（电路与系统专业论文）一种高精度CMOS运算放大器的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

贵州大学电路勺系统2 0 0 8 届硕：j j 论文 摘要 近年来，由于电子测试测量产品在医疗领域、汽车电子系统、军事航天领域 的广泛应用，迫切要求采用c m o s 低压高精度运算放大器以便于集成整合到后端 芯片中制成s o c 。因为测试测量中需对微弱信号进行放大处理，于是对高精度运 算放大器研究成为必然，从而推进了高精度运放的发展。 本论文是在对国内外各种模拟低电压c m o s 运算放大器做了广泛的研究，分 析其工作原理和优缺点，并吸收这些技术成果的基础上而设计的一种高精度 c m o s 运算放大器。本文主要从器件参数、电路结构和版图来分析研究提高精度 而设计的运算放大器。在设计输入级时，采用折叠式共源共栅差动输入结构，同 时采用p m o s 管的差动输入结构，主要是从减小噪声和提高增益来考虑的，同时 对折叠式共源共栅差动输入结构所使用的偏置的电流镜负载是采用了适合在低 压上工作的低压宽摆幅共源共栅结构，提高了运放的精度及工作范围；为了提高 增益和降低闪烁噪声而采用p m o s 构成的共源放大器作为增益级；为了降低随机 失调，增加输出缓冲级。在输出级设计时，考虑高效率，采用了推挽共源级放大 器作为输出级，输出电压摆幅基本上达到了电源电压；为了保证运放的稳定性， 采用了带调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿。 整个电路采用在国内现有标准的2 o u m 的c m o s 工艺参数模型进行设计， 并经过o rc a ds p i c e 工具仿真，仿真结果表明，在直流电源2 o v 的条件下， 输入失调电压达到2 1 7 u v ，直流流开环增益、单位增益带宽积和共模抑制比分别 达到8 7 d b 、1 4 4 m h z 和1 5 0d b ，此外功耗为4 6 m w ，各项技术指标都满足设计要 求。版图设计使用t a n n e r 版图软件，采用优化的版图设计技术进行设计，其版图 面积为5 4 0 5 6 0 u m 2 。 本运算放大器能用于量测仪器、控制系统、医疗领域等面向测试与测量仪表、 汽车电子系统及工业控制系统的电子产品中。 关键词： c m o s 高精度低失调折叠共源共栅 贵州人学电路j 系统2 0 0 8 届硕。 ：论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a sar e s u l to ft h ee l e c t r o n i ct e s ts u r v e yp r o d u c t i nt h em e d i c a lf i e l d 。t h ea u t o m o b il ee l e c t r o ns y s t e m ，t h em il i t a r y a s t r o n a u t i c sd o m a i n sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，i t se a g e rf o rt h eu s eo f t h ec m o sl o wv o l t a g e s h i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p l i f i e rt ob e a d v a n t a g e o u sf o rt h ei n t e g r a t e dc o n f o r m it yt om a k es o ct ot h er e a re n d c h i p i t sn e e dt om a g n if yp r o c e s s i n gf o rt h ew e a ks i g n a li nt h et e s ts u r v e y ， t h e r e f o r ei tb e c a m en e c e s s i t yt h a tt h eh i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a l a m p l i f i e ri ss t u d i e di n e v i t a b l y ，w h i c ha d v a n c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h e h i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p li f i e r t h et h e s i sh a sd o n et h ew i d e s p r e a di n v e s t i g a t i o na n ds t u d yt ot h e d o m e s t i ca n df o r e i g nt e c h n o l o g i e so fa n a l o g y1 0 wv o l r a g e ，a n da n a l y z e d t h ep r i n c i p l e so fw o r k ，m e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h e s et e c h n o l o g i e s i td e s i g n sah i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h i sa r t i c l em a i n l ya i m a tr e d u c e st h ei n p u to f f s e tv o l t a g et ol a u n c ht h er e s e a r c ha n dd e s i g n o p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h e s t r u c t u r eo f i n p u ts t a g e a d o p t e d f o l d e d c a s c o d e i no r d e rt or e d u c et h et w i n k l en o i s e t h ei n p u t d i f f e r e n t i a ls t a g eu s e dp m o st u b e s i m u l t a n e o u s l yt h eb i a sc u r r e n tm i r r o r l o a do ff o l d e d c a s c o d ed i f f e r e n t i a li n p u ts t a g ew a so f f e r e db yt h ew i d e s w i n gc a s c a d ew h i c hc a nr u nu n d e rl o wv o l t a g en o r m a l l y ：t h ep m o st u b e c o m m o n s o u r c ea m p l i f i e rw a sa d o p t e di nt h eg a i ns t a g ef o rt h es a k eo f r e d u c i n gt h e 。t w i n k l en o i s e ：w h e nd e s i g n i n go u t p u ts t a g e ，i no r d e rt o e n h a n c et h ee f f i c i e n c y ，i tu s e st h ep u s h p u llc o m m o n s o u r c es t a g e a m p lif i e ra st h eo u t p u ts t a g e ，t h eo u t p u tv o l t a g es w in gb a s i c a ll yr e a c h e d t h es u p p l yv o l t a g e ：t h en o r m a ls o u r c eo ft h et h e s i sa d o p t e du s et h e t r a d i t i o n a ln o r m a lc u r r e n ts o u r c eb a s e do nt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r ：i n o r d e rt ow o r ks t a b i l i t y t h ea m p l i f i e ru s e st h em i l l e rc o m p e n s a t e t e c h n o l o g yw it haa d j u s t i n gz e r or e s i s t a n c et oc o m p e n s a t et h eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e r t h ee n t i r ec i r c u i tu s e st h es t a n d a r d s2 o u mc m o st e c h n 0 1 0 9 i c a l p a r a m e t e rm o d e lt oc a r r yo nt h ed e s i g n a f t e rt h es i m u l a t i o nt o o lo fs p i c e o fo rc a d 。