开题+报告+吕广兴---修改+6.doc

毕业设计（论文）开题报告题 目：石英陀螺中低功耗运算放大器设计院 （系） 航天学院 专 业 电子信息科学与技术 学 生 吕广兴 学 号 1102100509 班 号 1021202 指导教师 高志强 开题报告日期 哈尔滨工业大学教务处制2008年3月说 明一、开题报告应包括的主要内容1课题来源及研究的目的和意义；2国内外在该方向的研究现状及分析；3主要研究内容；4研究方案及进度安排，预期达到的目标；5为完成课题已具备和所需的条件和经费；6预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施；7主要参考文献。二、对开题报告的要求1开题报告的字数应在3000字以上；2阅读的主要参考文献应在10篇以上，其中外文资料应不少于三分之一。本学科的基础和专业课教材一般不应列为参考资料。3参考文献按在开题报告中出现的次序列出；4参考文献书写顺序：序号 作者.文章名.学术刊物名.年，卷（期）：引用起止页。三、如学生首次开题报告未通过，需在一周内再进行一次。四、开题报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字： 检查日期： 一、课题来源及研究的目的和意义 传统的陀螺由于其体积大、成本高,制约了它在很多方面的应用。利用源于微电子制作工艺的微细加工技术来制作惯性器件,容易实现大批量生产,从而可大幅度降低惯性器件的成本和体积,使其能在更广泛的汽车市场及其他工业市场得到应用。石英陀螺机械敏感表头对环境温度变化较敏感。当环境温度变化时，其输出会出现较严重的零位漂移。MEMS石英陀螺发展方向为芯片级集成，此外石英陀螺输出的电荷变化非常微弱，因此需要接口ASIC与石英陀螺敏感结构连接距离非常近。然而石英陀螺接口电路的功耗会导致ASIC芯片上电后发生较大的温度变化，该温度变化很快会传递至敏感机械结构，导致石英陀螺输出产生温漂，间接影响到传感器的上电启动速度。运算放大器是模拟石英陀螺接口电路中的主要基本电路单元，其功耗直接影响整个石英陀螺接口ASIC芯片的系统功耗，因此设计出低功耗运算放大器是实用化石英陀螺接口ASIC芯片研制中的一个关键技术环节。本课题的目的是设计一个低压微功耗CMOS运算放大器单芯片,主要应用于要求功耗和电源电压低的场合。例如MEMS传感器信号放大、便携式电气产品、听力助听器等领域。二、国内外在该方向的研究现状及分析国际上,从1977年Rene A. Vanparys和Roger Cuppens发表了CMOS Analog Integrated Circuit Based on weak Inversion Operation开始,至今已经有200多篇这方面的文章陆续发表在IEEE上面。很多的国外知名公司都在进行低压微功耗方面的研发工作,并且己经推出了自己各自的产品。美国微芯公司最新推出的MCP6O4X系列运算放大器典型电流仅有600nA,并且输入输出都为轨至轨结构。有14kHz的增益稳定的增益带宽积(GBW),工作电压范围从5.5伏低至1.4伏。美国Maxim公司生产的低压、微功耗精密运算放大器MAX406在整个工作电压范围内,其典型工作电流为1uA,几乎不变。意法半导体的新系列低功耗运算放大器TSV85x和LMV82x运算放大器配备关断引脚选项，可将芯片的电流消耗降至零。TSV85x和LMV82x两个系列的A级产品均拥有极低的失调电压，能够降低设备厂商调试成本。意法半导体日前宣布推出TSU10X纳米功耗（nanopower）运算放大器，这是意法半导体的微功耗（micropower）运算放大器系列产品之一，在整个工作温度范围内具有超低的功耗表现。当静态电流是主要考虑的参数时，该产品可为设计人员实现优化系统功耗和电池使用寿命。新推出的系列产品TSU101、TSU102和TSU104分别是单、双和四运算放大器，每个运算放大器消耗的电流低于典型锂电自放电电流，TSU10x让使用钮扣电池的设备具有更长的工作寿命，例如能量收集系统、个人医疗监视仪、烟雾报警装置、被动红外侦测器、无线传感器、安全摄像头和智能标签等应用。