（微电子学与固体电子学专业论文）一种cmos绝对值电路芯片的实现方法.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文设计了一种对电压信号实现绝对值运算的专用芯片，解决了经典绝对 值电路含二极管而不能用c m o s 工艺片上集成的难题，从而能满足正弦波脉幅 脉宽调制控制集成化的需要。 首先，分析了单电源运算放大器构成无二极管绝对值电路的工作原理，探 索出只有使用零轨特性较好的c m o s 单电源r a i l t o r a i l 运放，才能输出失真较 小即较精确的绝对值电压。从而，确定子模块即单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算 放大器是该专用芯片设计的重点。据c m o s 工艺情况和工程控制中绝对值电压 的允差，拟定了使用该子模块的无二极管绝对值电路须满足的指标。 接着，参照目前国际上c m o sr a i l t o r a i l 运放的最新研究成果，从多种结 构比较中筛选出合适的m o s 管恒跨导差分输入级以及甲乙类输出级设计，确 定了子模块的主体结构。还简单介绍了子模块引用的带隙基准源电路。 然后，采用特许0 3 5 u m c m o s 工艺的b s i ms p i c e 模型，用c a n d e n e es p e c t r e 软件对子模块进行仿真，结果表明运放主要性能都满足要求。 最后，对子模块构成的绝对值电路芯片用o r c a d p s p i c e 软件仿真，输出较 精确的绝对值电压，验证了设计结果的可行性。 关键词：无二极管绝对值电路，单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器，零 轨交越特性 v 上海大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e p a p e rm a d et h ed e s i g n o fan e w s t y l ed e d i c a t e dc h i pt o c a l c u l a t et h ea b s o l u t ev a l u ef o ra ni n p u tv o l t a g es i g n a l ，w h i c hr e s o l v e d t h ep r o b l e mt h a tt h et r a d i t i o n a la b s o l u t ev a l u ec i r c u i tw i t hd i o d ec a n tb e i n t e g r a t e do nc h i p sb a s e do nc m o sp r o c e s s ，s o t h a tw ef i l l e du pt h e n e e d si m p r o v i n gt h ei n t e g r a t i o no ft h es i n e w a v ep w ma n dp a m c o n t r o lc h i p s f i r s t ，w ea n a l y z e dt h et h e o r yo ft h ea b s o l u t ev a l u ec i r c u i tw i t h o u t d i o d e ，f o u n do u tt h a tw ec a ng e tp r e c i s eo u t p u tv o l t a g ew i t hv e r ys m a l l d i s t o r t i o no n l yb yu s i n gas i n g l e - s u p p l yz e r o - c r o s s o v e rr a i l - t o r a i l c m o so p e r a t i o na m p l i f i e r t h u s ，t h es u b m o d u l ei s as i n g l e s u p p l y z e r o c r o s s o v e rr a i l t o r a i lc m o so p e r a t i o na m p l i f i e rw h i c hi si d e n t i f i e d a st h ed e s i g nf o c u so fo u rd e d i c a t e dc h i p s a c c o r d i n gt oa d o p t i v ec m o s p r o c e s sa n dt o l e r a n c eo fo u t p u tv