t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h eo f f s e tv o l t a g ea c h i e v e s2 1 7 u v ， t h ed i r e c t c u r r e n to p e n l o o pg a i n ，t h eu n itg a i nb a n dw i d t ha n dt h ec o m m o n r e j e e r i o nr a t i 0r e s p e c t i v e l ya c h i e v e s8 7 d b ，1 4 4 m h za n d1 5 0d b ，e a c h t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o ns a t i s f i e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t su n d e rt h e d i r e c tp o w e ro f 2 o v ，b e s i d e s t h ep o w e rc o n s u m p t i o ni s4 6 m w t h e l a y o u td e s i g nu s e st h et a n n e rl a y o u ts o f t w a r e ，u s e so p t i m i z e dt h el a y o u t d e s i g nt e c h n i q u et oc a r r yo n t h ed e s i g n ，t h ea r e ao fl a y o u ti s5 4 0 5 6 0 u m 2 t h i so p e r a t i o n a la m p l i f i e rc a nu s ei nt h em e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h e c o n t r o ls y s t e m ，t h em e d i c a lf i e l da n ds o o nf a c et ot h et e s ta n dt h e u 贵州人学l u 路j 系统2 0 0 8 届硕i j 论文 m e a s u r i n gi n s t r u m e n t ，t h ea u t o m o b il ee l e c t r o n s y s t e m a n di nt h e i n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m se l e c t r o n i cp r o d u c t s k e yw o r d s ：c m o sh i g h p r e c i s i o nl o w o f f s e tf o l d e d c a s c o d e 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届硕：卜论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：么蔓曼兰 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权贵州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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：壁主兰导师签名：乏12 盔日期：2q ! 量生旦 贵州人学电路与系统2 0 0 8 届硕l j 论文 第一章前言 1 1 论文的背景、现状及意义 近年来，各种电子产品的迅速发展【1 4 】，推动了模拟集成电路的快速发展， 高精度运算放大器作为集成电路的一个重要分支，越来越受到人们的重视。在一 些精密测量和精密数据采集领域，要求所使用的运算放大器具有较高的增益、高 共模抑制比、低失调电压以及低温度漂移。这样高精度运算放大器还广泛应用于 高速模数转换器( a d ) 、数模转换器( d a c ) 、开关电容滤波器、带隙电压基准源 和精密比较器等各种电路系统中，成为了模拟集成电路和混合信号集成电路设计 的核心单元电路，其性能直接影啊电路及系统的整体性能。同时，现代集成电路 特征尺寸越来越小，也导致集成电路产品的工作电压及功耗越来越低，这样待处 理的信号越来越微弱，这就要求有更高精度的运算放大器。所以，高精度高性能 运算放大器的设计一直是模拟集成电路设计研究的热点之一，以求折衷地满足各 应用领域的需要。而通用运算放大器显然不能满足这些要求。 尽管数字电路起着越来越重要的作用，数字化已经成为当代电子产品的发展 方向，但模拟电路作为数字电路的基础，仍然起着不可替代的作用。大量电子设 备的原始信号均为模拟信号，如电磁记录、扬声器、麦克风、c c d 等，它们所 产生的信号均为模拟信号。这些信号在进行数字处理前必须先经过模拟信号处 理，如放大、a f t ) 转换等。同时，数字化处理以后的信号必须再次还原为模拟信 号，才能重新为现实世界所接受。近年来，单片系统集成s o c ( s y s t 锄o nc h i p ) 发展非常迅速。然而，从技术角度看，数字系统的单片集成并不困难，难点在于 模拟部分的单片集成。在c m o s 工艺同益发展的今天，采用c m o s 技术制造的 低电压高精度模拟电路的设计过程已经成为人们研究的热点。在新的设计需求 下，如何设计出性能合适的电路是我们需要研究的主要方向。 