分类，还能用运算放大器把毫安表 改成微安表电路。 1 7 低压低功耗运算放大器的基本问题 前面讲了，运算放大器发展的一个方向是低压低功耗，低电压运算放大器的 设计适用于运算放大器工作在电源电压在1 5 v 的范围，这样的低电压低功耗要 求对运算放大器产生了深远的影响【”】： ( 1 ) 由于电源电压的降低，信号的动态范围减小，同时，噪声信号幅度相对增 大，放大器的信噪比降低。 ( 2 ) 为了扩大信号的动态范围，低电压运放通常需要输入输出的信号范围能达 到全摆幅。 ( 3 ) 低功耗条件下，运算放大器的单位增益频率受到很大影响。尤其是在负载 电容不断减小时，偏置电流的降低将使得运放的单位增益带宽显著减小。 ( 4 ) 为了得到较大的直流电压增益，低电压运放需要串联较多的增益级，这将 使得运放得频率补偿变得复杂，同时频率补偿部分的电路也将不可避免的 消耗功耗。 1 8 本论文的主要工作 本论文的主要工作是针对前面所涉及的问题来设计低压低功耗运算放大器， 按照如下结构组织： 第1 章，介绍了运算放大器的发展概况、发展方向、特点以及基本应用，提出 了在低压低功耗下运算放大器所遇到的基本问题以及本论文的主要工作：低压低 功耗运算放大器的设计。 第2 章，对m o s 管的电学特性做了详细的分析，包括所涉及的大信号模型、 小信号模型等。 第3 章，根据所要求的性能参数，确定低压低功耗运算放大器的基本结构，通 过对它的大小信号模型，手算出各种性能参数与电路结构参数的关系，确定了结 构参数的大概值。 第4 章，根据第3 章所确定结构参数的大概值，用电路模拟软件对其进行模拟 。：呈竺：堡塑彗兰塞垫查量墼塑塞皇茎些 。：； 分析，细调设计使之优化，从而从理论上得到符合所要求的性能参数。 第5 章，设计出一种恒跨导轨对轨输入级。第3 章所设计的运算放大器包含a b 类轨对轨输出，针对低压下运算放大器的共模输入范围很小的问题，设计了一种 恒跨导轨对轨输入级。 第2 章m o s 管的电学特性 在设计运放时，需要关注的m o s 管的最重要是它的大信号模型和小信号模 型，大信号模型决定了电路的静态工作点，小信号模型决定了电路的一些基本特 性，具体介绍如下： 2 1m o s 管大信号模型( 以n m o s 为例) 介绍 先给出适合笔算的简单大信号模型，然后再扩展此模型，包含电容、噪声源 和欧姆电阻等等。 2 1 1m o s 管简单大信号模型介绍 n m o s 管的工作偏置条件及输出曲线如图2 1 和图2 2 所示： 增 j = - v s 宁i ! 毒5 趣 g 岳 d i 型淘饕 氧化层 、 i 心箩心 嘻毛尽鏖p - s u b_ 图2 1n n o s 管的工作偏置 一般据输出曲线可把n m o s 管的工作状态分为五个工作状态区 ( 1 ) 截止区一0 此时n m o s 管不能产生导电沟道，工作于开路状态，漏源极电流为0 。 ( 2 ) 饱和区0 一 在此工作状态时，导电沟道被夹断，漏源电流几乎不变，为一常量，其v _ i 特性可用以下方程表示： ：丢。巳f 孚1 一) 2 ( 1 + a ) ：导蜀( 一) 2 ( 1 + 五) ( 2 1 ) 山 二 ( 3 ) 非饱和区( 线性区) 0 3 4 ) 时，略e x p ( - 华q 项，所以 “l 。o p e x p 白e x p ( - 争 ( 2 4 ) 式中1 3 表示m o s 管的宽长比( w l ) ，v g b 、v s b 、v d b 分别表示栅极、源极、 漏极对衬底的电位；v 。为热电压，即k t q ，常温下约为2 5 m ym 为弱反型区下的 斜率因子，是与衬底偏置调制系数有关的系数；i d o 称为特征电流，表示m o s 管的 宽长比为l 以及各电极对衬底电位为零时的漏极电流。 i d o 的表达式为： i o o ：2 m a c v d ( - 等1 ( 2 5 ) 硕士学位论文 i d o 的典型值在2 n a 至l j 2 0 0 n a 。 值得注意的是，由于漏极电流小于特征电流，弱反型下的有效栅源电压实际 上是一个负值。这也表明，m o s 管工作在弱反型下其栅源电压要低于强反型下， 从而更加适合在低电压设计中的使用。 