圣邦微电子(SG Micro)最新推出的SGM8141单通道超低功耗运算放大器，静态电流低至380nA，最大失调电压2.5mV，温度漂移2V/，输入电压为1.4V5.5V，增益带宽积为5KHz，速率为1.5V/ms，共模抑制比为80dB，电源噪声抑制比为80dB，温度范围达到工业标准40C 到+85C，并采用SOT23-5，SO-8和MSOP-8的小封装。主要应用于对产品功耗有严格要求的领域。德州仪器TLV2322, TLV2322Y, TLV2324, TLV2324Y低压低功耗运算放大器通过优化电路结构,使MOS器件工作在亚阈值区1，获得较低的功耗。帝奥微电子为了满足微传感市场的需要，特开发了一款DIO2051/2052芯片来满足客户的需求。DIO2052/DIO2051 有宽的共模输入范围和宽的输出电压摆幅，电源工作电压从2.1V到5.5V，温度工作范围从-40到125。DIO2052/DIO2051的bandwidth是500kHz，每个通道的静态功耗是16uA。采用CMOS的输入，可以得到非常低的输入偏置电流(0.5pA)。电源电压为5V，电阻负载是5K欧姆的条件下，输出范围可以达到0.14.9V。高的CMRR和PSRR。低的静态功耗。同时，DIO2052/DIO2051具有低的offset(小于1mV)，低的输入噪声，在大于10kHz，20nV/sqrt(Hz)在国内,由于受到工艺条件、基础研究与设计水平的限制,在CMOS低压低功耗特别是微功耗运放的研发方面才刚刚开始,复旦大学,东南大学,西北大学等都在进行这方面的研究工作。南开大学陈宇,牛秀卿在2000年设计出一种工作电压为3V,带宽为1.8M,线性输入范围2.5V2.5V,功耗为53-139uW的运算放大器1。与国外还有很大的差距,研究开发具有自主产权的低压微功耗运放变得非常重要。三.主要研究内容1.进行前期的资料收集，对国内外报道的相关CMOS微功耗运算放大器及偏置电路的电路结构进行了深入的分析研究，对相关国外己有产品的性能参数进行了比较。完成运放参数的制定。2.设计出三级CMOS微功耗运算放大器和偏置电路，特别对其中低压输入级、中间放大级、输出级结构、偏置电路、电路的频率补偿以及噪声特性进行详细的分析和设计。3.对低压微功耗运算放大器的模拟仿真。4. 结合电路的特殊要求和器件匹配在版图设计中的考虑，完成了最后的版图设计。四、研究方案及进度安排，预期达到的目标1.低功耗运算放大器研究方案通常情况下,CMOS的功耗主要有两个方面组成即动态功耗和静态功耗。电路的动态功耗正比于电源电压的平方,静态功耗正比于电源电压2,因此,降低电源电压是减少电路功耗的有效方法。然而,降低电源电压会带来电路性能的下降,导致电路工作电流的减小和工作速度的降低,动态范围和噪声容限也受到限制。从工艺上说,低工作电压下能减少寄生电容和体效应,从而降低功耗,但其价格昂贵,限制了其在电路设计中的应用。因此,从改进电路设计的角度提高低电压电路的性能,成为目前最值得关注的发展动向。国际上,用于低压低功耗电路甚至微功耗的模拟电路设计方法主要有三种:1.浮栅MOS器件2.衬底驱动电路3.亚阈值区工作电路4,前两种方法在工艺实现及兼容性方面存在的一些问题,尚未获得普遍的应用。工作在亚阈值区的MOS管其漏源电压可以降到100mV数量级,使得低电源电压下亦有可能获得足够大的电压摆幅;并且静态电流比较小,在工艺的实现以及兼容性方面也都不存在问题,成为目前微功耗模拟电路设计的主流方法。本文所设计运放的总体结构框架如图所示,总的电路由三大部分组成:输入级,中间级，输出级以及偏置电路。图4-1.低压微功耗运放的总体框图通过查阅文献和资料，设计出几种备用方案如下。1.2方案一图4-2.方案一电路图图4-2显示了简化的示意图，该放大器包括三个增益级。第一级（由M9晶体管和M1-M4组成），第二级（由M1-M4和M10组成）是标准的差动放大电路，第三级（由M11-M12组成）是class-A输出结构。