从上世纪6 0 年代中期以来，集成运算放大器技术得到了极大发展 2 3 】。与 传统的双极型运放相比，m o s 工艺的运放在增益、速度特性方面略差。但是m o s 运放集成度高，噪声小，而且可以在低电源电压下工作，所占面积只是同等双极 贵州大学l ! l 路0 系统2 0 0 8 届颁上论文 型运放的2 0 或者更小。随着器件的特征尺寸不断缩小，m o s 运放更由于其可 以等比例缩小的特性，得到了极大发展。 现在，针对其应用，c m o s 运放已经被广泛应用在几乎所有的电子系统设计 中。除了通用的运算放大器模块以外，针对某些特殊场合的应用，又形成了对运 放某项性能参数的特殊要求，产生了高速型、宽带型、低功耗型等不同种类的运 放。现在，对于运算放大器主要有下列几个方面的发展课题：( 1 ) 低压运算放大器， 主要在低电压状况下保证工作特性( 2 ) 双极性运算放大器，主要在于改进电路的 输入特性( 3 ) b i j e f t ，主要在于改进其输入电路噪声；( 4 ) 混合运算放大器，主要 在高速和大电流缓冲中应用( 5 ) 单片功率运算放大器，散热问题使其发展的主要 障碍；( 6 ) 仪器用的高精度运算放大器，它在输入失调电压和i 电流方面要求很严 格；( 7 ) 介质隔离运算放大器，在抗辐射方面的到了很好的应用。然而，随着电 子技术的飞速发展，电子器件的电源电压越来越低，针对低电压情况下如何保持 运放的性能精度及指标，获得较好的稳定工作状态，己经成为当前设计的热点问 题。 然而，针对c m o s 高精度运算放大器及其失调的研究成果 8 ，在国外有 成品，而在国内存在很多研究论文。目前，在国外出现的c m o s 高精度运放成品 有国家半导体公司生产的l m c 6 0 6 2 6 0 8 2 ，其输入失调电压小于1 5 0 u v ；凌特公司 近期推出低噪声、高精度c m o s 运算放大器系列的最新成员l t c 6 2 4 4 ，其失调电 压小于3 0 0 u v ，l t c 6 0 8 l l t c 6 0 8 2 的最大失调电压小于7 0 u v ；然而，在国内出 现c m o s 高精度运放成品几乎没有，但对其进行研究的有很多，主要集中在复旦 大学、东南大学、电子科技大学等一些教学机构，以及出现一些研究论文，其失 调电压有低于3 0 u v ，采用相关技术有达十几微伏、几微伏，甚至低于一微伏。 i 两精度运算放火器般指o i ，a 输掰；结果( 乜愿信号) 的精准度，是以输入失 调电，汪为判定艇准，美网阑家：? 眺体称低一j 二1 m v ( 毫伏) 邵腾高精度运放，而德 州仪器把低r0 5 m vt 即5 0 ( ) t i v ) 4 算怒高精度( ) l ，a 。 目前，对于已经存在的降低失调的技术 3 】 5 】f 1 9 】 2 6 ，主要有自动调零( 或 自动稳零) 技术、基于斩波技术的失调消除技术、偏置微调技术。本文的目的是 根据的需求，不采用特殊技术的条件下设计个低电压下种高精度的c m o s 运算放大器。与传统运放相比，它主要具有以下特点：( 1 ) 具有低的输入失调电压 贵州大学电路j 系统2 0 0 8 届硕：l ：论文 ( 小于3 0 u v ) ；( 2 ) 具有高的开环增益且在低频段保持稳定；( 3 ) 结构简单合理， 有助于降低功耗。 高精度运算放大器的运用范畴很广，在产业领域中可用于量测仪器、控制系 统、h a v c ( h e a t i n g ，v e n t i l a t i n g ，a n da i rc o n d i t i o n i n g ，加热、通风、空调) 、程 序控制、资料撷取系统、a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t ，自动测试设备) 等。 在医疗领域中也有超音波、气体分析、血压计、诊断器、医疗影像系统等，此外 汽车中的引擎管理、传动系统管理，或实验室内的测度计等，都需要运用上高精 度的运算放大器。高精度运算放大器主要面向测试与测量仪表、汽车电子系统及 工业控制系统产品市场。 1 2 本设计的要求和安排 本文介绍一种高精度低失调运算放大器，及其在设计过程中所需要的技术， 包括如何降低偏置电流和失调电压，以及版图设计时需要考虑的问题。同时，还 介绍了这种运算放大器的一些测试方法，以及测试中需要注意的问题。 本论文以降低失调电压为目标及研究对象。采用2 0 u mc m o s 工艺库及其器 件模型，在2 0 微米的n 阱工艺下设计一种高精度c m o s 运算放大器，研究高精 度运放的在国内现有工艺的基础上对其可制造性上进行设计。 通过对运算放大器的原理分析和分析比较 1 7 】，本文给出了合理的设计方 案，设计出两级c m o s 运算放大器和偏置电路，对电路中的折叠共源共栅输入 级、共源级增益级、频率补偿电路和运放的输出缓冲级做了分析说明。然后借助 仿真设计软件o rc a d 的s p i c e 对电路进行了完整的设计和模拟仿真【2 0 】，包括 放大器的开环增益、频率特性、电源抑制比p s r r 、共模抑制比c m r r 、共模输 入范围、差模输入范围、以及摆率s l e wr a t e 等的仿真。