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最新开题报告模板最新开题报告模板 西北工业大学本科毕业设计开题报告专业微电子学班级RJ020902姓 名孙国栋学号xx303597指导教师魏廷存报告题目高性能低噪声运算 放大器设计题目 划 科研 生产 实验室 其他 论文类型 划 工程设计类 实验研究类 软件开发类其他 报告日期xx年3月8 日报告地点西工大高科工程园6号楼109 一 课题背景正电子发射断层 Positron EmissionTomography 简称为PET 成像 1 2 是一种无创的能够再 现体内生物分布的分子成像技术 它代表了现代生物医学成像的最尖端技术 在全身肿瘤和心脏等疾 病的早期诊断和治疗方面有巨大的临床应用价值 PET成像中辐射探测器的前端电子系统的性能将直接影响PET最终获 得图像的质量 这是因为前端信号读出处理电路直接处理探测器模块的微弱电信号 要检测这样的信号需要低噪声的前端读出电路 因此 研究低噪声前端微弱信号读出电路对提升整个PET系统的性能 非常必要 随着CMOS工艺的不断发展 器件尺寸不断减小 电源电压不断降低 集成电路体现出低电压 高集成度的特点 但是 MOS晶体管自身存在很大的噪声 并且MOS器件的闪烁噪声随 着栅极长度的减小会大大增加 因此 在很多应用领域降低噪声成 为衡量运放性能的主要指标之一 文献 3 主要介绍了在医学神经领域测量微弱神经信号的放大器设计 在神经信号测量中 电极的刺激会使输出产生较大的失调电压 O ffset Voltage 所以CMRR指标在该系统中非常重要 表征了对输入共模 噪声的抑制能力 文中的设计采用了三级结构 分别为Gm C前置放大级 带通滤波器 BPF 和电平转换级 Gm C结构补偿比密勒补偿更加稳定 BPF可以过滤目标信号之外的噪声 信号 达到低噪的要求 为了驱动后级电路 最后一级采用源跟随 器实现 提高电压摆幅 文献 4 提出了一种用于皮质神经假体的低噪声 低功耗放大器设计 共有三级组成 低噪声可变增益放大器作为第一级 低跨导高通滤 波器为第二级 低通Gm C放大器作为最后一级 文章提出了低噪声放大器的一些必须满足的指标可变增益在500倍左 右 极低的功耗 带宽大于1kHz 要减小输入偏压 由于放大器输 入端的电极接入的阻抗不平衡导致 通常在mV级 生物医疗用的低噪声放大器设计通常有2种方法Pure Analog与Dynamic Switching 前者主要由三级运放构成 功耗在mW级 并且需要滤波器件 Dynamic Switching设计分为Chopping和Autozeroing两种 文献 3 6 是以神经医学领域为应用背景展开研究 生物体内神经信号的探 测与接收必须依赖高性能的低噪声放大器来完成 因此当前神经医 学领域的发展对于低噪声 低功耗 高性能前端放大器的需求十分 迫切 而在此领域的低噪声放大器设计也最具挑战性 文献 7 提出了用双极晶体管代替MOS管来做输入级 以降低l f噪声 对于给定的面积 双极晶体管的l f噪声远小于MOS管 并且其l f转 角频率典型值为100Hz 甚至更低 直接将双极晶体管应用于CMOS工艺下 要增加好多步骤 增加了工 艺的复杂性 于是文中采用了称之为Lateral Bipolar的双极晶体管 可以集成在现在的标准CMOS工艺下 文献 8 应用Dynamic ThresholdMOS DTMOS 来实现较低的阈值电压 DTMOS还有低噪声 高跨导和高截止频率等几个优点 然而 DTMOS低的小信号输出阻抗限制了其应用 文献 9 的设计将输入管偏置在亚阈值区 得到较好的噪声特性 其主要的问题在于电流的失配和失调电压的失配 同时 在亚阈值 区 随着电路尺寸的减小 衬底偏置效应也会影响噪声的性能 文中分析了衬偏效应对等效输入噪声的影响 并利用Current DrivingBulk技术实现衬底的反向偏置 在所研究的文献中 大部分的设计采用的主电路结构为共源共栅电 路和输出级电路的两级级联 在生物医学领域的应用中也会在中间 加入一级带通滤波器 两级运放具有比较好的稳定性 第一级电路提供较高的增益 第二 级电路提供较大的输出摆幅以驱动系统后级电路 而低噪声的实现技术主要集中在输入管的优化或者是输入级部分电 路的重新设计 例如将输入管替换成双极晶体管或者JFET 使用DTM OS做输入管和将输入管偏置在亚阈值区等 同时 合理设计各晶体管的尺寸和确定偏置电流也是降低噪声的主 要方法 二 方案介绍 一 本设计的主要研究思路PET前端读出电子微系统如图1所示 DSPLNA VADC图1PET前端读出电路结构图本设计主要研究应用于PET前端读出 电路的低噪声运算放大器 LNA 首先需要研究噪声的原理以及模拟电路中的噪声与构成 研究当前 低噪声技术 低噪声是本设计的核心内容 也是贯穿设计始终的考虑因素 可以将降低噪声在以下几个环节中实现输入电压源对电路输入噪声 的影响 设计低噪声的电路结构 优化设计晶体管尺寸 低噪声版 图设计 其次 深入研究运算放大器的设计方法学 掌握运放的基本结构 