o l t a g ev a l u ei ne n g i n e e r i n gc o n t r o l ， d e v e l o p e dt h ei n d i c a t o r sw h i c ht h ea b s o l u t ev a l u ec i r c u i tw i t h o u td i o d e u s i n gt h em o d u l em u s tb ef u l f i l l e d a f t e rt h a t ，i nt h el i g h to ft h el a t e s tr e s u l t sa b o u tc m o sr a i l - t o - r a i l o p e r a t i o na m p l i f i e ri nt h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h ，f i l t e r e da p p r o p r i a t e d e s i g no fm o st r a n s i s t o rc o n s t a n t g mc o m p l e m e n t a r yd i f f e r e n t i a li n p u t s t a g ea n dc l a s s a bo u t p u ts t a g ef r o mt h ec o m p a r i s o no fav a r i e t yo f v i 上海大学硕1 二学位论文 s t r u c t u r e s ，t oi d e n t i f i e dt h em a i ns t r u c t u r eo f t h es u b m o d u l e t h e n ，t h es u b m o d u l ec i r c u i ti sr e a l i z e di nc h a r t e r0 3 5 u r nc m o s p r o c e s sp a r a m e t e r sp r o v i d e db yf o u n d r yf o rb s i mt r a n s i s t o rs p i c e m o d e l sa n di ss i m u l a t e db yc a n d e n c es p e c t r e t h ea n a l y s i so ft h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h em a i ni n d i c a t o r so ft h eo p e r a t i o na m p l i f i e rm e e tt h e r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , s i m u l a t e d t h ea b s o l u t ev a l u ec i r c u i ti sm a d eu po ft h e s u b m o d u l ew i t ht h eo r c a d p s p i c e ，g o tr e l a t i v ea c c u r a t eo u t p u tv o l t a g e ， p r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g n k e y w o r d s ：a b s o l u t ev a l u e c i r c u i tw i t h o u td i o d e ，s i n g l e s u p p l y c m o sr a i l t o - r a i lo p e r a t i o na m p l i f i e r ，c r o s s o v e rc h a r a c t e r i s t i ca tz e r o - v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至生导师签名：盥日期：2 猢3 ，曙 上海大学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 1 1 1 模拟c m o s 芯片设计研究的意义 在数字集成电路技术日新月异的今天，为什么还要从事模拟集成电路设 计? 2 0 世纪8 0 年代初期，许多专家预言模拟集成电路即将消失。当时，数字 信号处理算法的功能日益增强，而集成电路( i c ) 技术的进步又使这些算法可 以在硅片上紧凑而有效地实现。