结果表明该运算放大器 电路的各项参数均达到或优于设计所需指标。 本文结构安排如下： 第一章说明了开展本课题的背景、现状和意义。 第二章阐述了c m o s 器件的工作原理及对精度的影响 第三章论述了c m o s 高精度运算放大器的定义及指标和运放的基本参 3 贵州人学电路与系统2 0 0 8 届硕士论文 数。 第四章阐述了c m o s 电路的基本单元结构并进行了对比分析。 第五章叙述了c m o s 高精度运算放大器各部分的研究和设计过程，对 放大器的失调，输入级、增益级、偏置电路、系统稳定性等都进行了分析和仿真。 第六章讲述了c m o s 运算放大器的具体版图设计及其本设计c m o s 高 精度运放的版图。对c m o s 放大器的版图的基本单元版图及匹配进行了深入的 分析，并借助版图设计软件t a n n e r 运用所研究的方法对电路进行了版图设计。 4 贵州大学电路j 系统2 0 0 8 届硕士论文 第二章m o s f e t 器件的工作原理 2 1m o s 器件的特性及对精度的影响 m o s f e t 为英文金属氧化物半导体场效应管的缩写，它有n 型和p 型两类， 而每一类又分为增强型和耗尽型两种，所谓耗尽型指的是栅源电压为零的时候， 就存在导电沟道，而增强型指的是当栅源电压为零时，沟道没有导电电流，现 代模拟i c 设计当中，大多数情况下都是使用增强型器件，m o s f e t 有3 个端口， 栅( g ) ，源( s ) ，漏( d ) ，图2 1 1 给出了一个n m o s 的结构，整个器件是做在p 型衬底上的，源和漏是在p 衬底上通过扩散工艺形成的两个n 离子掺杂区域，漏 和源根据其上面所加的电压可以互换，栅极则是加在二氧化硅绝缘体上面的金属 或者多晶层上，与衬底部分隔离开来，当栅极电压超过阀值电压的时候，在源和 漏之间就形成导电沟道，这就是m o s f e t 的工作原理。源漏方向的栅尺寸叫做栅 长l ，与之垂直方向栅的尺寸叫做宽w 。栅的最小长度l 是由工艺来决定的，比 如我们常说的0 s u m o 1 8 u m 工艺就是指栅的最小长度为0 s u m o 1 8 u m ，由于在 制造过程当中，源和漏结的横向扩散，源漏之间的实际距离会比l 略微小一点， 为了避免混淆，定义三= l 一2 三d ， l 是沟道总长度，l e f f 称为有效沟道长度， d 是扩散长度。前面的讨论当中没有考虑到器件的衬底( b ) ，衬底的电位实际上 对器件的性能有着比较大影响，当源和衬底的电位不同时会产生体效应，理论上 来说m o s f e t 应该是个4 端器件。 在互补m o s f e t ，也就是c m o s 技术当中会同时用到n m o s 与p m o s ，p m o s 器件 是将所有的掺杂类型取反，衬底使用n 型，s 和d 掺入p 型杂质。但是实际的生 产时候，n m o s 与p a o s 必须做在同一个晶片上，所以其中的一类型器件就必须做 在一个局部的衬底上，称为阱，现代工艺中一般是将p m o s 做在n 阱中。 5 贵州入学i 【l 路，i 系统2 0 0 8 届硕f j 论文 2 1 1 m o s 管的沟道调制效应 集成电路的发展让工艺上最小可以达到的尺寸越来越小，现代工艺已经进入 了深亚微米时代，目前工艺的最小尺寸达到了0 0 9 u m ，小的沟道尺寸使得m o s 器件的另外一个特性一沟道长度调制效应的影响越来越明显，当栅和漏之间的电 压加大到一定的程度的时候，沟道就会出现夹断的现象，并且是漏源电压越大， 夹断点就越靠近源端，有效的沟道长度l 越小。由于漏源之间的电流越大，电流 随着漏源电流的增加而增加，在建立m o s 管饱和区电流模型的时候，加入一个修 正项兄，得到： f 。= “。c 。等( 一) 2 ( 1 + 2 ) f d2 “。c 。古( 一) 2 () z l 参数五的值反映了场效应管在饱和区工作时漏源电压对沟道电流影响的大 小，它的值越小则电流越理想，五是与沟道长度呈反比关系的一个参数，对于短 沟道器件，它的值比较大，所以沟道调制效应又称为短沟道效应。 2 1 2m o s 管的阀值电压 阀值电压是m o s f e t 中非常重要的一个参数，当栅极上加上电压达到某值 的时候，m o s 器件开始产生导电沟道，这个电压叫开启电压也就是阀值电压。 v 囊v ov 缸 p - 翻业耘_ 图2 1 1 m o s 场效应管是一个金属一氧化物一半导体结构的器件，它实际上可以看作 是一个电容，这个电容的电介质是二氧化硅，两极分别是栅极金属( 或多晶) 层以 及硅表层，在金属和半导体之问加如电压以后，半导体相对的两个面上要产生数 量相等，极性相反的电荷，以图2 1 1 中的增强n m o s 管为例，当上升的时候， 6 贵州人学电路j 系统2 0 0 8 届硕：仁论文 半导体表面的能带向上弯曲，而半导体表面的也由多数载流子耗尽状态转变为少 数载流子的强反型状态。这时候我们称m o s 管开启，这个电压的大小可以表示为： = o m s + 2 ( ：i ) ，+ 骘堕 、一o x 上式的意义很明显，其中的三项分别是m o s 器件达到开启时候需要克服 的3 个电势，其中第一项是金属与半导体的功函数差，第二项是半导体表面达 到强反型所需要的电势，f = ( k t q ) l n ( m l | 6 n ，)q 是电子电荷，m 曲 是衬底的掺杂浓度，第三项则是金属一绝缘体一半导体结构形成的电容上的电势 降，c 。