第一级差分级直接被第二增益级夹断形成一个复合增益级。这确保了在该门上的直流工作点晶体管M5和M6是大约在同一水平。因此，节点电压VA和VB的第一阶段将被迫彼此跟随由第二差分增益级。因此该复合增益级提供了内在的跟踪机制，以减少系统性偏差，从而提高稳定性55。1.2.1低失调设计由于不完美的制造与非理想设计参数，电路偏移是不可避免的。因此输入失调电压制约放大器的第一级，可以得到： (4-1)其中Vt1是晶体管M1的阈值电压 ,VovP表示为p沟道差分对栅极驱动偏置， 和VovN表示用于n型沟道的有源负载栅极过驱动偏置。偏移量可以通过以下方式最小化：匹配晶体管对（M1-M2选择大尺寸 ），小栅极过驱动偏置电压的差分输入对（M1-M2）和大栅过驱动偏置电压的有源负载（M3-M4）。第二增益级同理。1.2.2 共模抑制比CMRR是评估放大器设计的匹配程度有多好关键手段。它可以被归类为系统共模抑制比和随机CMRR。系统共模抑制比: (4-2) 该电路设计具有有限的跨导或不足够大的输出电阻，为减小失配系数的影响在设计放大器时将控制整体的CMRR。1.2.3噪声优化在CMOS运算放大器的噪声源主要由闪烁噪声和热噪声起源组成。闪烁噪声分量通常是比热噪声成分在低于1kHz频率在典型的偏置条件下。噪声贡献通常由第一增益级为主。第一PMOS差动级的噪声分析为： （4-3）下标n表示n沟道器件，下标p表示p沟道器件。下标dp代表差分对和下标mir表示镜像电流。可以被观察到较大的Lmir和Wdp的值，较小的1/ f噪声。通过对Ldp微分设置导数为零,相对于最低输入参考电压： （4-4）因此，通过选择最佳值的差分输入对沟道长度和选择较大的为Lmir和Wdp之值，输入参考的1 / f噪声被最小化7。1.3方案二AFCB结构图4-3.AFCB三级放大器的电路图AFCB 放大器8使用 AFCB 模块进行频率补偿，克服了结构上颇具优势的 AFFC (Active Feedback Frequency Compensation)放大器中current buffer输入阻抗高、单位增益带宽窄、功耗较大的缺点。AFCB 模块中的负反馈机制，可以有效降低其输入阻抗。图 4-3给出了 AFCB 三级放大器的电路图。该放大器的第一级为典型的折叠cascode 结构，用来增加放大器的共模输入电平的范围，输入级由 MOS 管 M11-M18 组成，其中差分对M11-M12实现跨导gm1；MOS管 M21-M24 为放大器的第二级，能同相放大输入信号；放大器的第三级gm3 由M31 实现，而 M32实现放大器前向跨导级 gmf；MA1 和 MA2 实现AFCB级，MB1，MB2，MB3为 MA1，MA2 的偏置电路。为了优化补偿电容 Ca 和 Cm 的大小，需要对放大器的带宽和相位裕度进行折中9。图4-4.AFCB的小信号等效电路通常，C1、C2、C3Cgs5，C3C2、Cdb4，gdsigmi、gmbi，考虑这些条件，AFCB的输入阻抗为： （4-5）由公式4-5可知，减小寄生电容 C2、C3、Cgd5及 Cdb4的大小可以使 AFCB 在很宽的频率范围内具有较低的输入阻抗，因此，在设计AFCB时，应尽量减小M4，M5和M6的宽长比。若|Zin|1MHz（相位裕度60。，负载电容50pF，负载电容50k欧姆）；(3).转换速率5V/us（负载电容10pF）(4).直流开环增益100dB；(5).噪声密度： 1uV/Hz1/2（10Hz）(6).谐波失真-80dB（反相放大10倍，负载电容10pF，负载电阻100k欧姆）；(7).（仿真条件下）失调电压0.1mV，失调电压温度系数1uV/；(8).输出范围：0.54.5V；(9).工作温度范围：-4085五.为完成课题已具备和所需的条件和经费1. 已具备条件：通过开题准备阶段的学习，基本掌握了一些简单的低功耗运算放大器的设计方法，能够设计带有折叠式二级共源共栅运算放大器，同时也掌握了一些实验室软件的基本使用方法，对所设计课题的基本原理也有所了解。