许多传统上用模拟电路形式来实现的功能很容 易在数字领域内完成，这使人们可以假定：如果集成电路制造有足够的能力， 那么信号的所有处理最终都可以用数字方式来实现。在那时，模拟电路前途黯 淡，模拟设计人员开始寻找其它工作。 时至今日，尽管数字信号处理和集成电路技术一直在迅猛发展，人们已经 可以制造包含上亿个晶体管、每秒处理几十亿、上百亿次操作的处理器了，但 是，如此大的进展为什么却未能使早期的预言成为现实? 为什么现在对模拟电 路设计人员的需求仍如此之大? 因为，尽管许多类型的信号处理确实已经转移到数字领域，但是，在现代 许多复杂高性能系统中模拟电路从根本上仍被证明是必需的。如自然界信号的 处理、数字通信、磁盘驱动电子学、无线接收器、光接收器、传感器，微处理 器和存储器等系统中都不可避免地要涉及到许多模拟技术。由于系统集成使集 成电路面积变得很大，一个现代集成电路至少有些部分包含需要与现实世界 有接口的模拟电路。虽然这部分模拟电路只占据整个芯片面积的一小部分，但 它通常成为整个系统效能的限制因素和集成电路设计中最困难的部分【i j 。 模拟集成电路设计使用b i p o l a r 技术可以制造出高性能的模拟芯片，如输出 精确的绝对值电路芯片，为什么还要研究c m o s 技术下的绝对值电路芯片? 模拟电路中金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) 的概念来源 于j e l i l i e n f e l d 于1 9 2 5 年申请的专利。1 9 3 5 年q h e i l 也在英格兰独立提出了 上海大学硕上学位沦文 这一原理。6 0 年代中期发明的互补m o s ( c m o s ) 器件( 即同时采用n 型和p 型晶体管) 引起了半导体工业的一场革命，并很快占领了数字市场：c m o s 门 只在开关期间消耗功率以及只需很少的元件。这一优点使c m o s 技术也被广泛 应用到模拟电路设计中。 功耗已经成为模拟集成电路设计中不得不考虑的问题，因此，我们研究 c m o s 工艺下绝对值电路芯片的实现方法就非常有意义。 另外，成本是市场经济必须考虑的重要因素之一，低的成本可以提高芯片 的性价比和市场占有率。在输出驱动能力能够满足要求的情况下，c m o s 集成 电路和b i p o l a r 集成电路相比，前者具有较高的集成度，且芯片面积远远小于后 者，对成本下降十分有利。 1 。1 。2r a ii - t o - r a i 技术的起源及特点 有意思的是，功耗问题不仪仅促进了c m o s 技术的发展；从9 0 年代以来， 随着i c 特征尺寸的持续缩小，芯片密度和工作频率相应增加，功耗很快也变成 模拟c m o s 集成电路设计中主要考虑的问题【2 】。随着集成电路亚微米、深亚微 米技术的发展和系统芯片( s o c ) 技术的日益成熟，采用电池供电的便携式电 子产品获得了迅猛的发展和快速的普及。可随之产生的问题是，目前电池技术 的发展远远跟不上i c 与电子系统的发展，其容量即使在最近的五年内也无法实 现超过3 0 到4 0 的提升，不能满足日益复杂的i c 的要求，这就迫切需要便 携式电子产品降低功耗和高效率地使用电源。即使考虑到能源技术，用太阳能 电池、燃料电池或设想中的微波电源来代替今天的电池，但一方面这些新能源 同样要求电路工作在很低的电源电压下，如单片太阳能电池提供的电压仅在 o 。5 v 这个数量级，远低于目前使用的任何电池，甚至都低于m o s 管的阈值电 压，对低压技术的要求将更为苛刻：另一方面，随着器件尺寸的缩小，c m o s 工艺击穿电压的降低，也对电源电压提出了严格的限制。因此，从心脏起搏器 到助听器再到移动电话和各式各样p d a 产品，都对其供电电压和功耗提出了严 格的要求，使得低压低功耗技术受到关注。 现代模拟i c 设计集中向低压低功耗c m o s 集成电路方向发展。降低电源 2 上海大学硕上学位论文 电压虽然会使电路的功耗大幅度减少，但也会影响电子电路的一系列性能。例 如，使输入共模信号的范围减小，集成电路的结电容增大和驱动电流减小等缺 点。加之，电源电压降低，电路的信噪比下降，而且未来标准c m o s 工艺中管 子的阈值电压不会有较大的下降，电源电压下降受到阈值电压的限制。 这种情形下模拟i c 设计变得非常复杂，传统的电路结构已不能满足设计需 要。在进行新的模拟i c 设计时，就要求设计者改进电路结构，使其可以在低压 低功耗条件下达到高性能。例如，在设计低压低功耗运放构成的电子产品过程 中，必须考虑电路主要性能的实现，但在低压低功耗设计中，受闽值电压及饱 和压降的影响，运放的输入输出动态范围不断减小，将影响后级电路的正常工 作。因此，模拟i c 设计迫切需求运放采用更优越的电路结构，能够实现全摆幅。 r a i l t o r a i l 技术就是顺应这样需要而产生的一种优越电路结构的设计方法。 