是绝缘层单位面积的电容，q 。是绝缘体内部的电荷，一般来说它是由 工艺所决定的，q b = 4 9 i ，l 柚，是产生强反型时半导体表面的电荷。 由于在实际的制造工艺中每一道工序的不确定性，标称相同的器件都存在有 限的不匹配，又因为是沟道区和栅极中掺杂浓度的函数，而这些掺杂程度在 一个器件与另一个器件间就会产生随机的不同。同时，工艺尺寸的越来越小，小 的沟道尺寸使得m o s 器件的另外一个特性一沟道长度调制效应的影响越来越明 显，当栅和漏之间的电压加大到一定的程度的时候，沟道就会出现夹断的现象， 并且是漏源电压越大，夹断点就越靠近源端，有效的沟道长度l 越小，由于相同 管子的不匹配，这样，就会对运放的精度有一定的影响，但通过优化的版图设计 策略可以减小工艺的影响，这些策略将在第六章进行介绍。 2 2 m o s 管的工作区域 司飘q 一嘲 h 卜专酱t ； 图2 2 1 如图2 2 1 ，当栅极电压高于阀值电压后，源漏之间会产生导电沟道，如 7 贵州人学电路与系统2 0 0 8 届硕：l j 论文 果沟道两端有电压的话，那么就会产生电流，假设m o sf e t 的宽为w ，长为l ， “。为沟道表面电子迁移率，c 。为单位面积栅电容，而很小，那么有： 如= “。i w ( 一) 一互1 咯 上式显示电流会随着的增加而增加，可以得到电流的最大值是在 = 一的时候产生的。此时的值称为饱和电压，表示为： ( 饱和) = 一 ( 2 3 - - 2 ) 2 2 1 线性区 当s ，及 ( 饱和) 时，我们称器件工作在线性区，此 时有： f 。= 铭。c 。了w ( 一) 一吾 如果 1 是个非理想因子，是热电压，= k t q 。 亚阀值效应在多数情况下是有害的，但是有些时候可以利用这个特性，比如 在低功耗运放当中，可以让一些管子工作在亚闭值导电区，以便节省功耗。 2 3m o s 管的小信号模型 m o s 管的小信号模型是一个有助于简化计算的线性模型。它仅在大信号电压 和电流完全可以用直线表示时有效。图2 3 1 示出了m o s 管的线性化模型。 9 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届硕士论文 图2 3 1 在模型中g 如和g 缸是体一漏和体一源p n 结的等效电导。因为这些结通常为反 偏，因此电导非常小。图中各参数具体含义如下： ( 1 ) m o s 管处于饱和区时的小信号模型参数 g b e - - 錾兰o u v8 d g 船= 鍪兰o u v 8 s g m = 善= 砸瓦面砀瓦而丽丽兰扣瓦面丽 o v n c g 。撕= 一= o - i o = g o 、) s 3”2 ( 2i fl + iv s bi ) l 2 2 qgm g 出2 9 。2 丁瓦i d 2 兰，。兄 ( 2 ) m o s 管处于线性区时的小信号模型参数 gm 2 羲圳d ， 1 0 贵州大学电路0 系统2 0 0 8 屈硕士论文 盯岳5 而等知 g 出= ( v g s 巧一) ( 1 + 加脚) + 雨i v i 2 兰p ( v o s 一巧一k 第) 其中，夕兰鳓乞等 在进行人工分析时，不考虑沟道调制效应和衬偏一般用图2 3 2 的小信号简 化模型来简化电路，即有以下关系式： 式。 gd 图2 3 2 l d2 9 m v g $ 如果考虑到沟道调制效应，那么最简化的小信号模型要用图2 3 3 来表 其中，输出电阻为： 一a 一 铲茸1 7 1 2 n s 图2 3 3 扣巳i w ( 吲2 五一舡。 贵州大学电路j 系统2 0 0 8 届硕：l ：论文 如果考虑到衬偏，即源极与衬底的电位不同，那么最简化的小信号模型要用 图2 3 4 来表式。 r g m 62 g 2 4 2 面r + v s b 其中，刁：一g m b 。 g 。 2 q g ，。 + v b s b 一 图2 3 4 2 4m o s 管的噪声及对精度的影响 b s c m o s 器件中有至少三种噪声：散弹噪声、热噪声和闪烁噪声( 1 f ) 。 闪弹噪声与流过p n 结的直流电流有关。通常有： = 2 矿d a f ( a 2 ) 其中，i ：是噪声电流的均方值，q 是电子电荷量，d 是p n 结的平均直流电流， 是带宽，单位为h z 。噪声电流的谱密度为i ：除以a f ，记为f ：a t 。 热噪声是由电子的随机热运动引起的，与器件中流过的直流电流无关。通 常为： e ：= 4 k t r a f 其中，是玻尔兹曼常数，r 是引起热噪声的电阻或等效电阻。 闪烁噪声( 1 f ) 是一种影响较大的噪声源。这种噪声与半导体中以随机方 贵州大学电路勺系统2 0 0 8 届硕二 ：论文 式捕获和释放载流子形成的缺陷有关。与此过程相关的的时间常数由于能量集中 在低频而加重噪声信号。闪烁噪声( 1 f ) 通常有： ，4 = k i 【舌】鲈 其中，k ，是常数，a 是常数( 0 5 2 ，b 是常数( 1 ) 。其它噪声在c m o s 器件中不 占主要地位。 c m o s 中的噪声可以用电流源与如并联连接的模型来表示。