弱反型下，m o s 管的跨导可表示为： ， = 导 ( 2 6 ) nr 胁 从上式中可以看到，弱反型下m o s 管的跨导只依赖于漏极电流。如果在设计 中为了达到较好的高频性能，要求m o s 管有较大的跨导，则需增大管子的漏极电 流。然而。漏极电流若增加过大的话，m o s 管将脱离弱反型区而进入强反型区。 虽然同时增加管子的宽长比可以将管子限制在弱反型区，但这种方法并不总是有 效，尤其是放大器带宽要求高时，因为增加管子的尺寸将不可避免的增加器件的 寄生电容。 ( 5 ) 中反型 实际上，m o s 管在弱反型到强反型区域之间的变化是连续的，这个区域成为 中反型区。近似地，中反型区的漏极电流大小为： 1 亡 厶 ( f c 枷) 时， = 悬争m + m i x f c ) + m 矧 眩渤 其中，对于和，x 分别表示s 或d ；f c 为正向偏置结电容修正系数， 约等于0 5 ；p b 为结势垒，与结的两端的掺杂浓度有关；。为结面积；m j 为结的 梯度因子，对于突变结值；j j 1 2 ，缓变结为1 3 ；对于c 0 。的值为： 。= ；o ) “托可吒翮 ( 2 1 6 ) 图2 6 是m o s 器件的剖面图，它示出了m o s 器件的电荷储存电容的各组成部 分。其中c k 和c 矗是上面所介绍的源，衬底和漏，卒十底问的结电容。 c l 及c 3 是交叠电容，是由于两各导体交叠( 并由介质隔离开) 形成的电容， 由于源和漏在多晶硅栅极横向扩散形成的，交叠程度由l d 表示，交叠电容约为： 1 9 c 。= c 3a , c o x 凹x ) = ( c 国，d y ( 2 1 7 ) 为有效沟道宽度，c g x o ( x = s n 2 戈d ) 为由于源栅或漏栅交叠引起的交叠 电容，单位为f m 。 图2 6m o s 器件的大信号电容 另一个重要的交叠电容是由于栅和衬底间交叠引起的电容， 2 7 ，同样它的表达式为： c ，c o x ( w d 地) = ( c g 8 d b 用c 。表示，如图 ( 2 1 8 ) l 盯为有效沟道长度，c g b o 为由于栅和衬底交叠引起的交叠电容，单位为 f m 。 图2 7 栅衬底间的交叠电容 c ：是栅沟道问的电容，表达式为： c 2 = w , d ( l - 2 l d ) c o x = c o x ( 2 1 9 ) c 4 是沟道衬底间的电容，它是结耗尽层电容，如同c 。和c 肋一样随电压变 化而变化。 当保持恒定不变，使从零开始增加时，可以看出当m o s 管处于不同的 工作区域时，c a n 、和c g d 的大小是不同的，如图2 8 所示。 c m o s 低功耗运算放大器的研究与没计 图2 8 电容c k 、c k 。和c 。在不同工作区域的关系曲线 关于c 。的大小问题，当。由截止区逐步接近p j 时，形成薄的耗尽层，产生 较大的电容，因为q 是和g + 2 c 。串联的，产生的影响不大。随着。进一步增大， 耗尽层宽度变宽，c 。也逐渐变小，当。= p 石时形成了反型层，c 。减小到最小 值，比2 c ；还要小的多，可以忽略。 关于c ，的分配，在截止状态时，沟道未形成，整个c ，都分配给e ：。；在饱和 状态下，沟道出现截断，这里假定大约有2 c ：3 属于巴。，而g 。不受影响；当 m o s 器件进入非饱和区时，沟道从源一直延伸到漏，将c ，平均分配给c 。和c 。，。 其他寄生电容还有以厚氧化层为绝缘介质，多晶硅( 或金属导电层) 和衬底 硅形成的平板电容，金属导电层和第一层多晶硅或第二层多晶硅( 如果工艺中有 两层多晶硅的话) 形成的平板电容等。这些电容在饱和区和非饱和区通常构成c l 。 的主要成分。接到集成电路芯片中其他部分的栅极连线，往往会在栅极和衬底间 形成显著的杂散电容。 2 2m o s 管的交流小信号模型 当n m o s 管在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如图 2 9 所示，图2 1 0 是其简化等效电路模型，适合于人工分析。在电路计算中，i 妇m o s 管的大信号模型算出电路的静态工作点后，就必须由小信号等效模型来分析电路。 小信号模型是能简化计算工作的线性模型，它是在一定的电压电流下有效，它的 各项参数依赖于大信号模型参数和直流变量。 