何为r a i l t o - r a i l ? r a i l t o r a i l ，即“轨至轨，也称为“满摆幅”，指输入( 或 输出) 电压范围与电源电压相等或近似相等，是运算放大器电路设计中使用的一 种技术。从输入方面来讲，就是使输入共模电压范围可以从负电源电压到正电 源电压；从输出方面来讲，使输出电压范围也可以从负电源电压到正电源电压。 r a i l t o r a i l 是一个与供电电压密切相关的特性，对器件的输入或输出无失真动 态范围有很大的影响。当v 很小时( 1 0 m v - 一1 0 0 m v ) ，无失真动态范围最小电 压为v s s + a v ，最大值为v c c a v ，具有这样动态范围的运放就叫r a i l t o r a i l 运 放。令我们欣喜的是r a i l t o r a i l 运放不光可以在低功耗下实现输入输出全摆幅， 而且可使低电压下工作的运放具有低的失真。 1 1 3r a ii - t o - r a il 运放研究意义和国内外研究现状 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) 是一个能将两个 输入电压之差放大并输出的集成电路，最早在19 4 7 年5 月r a g a z z i n i e t a l 一篇论 文中被引用，其作为线性电路中一种最通用、最重要的单元电路已被运用到各 种电子系统之中，成为各种模拟信号处理和测试设备中的基本元件。运放可与 电阻、电容构成加法、减法、微分、积分电路，应用于包括各种放大、函数发 生、采样保持电路，r c 有源滤波器以及a d 、d a 转换器等电路中。运放是 上海大学硕士学位论文 许多模拟系统和数模混合信号系统中的一个完整模块。最初的多数运放被设计 成通用的模块，以适应各种不同场合应用的要求。那时，企图设计的是同时具 有极高增益，很大输入阻抗，极低输出阻抗，很强驱动能力高速的“理想 运放。今天的运放设计从一开始就根据集成电路的总体性能来确定运放的基本 参数，认识到各个参数之间的折衷，例如功耗和速度的折衷等等。因此，今天 的运放多是专用的运放，不强调运放的通用性，形成了如高速型的，高精度型 的，低压低功耗型的等专用型运放。随着c m o s 工艺的不断发展，电源电压 和特征尺寸的持续减少，使得运放的设计不断有更新、更复杂的课题。 运算放大器是整个模拟电路设计的基石，选择一个恰当的结构对于达到系统 设计指标至关重要。一个放大器的参数有上百个，设计者必须非常清楚哪些放大 器参数对系统设计最重要。设计者必须根据系统对功耗、成本、信号摆幅、信号 噪声、信号之间的匹配、信号的边沿速率和带宽、信号稳定时间、负载驱动特性、 系统精度、应用环境和抗干扰性、环路稳定性、反馈类型等等要求，对放大器结 构进行精心的选择。 随着集成电路工艺技术的发展，使得m o s 管的特征尺寸和电源电压不断 降低，对于一个运算放大器，一是要求它的输入和输出都有大的动态范围，二 是要求输出级仍有较强的驱动能力，因此，r a i l t o r a i l 结构专用运放设计变得尤 为重要。 运放采用单电源供电还可以减少一个负电压的辅助电源，有利于系统的精 简、成本下降、能耗减少和产品体积的缩小。但是，单电源运放容易产生不稳定， 而且单电源常常也是低电压，所以其输入共模电压范围、输出电压摆幅、c m r r 、 噪声及其它的限制变得非常重要。因此单电源运算放大器的设计通常采用r a i l t o - r a i l 结构。 目前单电源r a i l t o r a i l 运放做的较好的是t i 的一款高精度运算放大器 o p a 3 6 5 。采用了创新的零交越失真、单输入架构，从而实现了无跳变轨至轨性 能。o p a 3 6 5 具有超低失真( 仪为0 0 0 0 6 t h d + n ) 、极低噪声( 仅为4 5 n v r t h z ) 以及5 0 m h z 增益带宽，因而理想地适用于多种设计中的单电源应用，其中包括 便携式仪表、数据采集、检试测量、音频以及便携式医疗系统等。t i 负责高性 4 上海大学硕+ 学位论文 能模拟业务的高级副总裁a r tg e o r g e 指出：“o p a 3 6 5 解决了数据转换器功能受 限于运算放大器的常见设计难题。o p a 3 6 5 零交越拓扑凭借其在噪声与速度方 面的出众性能，成功解决了有关设计难题，并得以从市场上的各种放大器中脱 颖而出。”其独特的单输入拓扑避免了传统补偿输入级常见的交越问题，实现 了轨至轨输入。这种设计降低了失真，在整个输入电压范围内( 比电源电压高 1 0 0 r n v ) 实现了最低为1 0 0 d b 和典型值为1 2 0 d b 出色的c m r r ，其他特性还包 括3 0 0 n s 快速建立时间( 精度可达0 0 1 ) 、低失调电压( 最大2 0 0 u v ) 以及可在2 2 v 至5 5 v 的单电源电压下工作。 