这个电流源表示 两个噪声源：热噪声和闪烁噪声。均方噪声电流源定义为： 科挚掣+ 器，鲈c 其中： ，7 = g 妇g 。 k f = 1 0 - 2 9 闪烁噪声系数( f a ) 同时均方电流也可以折算到m o s 管栅极上，将上式除以g 三可得： e ：乓： 8 k t ( 1 + q ) + 生 ( y 2 ) “g 二3 9 。2 f c 似耽 。 当通过m o s 管的信号在频率低于i o o k h z 时，1 f 噪声是噪声源的主要部分。 因此，在很多实际应用中，上式的等效输入均方电压噪声简化为： 2 _ 一丽沥k fi ( y 2 ) 也可以表示为输入噪声谱密度。所以有 k fb 2 f c o x w l k7 咒 ( 矿2 h z ) 式中，b 对于给定工艺下的n 沟道或者p 沟道管是常数。右边的表达式在优化噪 声性能的设计上很重要。 针对上述噪声对精度的影响，通过使用差分输入级能够抑制或减小输入级 噪声；通过增加缓冲级，设计缓冲级管子的适当尺寸，可以抵消一部分其它管子 产生的噪声，减小系统失调，从而提高运放的精度。 = 吒一矽 = ：劾 贵州人学电路与系统2 0 0 8 届硕： ? 论文 第三章c m o s 运放的原理及性能指标 通过前面对m o s 器件的特性、工作区域、小信号模型的介绍与分析，下面 我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参数，主要有丌环增益、 单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声和失调等。在后而的设计中，我们将 进一步说明对每个参数的取舍以及折中的处理办法。 3 1 理想运算放大器 理想情况下，运算放大器具有无限大的差模电压增益、无限大的输入电阻和 零输出电阻实际上，运算放大器的性能只能接近这些值多数无缓冲运算放大 器的应用中，大于等于2 0 0 0 的开环增益已经足够运算放大器的电路符号如图 3 1 1 所示图中，在非理想状态下，输出电压v o u t 的表达式为： v o u t = a v ( y l v 2 ) a v 表示丌环差模电压增益。1 ，和v ：分别是作用在同相端和反相端的输入电压。 毪如 v s s v e t t t - - a v ( ! 一l j ) o - 一，m 一一一一m 一 * 。) 图3 1 1 如果运算放大器的增益足够大，在负反馈时运算放大器的输入端就成为一 个零子端口。零子端口对网络而言是这样的端口：当端口上的电压为0 时，流入 或流出这个端口的电流也是0 。如果我们定义： v ，= v 1 v 2 和 i ii i 2 一i 2 1 4 贵州人学电路与系统2 0 0 8 届硕i j 论文 那么 吩2 i j 20 这个概念可以使带负反馈的运算放大器的分析非常简单。 p 2 图3 1 2 图3 1 2 示出了一个用运算放大器构成的电压放大器。输出通过r 2 接至反 相输入端，提供副反馈通路。输入既可以加在同相输入端也可以加在反相输入端。 如果仅提供v i n p 信号( v i n n = o ) ，电压防大器称为同相放大器。如果仅提供v i n n 信号( v i n p = o ) ，电压放大器称为反相放大器。 3 2 c m o s 运放的特性及参数 实际的运放不可能具有无穷大的电压增益，也不可能有无穷的输入阻抗以及 零输出电阻。为了能清楚地了解运算放大器的各项性能参数，图3 2 1 是实际运 放的模型。这里，r i c m 表示的是共模输入电阻，接在每个输入端与地之间；r i d c i d 表示有限的差分输入阻抗；i b 、i b 2 是两路偏置电流。 1 5 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届碳? f j 论文 i 0 图3 2 1 一般，实际的运算放大器主要有以下性能指标： ( 1 ) 开环增益。开环增益是指未加反馈网络或反馈系数为零时，放大器对 输入信号的放大倍数。 ( 2 ) 带宽与单位增益带宽。带宽的定义是放大器的增益降低到直流值的- 3 d b 时所对应的频率。单位增益带宽是增益为1 ( o d b ) 时对应的频率。单位增益带 宽等于带宽与直流增益的乘积。 ( 3 ) 相位域度。为了避免放大器闭环应用时发生振荡，需要放大器开环有 一定的相位域度。 ( 4 ) 输入失调电压。输入失调电压等于运放的两输入端都接地时，使输出 电压为0 时在输入端所加的电压。 ( 5 ) 共模抑制比。共模抑制比是用来横量放大器对共模输入信号抑制能力 的一个参数。理想运放只是对两输入端信号中的差模部分进行放大，共模部分被 相互抵消了，因此，理想运放的共模抑制比是无穷大。但在实际的运放中，c m r r 是一个有限值，定义为： | c m r r ：i - 二竺l a v ，c o r n 有限的c m r r 用一个压控电压源土一来模拟。 c m m r 1 6 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届硕士论文 ( 6 ) 电源抑制比。用来衡量电源电压变化对运放输出电压变化的影响，其 定义为 嘟贮急“s ， 理想情况下，运放的p s r r 是无穷大的，即电源电压的变化对输出没有影响。 ( 7 ) 输出电压摆幅。这个参数指的是运放维持高开环增益时的输出电压范 围、， ( 8 ) 压摆率。所谓的压摆率是指大信号输入时，输出电压最大的变化率， 是由对电容冲放电的最大电流决定的。 ( 9 ) 建立时间。这个性能参数是指当运放受到一阶跃大信号激励，输出电 压达到一定精度内的最终值所需要的时间。这个参数对模拟采样电路而言非常重 要的，因为建立的时间越长，电路对模拟信号的处理速度也会越慢。 ( 1 0 ) 噪声。根据线性噪声网络的电路理论，任何噪声双端口电路都可以 用一个无网络与两个端口噪声源代替。图3 2 1 中的、f ：就是用来模拟实际 运放的噪声的。在设计中，需要对m o s 管子的尺寸及电阻元件进行优化，从而尽 量减小电路的噪声。噪声特性基本上与差分放大器的特性相同。 3 3c m o s 高精度运算放大器的主要性能指标 c m o s 高精度运算放大器的主要性能指标有高增益、低失调和低输出电阻特 性。 1 ) 低失调 高精度运算放大器的定义是指o p a 输出结果( f 睦压信号) 的精准度，。 般是以偏移电压c v o s ，o s = o f f s e d 为判定基准，美国囡家半导体的定义怒低 予l m v c 毫伏) 即属高精度运放，丽德州仪器的定义则琏委低_ f ：0 5 m y ( 即5 0 0 u v ) 才镎是t 留精度o p a ，不过定义方向敛，j 仃私度之别 理想情况下，如果我们把运算放大器的两个输入都接地，则输出电j 玉应为 零。实际上，输出电压并不为零，因为输入级存在失配，这种情况被称为随机失 1 7 贵州火学电路与系统2 0 0 8 届硕士论文 调。输出电压不为零还有另一个原因，及第二级的输出电压没有很好的设定，导 致出现系统失调。系统失调在最坏情况下为： = 罢或罢 。 运算放大器的失调电压可以模型化为：在一个无失调电压的运算放大器的同相输 入端串联一个直流电压源。把运算放大器的反相输入端接地，对同相输入端进行 扫描，可以对系统失调加以防真，输出为零时的输入电压为输入失调电压。可利 用叉指技术和共质心版图设计技术等优化的版图技术使氧化层梯度和其他工艺 偏差引起的差分输入级失配最小，从而降低随机失调。将在第六章进一步讲述这 两种技术，在第五章讲述减小系统失调所采用电路。 2 ) 高的开环增益 从( 3 1 ) 可知，要降低失调，就要达到足够高的开环增益。提高增益的方 法有：通过增加增益级来增加增益，通过增大输入级有源负载来提高增益，利用 单管增益自举来改善增益。本论文主要通过增加增益级和增大输入级有源负载来 提高增益，在第四章和第五章将有较详细的分析。 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届硕 ：论文 第四章c m o s 基本电路分析 前而我们介绍了电路的一些指标，这里我们对具体的基本电路进行分析。 主要介绍当前的一些全差分运放的结构，主要是基本的差分结构、折叠式输入差 分对、电流镜、基本补偿电路以及失调的分析，介绍其性能特性以及详细的电 路分析。 这里我们对电路具体结构做的是一个比较详细的介绍，这是我们进行具体 设计的一个前提工作。对于运放的使用范围的广泛性，使得我们在进行设计的时 候，要根据具体的性能要求作出适当的选择，然后进行优化，以实现其要求。并 且，对基本的电路的分析，也是我们进行课题设计的第一步。 4 1 基本放大器 单级放大器是c m o s 电路中的最基本的电路，许多复杂的电路也就是由这 些基本放大器结构组成。根据电路结构的不同，放大器的种类很多，特性也很多， 有些增益高，但是输出电阻大，有一些输入范围大，但是增益比较小，要根据不 同的应用场合来选择合适的结构，以下是几种基本的放大器的介绍。 4 1 1 有源负载反向器 垒 趵士1 ( b ) 图4 1 1 图4 1 1 ( a ) 是一个有源负载反相放大器，n 管m 1 作为输入管，p 管m 2 的 1 9 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届硕j 二论文 栅极与漏极短接作为一个二极管连接方式的有源负载。它的等效电路如图4 1 1 ( b ) 所示，由等效电路可以得到： g 。，。+ v o u t + 堡+ 坐：o g m l + g m 2 二r a 孚s l + 二r a s ；z 2 0 可得： 一v o u t g m l a i ，2 2 一 所聆 g 。2 + ( 1 r d s l ) + ( 1 r d s 2 ) 一般情况下体电阻，、仫：相当大，上式可简化为： 同时可得输出电阻： v o u t g 。l v i n g 。2 。 11 1 r 矿瓦可丽雨云 可以看出二极管连接m o s 管作为有源负载方式的反相器输出电阻比较小， 它的增益则由负载管和输入管的宽长比的开方来决定，所以不会太大，在需要高 增益的场合应用不多。 4 1 2 电流源负载反相器 毪鼢 苗。 ( a )( b ) 图4 1 2 图4 1 2 是一种电流源负载的反相放大器，负载管m 2 的栅极加个恒定的 偏置电压，在忽略沟道长度调制效应的情况下，选择合适的偏值电压，让m 2 工 2 0 贵州大学电路与系统2 0 0 8 届硕： 论文 作在饱和区