2. 所需条件 无6. 预计研究过程中可能遇到的困难和问题，以及解决的措施1.可能遇到的困难和问题由于实验环境的限制可能会达不到所预期的指标，这时应修改参数使之达到合理的范围内。芯片未投片，不能对芯片的设计作很好的验证。只能进行仿真分析，故可信度不高。工作在亚阈值区的器件可以获得较大的增益，但是由于只有当器件宽度W大或漏电流小才能满足这一条件。如果器件的漏极电流太大，管子就会进入到强反型区。尽管可以通过增大器件的宽长比来使得器件工作在弱反型区，但增大宽长比也是有限度的，因为增加器件尺寸的同时也会增加它的寄生电容1920。因而亚阈值电路的速度是非常有限的。2. 解决的措施合理设计电路和MOS管宽长比,尽量达到所设计的目标。7 参考文献:1陈宇.牛秀卿.工作在亚阈值区CMOS OTA的研究M.南开大学学报(自然科学版)2000.1:1-2.2Behead Razavi.Design of Analog CMOS Integrated CircuitsM.New York:Me Grawn-Hill,2001.3J.P1mentelF.Salazar.M.Pahoehoe.Y.Gabriel,Very-low-Power analog cells in.CMOSJ.IEEE Journal of Circumstanced 2000，Vol.l，8-11，Aug:20004.7-52.4D.Johns,K.Martin.Analog Integrated Circuit Designing M,Canada,John Wiley&Sons.Inc,1997:65-71.5翟艳，杨银堂，朱樟明，等.一种基于SOC应用的Rail-to-Rail运算放大器IP核J.西安电子科技大学学报，2005.32(1):112-113.6X.L. Zhang and P.K. Chan ,An Untrimmed CMOS Amplifier with High CMRR and Low Offset for Sensor Applications.Circuits and SystemsM.IEEE Asia Pacific Conference 2008.3:802 - 8057X.L. Zhang and P.K. Chan. An Untrimmed CMOS Amplifier with High CMRR and Low Offset for Sensor ApplicationsM. School of Electrical and Electronic Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 2009.8严祖树.反馈理论与放大器的频率补偿 M.中国航天科技集团,2006.4.9Manju Sandhu Design of Low Voltage Low Power Operational AmplifierC.Advanced Computing & Communication Technologies (ACCT), 2012 Second International Conference on 2001.620 - 625 .10Hamed Aminzadeh.Hybrid cascade feed forward compensation for nano-scale low-power ultra-area-efficient three-stage amplifiersM. Microelectronics Journal 2013:356-442.11Phillip E Allen，Douglas R Holberg著.冯军，李智群译.CMOS模拟集成电路设计M.北京:电子工业出版社，2005:198-357.12王红燕.低压低功耗Rail-to-Rail 运算放大器设计:(硕士学位论文)D.成都:西南交通大学,2011.2.13Ru Bei.De