o p a 3 6 5 在运放输入共模电压范围( v ) o 1 v = v c m = ( v + ) + 0 1 v 及输出电压 摆幅的轨距( v o l t a g eo u t p u ts w i n gf r o mr a i l ) 仅为1 0 m v 时，可以减小无二极 管的绝对值电路零轨处的波形失真。 国外的i n t e r s i l 、m i c r o c h i p 等设计公司也都分别推出了自己的单电源 r a i l t o - r a i l 运算放大器。 1 2 芯片设计方法 芯片的设计通常包括系统结构设计和子模块电路设计。首先寻找可行的系 统电路结构，如果选择的电路结构不符合要求，则需要修改结构或重新设计。一旦 验证系统电路符合条件，就要进行子模块设计，确定子模块电路中直流电流、器件 尺寸等参数，必须仔细计算器件的尺寸以满足模块的交、直流要求。为了满足所 有的设计指标，在实际设计中系统结构设计和子模块设计两个步骤往往都需要 重复地进行。 本设计中的子模块是单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器。“理想 运放应 具有以下的特性：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换速率和开环增 益；无噪声、失调、功耗浪费和信号失真；无负载、频率和电源电压的限制。 事实上，实际设计的运放难以达到以上所有的特性指标，其参数的大多数都会互 相牵制，导致设计变成一个多维优化的问题。模拟电路设计八边形法则如图1 i h 所示，图1 1 中各项参数的折衷选择、互相制约对高性能放大器的设计提出了许 多难题，要靠理论指导、经验和已有的成功案例才能得到一个较佳的折衷方案。 j ：海大学硕1 ：学位论文 图1 1模拟电路设计的八边形法则 1 3 本设计的主要工作及安排 本文的课题研究来源于上海市科委基金项目“a c a c 升降压s p a w m 电子 功率变换器”，因为条件限制没有流片，主要内容是芯片电路结构的设计与工作 站环境的仿真验证。对系统电路结构( 本文中指无二极管的绝对值电路) ，是使 用o r c a d p s p i c e 软件对其仿真：对r a i l t o r a i l 运算放大器模块，基于特许半导体 0 3 5 u mc m o s 工艺库s p i c e 器件模型，在c a n d e n c es p e c t r e 环境下对电路进行 仿真。单电源c m o sr a i l t o r a i l 运放构成无二极管的绝对值电路时，零轨附近 波形的失真最容易导致输出“变坏”且很难彻底消除。故本设计中单电源c m o s r a i l t o r a i l 运算放大器的设计重点是尽量减小无二极管绝对值电路“输出电压幅 值最低点与零轨的距离”即零轨附近失真，要求运算放大器的零轨交越特性尽 可能好。 论文各章节安排如下： 第一章，叙述了课题的研究背景，c m o sr a i l t o r a i l 技术起源、特点、国内 外研究现状，以及本文中芯片设计的方法。 第二章，介绍绝对值电路芯片系统结构的原理，并提出：在c m o s 工艺下 实现绝对值电路的片上集成，是设计单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器的原 因。为获得失真比较小的输出波形，运放设计的目标是尽可能多地减小无二极 6 上海大学硕十学位论文 管绝对值电路“输出电压幅值最低点与零轨的距离”，要求运放有好的零轨交越 特性。 第三章，设计芯片内子模块单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器，其主体 部分包括r a i l t o r a i l 输入级和r a i l t o r a i l 输出级的设计。接着，介绍了r a i l t o r a i l 输入级设计原理以及目前输入级恒跨导主要实现方法；在设计输出级时，分析 了甲类、乙类、甲乙类输出级的特点，详细介绍甲乙类输出级的几种设计方法。 由此，确定了运放主体电路的结构。 第四章，介绍电路余下部分带隙基准源，确定了本芯片中选用什么方 法对传统带隙基准源改进，来给单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器提供稳定 的偏置电压。 第五章，基于特许半导体o 3 5 u r nc m o s 工艺库s p i c e 器件模型，用c a n d e n e e s p e c i e 对设计的子模块进行了详细的仿真并分析了仿真结果，最后，将设计的 运放用于绝对值电路芯片的系统结构，使用o r c a d p s p i c e 对改进后的电路仿真， 并进行分析。 