硕士学位论文 图2 9m o s 管交流小信号等效模型 6 图2 1 0m o s 冒小佰号荷化梗型 假定漏极和源极的欧姆电阻与大信号模型中的相等，由于对m o s 晶体管影响 不大，这里没画出来。同样也假定在小信号模型中的c 。、c 鲥、c 驴、c m 和c 。分 别和大信号模型中的c g s 、c g d 、c 、c 古d 和相等。 在饱和区各参数的具体表达式如下： g = 粤0 ( 2 2 0 ) u v b d 乳：磐o ( 2 2 1 ) 口v 船 铲急= ：。曙) 硼+ 训“1 2 1 t c - ( - 等) i o 眩：， g “。一却a i 。o2 蒜2 馏m c z z s ， g m 。一却。2 瓦荒2 馏m 旺2 ” 器= 等= 厶五 ( 2 2 4 ) 6 。1 十舢m 1 。“ 其中：y = 2 9 s 。s 。n 。( 素j n m o s ) c m o s 低功耗运算放大器的研究与设计 ，= 压i 万( ) t 时p m o s ) v 饵 称为衬底阈值参数： - 、d 分别为受主和施主掺杂浓度，m 为饱和沟道表面电位，n m o s e pm 为 负值，p m o s 中中为正值。 2 3 阈值电压 m o s 管为四端器件，若衬底与源极间电压为o 时，则其阈值电压为。( 或 。) 。若o n e ，则对它的阐值电压有很小的影响，称此为衬偏效应，阂值 电压的表达式为： = 。+ ，u 卜m 一i 一i 一中 j ( 2 2 5 ) 在电路设计中，若y 。o 时，则应考虑衬偏效应对电路性能得影响。 由于p m o s 模型均可在n m o s 模型中找到完全对应的结论，在后边涉及到 p m o s 管的设计时只直接参考n m o s 的相关公式。 2 4 结论 本章对m o s 管的电学特性( 大信号模型、小信号模型、闽值电压) 作了比较 详细的分析，大信号模型包括它的基本的电流电压特性、噪声特性以及电容特性， 具体分析了各个特性的等效模型以及模型中的参数表达式：小信号模型包括基本 的跨导、沟道电阻等等；最后给出了阈值电压的表达式。 第3 章低压低功耗运算放大器设计 3 1 技术指标要求 表3 1 技术指标要求 表3 1 技术指标要求 c m o s 低功耗运算放大器的研究与设计 本次所设计的c m o s 运算放大器要求达到的基本参数值如表3 1 所示( 工作条 件：= 5 v 、t = 2 5 。c ) 3 2 电路结构介绍以及其基本原理 这里所设计的低功耗c m o s 运算放大器主要应用于便携式低功耗电子产品， 运算放大器将来若想有市场，必然要求产品具有低成本和高性能，特别是要求有 高电压增益，宽频带响应和低功耗特性。所以设计该运算放大器的指导思想是用 最简单电路结构，最简单的制造工艺，最少的加工成本达到较好的性能。根据设 计所要达到的技术指标。经过反复比较论证，最后决定采用适合于低电压要求的 基准电流源和低功耗的a b 类推挽输出电路等子电路结构来设计运算放大器，其结 构框图如图3 1 所示： 图3 1 运算放大器的结构框 3 2 1 电流基准源的结构与基本原理 此c m o s 基准源的基本出发点是利用m o s 管在亚阈值区的饱和漏电流随栅 源电压呈指数关系的特性，产生一个与电源电压无关与绝对温度成正比的基准电 压，它能提供稳定的很小的基准源，最主要优点是这种线路的功率耗散很低。 如图3 2 所示，此c m o s 电流基准源由m 。、m b 、m 。、m d 、m h 、m i 以及电阻 r 组成，m 。和m b 、m 。和m d 组成两个电流镜形成一个封闭回路，起始回路增益 大于l ，因此在两个支路中的电流将不断增加，由于电阻r 两端产生的电压作用， 封闭循环回路最后会达到平衡，两支路电流相等。可以通过调节电阻r 的大小值， 使支路电流很小。 通过调节电阻大小，使m o s 管m 。和m d 工作在弱反型区，假设电源电压能 够使m o s 管工作在饱和区，根据公式 等= 苦= 鲁 限t ， i i p h 硕士学位论文 图3 2 c m o s 电流基准源 根据m o s 晶体管弱反型区电特性的理论，其器件工作在弱反型饱和区的漏 源电流为： k