主要性能指标及制约关系 因为噪声和功耗 带宽等参数往往是矛盾的 最后 学习Cadence软件并进行仿真验证 Cadence在模拟电路设计中有重要作用 完成电路具体设计后 需要进行功能仿真和版图设计验证等工作 以进一步优化电路设计 二 本设计的主要研究内容1 研究现状及发展趋势了解当前国内外 低噪声放大器的研究现状 结合PET系统对低噪声放大器的需求 研 究当前所能达到的主要技术指标 2 模拟电路噪声理论研究噪声的基本原理与特性 理解CMOS晶体管 的噪声及表达 分析CMOS基本电路结构和单级放大器的噪声特性 得到运算放大器 的噪声性能与其它性能参数的制约关系 在各个指标之间折中考虑 3 CMOS电路基本结构进一步深入研究CMOS放大器的基本结构和工作 原理以及各方面的性能特点 总结适用于低噪声应用的结构 4 运算放大器的设计对于课题所要求的各性能指标 折中考虑 选 择可以达到最重要的指标参数要求的基本结构 然后根据其它性能 指标和电路设计原理知识对电路进行进一步的优化设计 完成主电 路结构的设计 研究补偿电路 偏置电路和共模反馈电路 完成运算放大器的整体 电路设计 根据性能指标的要求 优化噪声 确定各个晶体管的尺寸 5 运算放大器的仿真验证对所设计的放大器电路在Cadence下仿真电 路的性能参数 调整晶体管尺寸 使仿真结果达到所给的指标要求 噪声最优 6 进行版图设计 绘制版图并进行后仿真 验证低噪声放大器结构 的正确性 指导教师意见签名年月日开题评议小组成员开题评议小组意见 包 括对论文的选题 难度 进度 工作量 论文形式意见 1 论文选 题 有理论意义 有实用价值 有理论意义与实用价值 意 义不大 2 论文的难度 偏高 适当 偏低 3 论文的工作量 偏大 适当 偏小 4 进度 可行 不可行 5 学生开题报告中反映出的综合能力和 表达能力 好 较好 一般 较差 6 论文形式意见 可行 不可行 7 对论文选题报告的总体评价 好 较好 一般 较差 在相应的方块内作记号 组长签名评议结论是否同意论文 选题报告 同意 需重作 在相应的方块内作记号 评议 小组组长签名年月日学院意见年月日 1 Salvador S etc Design ofa highperformances smallanimal petsystem withaxial orientedcrystals anddoi capability J Nuclear Science vol 56 P17 23 xx 2 Reivich M Larry RS etc Positron EmissionTomography PET M Encyclopedia ofNeuroscience Oxford Academic Press P771 782 xx 3 Wang CC Huang CC Liou JS etc A140 dB CMRRLow noise InstrumentationAmplifier for Neural SignalSensing C Asia PacificConference onCircuits and Systems APCCAS P696 699 xx 4 Chan CH Wills J LaCoss J etc A Micro Power Low Noise Auto Zeroing CMOSAmplifier forCortical NeuralProstheses C Biomedical Circuits andSystemsConference BioCAS P214 217 xx 5 Bronskowski C Schroeder D etc An UltraLow Noise CMOSOperational Amplifierwith ProgrammableNoise Power Trade Off C Solid State CircuitsConference ESSCIRC P368 371 xx 6 Saberhosseini1S Zabihian1A Sodagar A etc Low Noise OTAforNeuralAmplifying Applications C International CaribbeanConference ofDevices Circuits andSystems ICCDCS P1 4 xx 7 Holman WT Connelly JA etc A CompactLow Noise Operational Amplifierfor a1 2um DigitalCMOS Technology J Journal ofSolid state Circuit 30 6 P710 714 1995 8 Li ZY Yu MY Ma JG etc A NovelInput StageBased onDTMOS forLow Voltage Low NoiseOperational Amplifier C Asia PacificConference onCircuitsandSystems APCCAS P159