第六章，总结本文设计过程中的工作、存在的问题以及对该设计未来发展 的展望。 7 e 海大学硕- l 学位论文 第二章可片上集成的绝对值电路 高质量的工频稳压电源采用正弦波脉幅脉宽调制控制，须用到绝对值电路。 现有的经典绝对值运算电路丰要是由双电源运放配合电阻和二极管构成，见图 2 1 。为了提高电源控制芯片的集成度，需要把电阻和二极管应用c m o s 工艺集 成在芯片内。c m o s 工艺制成的二极管一端是衬底，由图2 。1 可知经典绝对值 电路中的二极管两端电位均与衬底浮动，需随信号改变而变化，因此，绝对值 电路芯片中不能使用c m o s 工艺制成的二极管，需要设计无二极管的绝对值运 算电路【3 1 。 r 3 图2 1 经典绝对值运算电路 用正电压供电的单电源运算放大器，具有只能输出正弦波正半周的单相整 流特性，与二极管功能相同，本质上可以实现单相全波整流。正弦波电压同时 输入到单电源的同相和反相运放，同相运放仅输出正极性的正半周与输人正半 周对应，反相运放仅输出反极性的正半周与输人负半周对应。二者输出可通过 电路转换合成单相全波整流输出的单极性波形，从而实现绝对值运算功能，无 二极管的绝对值电路基本原理性结构见图2 2 【4 。7 1 。 8 上海大学硕士学位论文 2 1 用于片上集成的绝对值电路原理 v a m p l = f r e q = 5 ，o 7 0 图2 2 无二极管的绝对值电路 图2 2 电路工作原理 3 】如下： 输入电压v i i i 正半周时，运放a 1 构成的跟随器输出： v t l a l f = v i i l r 5 ( r 4 + r 5 ) = v i n l k ( 1 k + l k ) = v i n 2 ( 式2 1 ) 运放a 2 构成的减法器输出： v o u t = v h a l f 1 + r 2 ( r 1 r 3 ) 】) - - v i n r 2 r 1 = v i n ( 式2 - 2 ) 即正半周时，电路输出电压与输入的正电压幅值相等，并且是与其同相的正值。 输入电压v i l l 负半周时，因单电源运放输不出负电压，故运放a 1 构成的跟随器 输出： v h a l f = 0( 式2 3 ) 运放a 2 构成的减法器输出： v o u t - 0 一v i n p 巳2 r 1 = 一v i n ( 式2 4 ) 即负半周时，输出电压与输入的负电压幅值相等，并且变为与其反相的正值。 所以，图2 2 所示电路可实现v o u t = iv i i ll ，是具有理想精密全波整流功 能的无二极管绝对值电路，可用于片上集成。 运用o r c a d p s p i c e 仿真( 瞬态分析) 【4 】；无二极管绝对值电路的电压v i n 、 v h a l f 、v o u t 波形见图2 3 所示；其全波整流输出电压v o 。t 波形是不失真的正弦半 9 上海大学硕：l ：学位论文 波， i 吖 w q 唧 与精密全波整流电路功能相符。 ii li i i r 。1 。l1 悉 - l 。一r - - - - -。i 。r 。 ；群： ii-j il - ：- 。j - - i l ! j - r r 。t 1 。 - 。? 。j 。- 幕i ：蓉| i ：孝i (：辜：茧：车：苯：西z 。 4 - i - - 一一- - 一i - l - - - - - f - - p - - ii i ji-i 。r i l 。r t 。1 。i 。r 。 t - 。1 卜一- r t 。l 。- - - v 1 m i- llilliiliii i iiii t 1 。- t 。1 。t 。p 。1广r 。 1 。t 。，。r r 。 。挞j - ：。j - ：批- 。：- 。j 。- - 。：牲- ? 。j 。j - - - - i - - - 。- - - - l il 簿拳 巧十“弋告 i - 4 - - - - 一- - - - 。卜- - i 搿叫弋 -ii 。r 。r t 。1 。r 。r 。t 1 。1 。r 。t 。1 iliitiiii 砰 2 吖 ov 1 1 l l i a l f i iil - i ；- - ；i ；：- ；- ； ：；- 一- i 一；，i 、i - t 、。i 。r 。 - - 4 - - i - - - - -i - 。- - - - 。- - -。- - - i - l- l - - i - - 一- - - 。l - - - - 一- - - - - - - _ j 。i 揪? ：。批j 。j 。：株。- ? 牲j 。- 。批。- - 。? 批j - - 簿拳孝拳群车拳 一笋 - - x 一 群； 拳辫拳尹i - - - - j 1 5 i l 啊 - v l v o 砒i 3 a m4 n a d n 瞻 图2 3 理想绝对值电路电乐波形 2 2 绝对值电路和运放性能的关系 无二极管的绝对值电路，其输出的正半周波形由单电源运放只能输出正电 压的整流功能实现，负半周绝对值波形由减法器反相输入端的倒相功能得到， 再将这两个半周波形合成绝对值波形。无二极管的绝对值电路输出在理想的情 况下可得到精确的正弦波绝对值，但是由于实际运算放大器本身的非理想性， 会导致合成的绝对值波形存在失真，尤其是两个半周波形衔接处的失真被加剧 了。为了验证这一点，采用市售单电源运放l m c 6 4 8 2 a i n 代替图2 2 中理想运 算放大器【矧，通过o r c a d p s p i c e 仿真( 瞬态分析) 2 8 】，得到输出电压v o u t 波形 相对于输入正弦波电压v i l i 幅值的失真值v o u t iv i ni ，以及v o m 在零轨附近的 两个半周波形衔接处失真，见图2 4 【3 】。 图2 4 显示了输出v o 。t 相对于输入正弦波v i i l 幅值的失真，v o u t 幅值在输入 的负半周产生了+ 1 3 5 m y 即+ 1 3 5 m v 2 5 v - - + 5 4 的严重失真，而且在零轨附 近二个半周波形衔接处的幅值偏离零轨6 6 m v 。 1 0 上海大学硕十学位论文 1 - j i l r t 一- ：一- j 二- !l i j b - ! 一j ! j j - l - ! ! - 一! ： 1lii1iiiilll 。b i - - 。- - 。- 二 - - - 。- i- - - - - - - 。- _ - 。- 一_ - - - - f - i - i i - -ii- - - j i l j - i - l - - - j l j - - l - j 一j - - 1 - j - j 1 - - 一- j - l l j i-i - j l j l i l 1 j l j j j j 1 - l j l l j ti t - - p 。h o i r t oi 。r t 。r 。 。l ，o 。r r ：j i l - 一l 1 j - - - ：- - j j l j l l j - - l - - - - o o - i- i - - - - _ - n o i oo l lllillllliti j - - i - - - - j - i - - - - _ - i - - - 0 - - - - - - - - - - i - - - - j u - - - - - - j _ - - - - i t 。l - 广。- 1 。r 。t p 。i 。r 。r 。、i 。 。1 。l 。r 。，。r 。 - j i - - _- j - _ - - ，- _ _ i- - i - - - 一- _，。- - j - _ 一- 。- 。- o j - _ - k - 0 o - - j - - i- t 。、- 。二r 。、。i 广。t 。i 二t 。t 。r 1 。、i 。1 。1 l 。jr 。、r r 。1 i-i - - o 一。l - 。p 一 - - o - l - 一- 一- p 一 i v o u t i v i r j 的渡彤 iii l 弧c 6 4 8 2 a i n ，iiii 一j 一o l -j - - j - 1 一l - - i - - 1 - l - j - - 1ii t 。1 i - 。r 。1 。、。t r 、。广。r 1 ( a )输出电压幅值失真 鹇z ： 0 上壕- i - ；h h 0 ： i i j 1 j j j 1 。1 。t 。 ：1 i v 一：j l 瑚c 导2 兰 a 1 n ；| i 1 i i j j i 1 i l l l l l l i 1 j i - j 。七j j ： iil i - i f ：1 c 二：1 l ：- ： i i ，l 。1 。i 。广。广。r 。厂。r 。r 。f t 。1 j ! 五1 ；t ；：- 。i 。广广r 。r r r 。t 。t 。t 。1 。t 。1 1 1 i i j j 1 i i l l l l l l j 。j 。j l j 。j 十：。j i - - - 1 l l l l l i i 1 j i j j j ! ! ：i ! ! ： f ：理想情况f ： 1 + 。1 _ l 。 1 7 一上 ： ： f u ul 。1 i 。广。i 广。广。r 。广。r 。r 。t 。t 1 t 。1 。1 1 。1 。 t i ? 一i - 。i 。广。r r 。r 。r r f 。t 。t 。1 t 。1 1 。1 ： ：l ji-， ：1： i ( b ) 半周波形衔接处失真 图2 4 输出v o u t 的波形失真 这些失真产生的原因是什么呢? 经研究发现：普通市售运放在零轨附近存 在截止失真，在接近电源电压时会产生饱和失真，这是无二极管绝对值电路不 能精确输出，失真较大的主要原因【3 1 。 尽管使用无二极管绝对值电路可以大大提高电源管理芯片的集成度，但上 述这些误差限制了它的应用，要想替代经典绝对值电路，必须把失真特别是零 轨附近失真减到尽可能小。单纯通过改变运算放大器增益的方法，会带来很多 负面的影响，而且很难消除v o u t 零轨附近的失真。由于单电源r a i l t o r a i l 运算放 大器可以很好地实现零轨至电源轨之间满摆幅输入输出，故其在零轨附近较好 一卜海大学硕上学位论文 的交越特性应该可使v o u t 零轨附近的失真大大减小。为验证此推断，需设计一 子模块单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器，来构成绝对值电路，并将其 输出和运放l m c 6 4 8 2 a i n 构成的绝对值电路输出相比较。 根据子模块设计基于o 3 5 u r n 工艺库的情况，以及工程控制中绝对值电压的 允差，拟定下文设计的单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器零轨交越特性的预 期指标要达到： 使用该子模块构成的无二极管绝对值电路输出须满足： ( 1 ) v o u t 幅值失真不超过士1 ，对2 5 v 输入正弦信号，即土1 2 5 v - - + 2 5 m v ； ( 2 ) 二个半周波形衔接处幅值偏离零轨小于1 5 m v 。 2 3 本章小结 这一章首先介绍了本项目中绝对值电路芯片系统电路的工作原理，接下来 用仿真结果说明零轨交越特性不好的运放用于该绝对值电路会使输出产生较大 的失真，为下文为什么需要设计单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器作好了铺 垫。 1 2 上海大学硕上学位论文 第三章单电源c m o sr a i l t o r a i l 运算放大器的设计 本章分输入、输出两级来阐述运放的设计过程。输入级由n m o s 和p m o s 组成的恒跨导互补差分输入对、低压共源共栅运放构成的求和电路( 实现差分 输入到单端输出的转换) 两部分组成，输出级采用高效率功率推挽放大器。运放 电路结构如图3 1 1 6 】，一般还包括偏置电路以及频率补偿网络，本设计中偏置电 路由带隙基准电压源提供稳定的参考电压。 图3 1c m o sr a i l t o - r a i l 运放电路结构 3 1r a i l - t o - r a i l 输入级的设计 输入级是运算放大器的设计重点，其主要是用来放大差分输入信号和抑制 共模信号。输入信号容易受到其他信号如失调、偏置、噪声、共模串扰的干扰， 其电平的高低直接影响着运算放大器的灵敏度。因此，输入级设计的重点应放在 减小上述干扰信号的幅度、降低电流消耗和扩展输入共模信号的范围。 随着电源电压的降低，由于阈值电压及饱和电压降的影响，常规设计运放的 输入共模电压范围很小，不能满足低压正反馈或电压跟随器的应用。 3 1 1 输入共模范围扩展 随着m o s 管特征尺寸的不断减小，电源电压的变化将对模拟电路性能产 上海大学硕十学位论文 生严重的影响。在最小线宽减小到亚微米阶段时，栅氧化层的厚度随之减小， 为避免m o s 管的击穿，电源电压也必须大大降低。而阈值电压并不随特征尺 寸的减小而线性减小，所以低电源电压下，c m o s 运算放大器的输入共模电压 范围大大减小【1 4 1 。且低的偏置电流下，更容易产生高的噪声电压，使信噪比 ( s n r ) 减小，给电路带来很大的影响。为了增大电路的信噪比，必须扩展运放 输入和输出的共模电压范围，理想情况下是达到r a i l t o r a i l 。 在运放构成的反相放大器中，为了使信噪比尽可能大，应最大化输出信号电 压摆幅，趋向于达到r a i l t o r a i l 。但是，因为运放的同相输入端被偏置在一个固定 电压下，所以对输入共模电压v c m 没有特别要求。这个输入可偏置在任意值， 一般设置在电源电压一半左右。 当运放构成同相放大器时，输出电压摆幅要尽可能大，因为反馈信号和输出 信号是串连在一起的，这就要求输入共模信号电压v c m 摆幅也很大。而在电压 跟随器中要得到r a i l t o r a i l 的输出电压，输入共模电压也必须是r a i l t o r a i l 。 下面比较三种运放输入级，来说明如何实现运放输入共模范围扩展。 3 1 1 1 单差分输入级 图3 2 是单差分输入对结构，由一对n m o s ( 或p m o s ) 输入对组成。 = 图3 2 单差分输入级运放 v 。o u t l ：海大学硕士学位论