运算放大器论文关于CMOS高性能运算放大器的设计探究论文范文参考资料

运算放大器论文关于CMOS高性能运算放大器的设计探究论文范文参考资料 王文龙 摘要院运算放大器是数模混合系统中重要的组成部分，其性能的好坏直接关系到整个系统的运行水平，对高性能运算放大器进行深入研究具有广泛的应用价值。在集成电路设计工艺中，CMOS 以其独特的高集成度、低功耗等优势占据了市场的大部分份额，本文将以CMOS 工艺为例，对其高性能运算放大器的设计要点进行分析。 关键词院CMOS；高性能；运算放大器；设计 1 高性能运算放大器概述 1.1 CMOS 运算放大器的性能指标 运算放大器性能评价的主要指标是选择和应用的主要依据，一般多采用定性或定量的方式对其进行描述。常用的性能评价指标及相关内容可见表1，以下各项性能指标不是孤立存在的，而是互相制约，彼此影响，在实际设计过程中，是对部分关键性指标进行设计。 1.2 高性能运算放大器 由于运算放大器各项参数为互相制约的关系，因此高性能运算器并不是要满足所有参数，而是根据实际需要，对放大器的某项参数进行设计，以使其应用效果达到最佳。高性能运算器一般包括高精度、高速度、低功耗、低噪声或者低失真等几类。 2 CMOS 高性能运算放大器的设计 2.1 增益级设计 运算放大器根据输入结构的不同可分为套筒式和折叠式两种，套筒式运算放大器存在的主要不足是输出摆幅较小，不利于闭环使用；折叠式运算放大器的输出电压浮动较大，可适用于闭环系统，因此具有更广泛的应用范围。 为实现高增益，可将折叠式运放电路和简单放大器联合使用，构建两级运放结构，该结构不仅实现了高增益，还减小了输入失调电压的值；环路相位裕度通过密勒补偿电容分离极点而实现；零点补偿电阻则可用于抵消零点对环路稳定性的不利影响，确保电路的稳定。其结构示意图可见图1。 如图1 所示，PMOS 输入对为M1 和M2，其主要功能是将差动电流转换成单端电压输出；NMOS 晶体管偏置电流源为M4 和M5；共源共栅管为M7 和M8，可实现电位平移；M9 栅极和M11 的漏断负载连接结构构成了共源共栅级结构，M9和M10 被偏置在线性区的边缘，在输出摆幅中可节省一个PMOS 阙值电压。整个电路结构为两级增益，电路整体增益为第一级增益和第二级增益的成绩，可达到90dB。 2.2 低噪声运算放大器设计 低噪声运算放大器主要是对运放输入级、运放输出级、运放补偿级等内容进行设计，以提高运算放大器抵抗噪声的性能。 首先，共模输出电压的稳定输出，需要输出级处于线性区，共模反馈电路（如图2 所示）在全差分结构中应用较多。偏置电流由M15提供，其值由M20 和M15 的宽长比、IDC2 共同决定；负载管M18 和M19 的漏源短接，可等效为1/gm18、1/gm19 的负载电阻，使得流过M17 的驱动电压和电流减小。 其次，对运放输出级的设计。CMOS 运算放大器电路输出级的作用是电流变换，应具备输出大信号功率的能力，这可通过甲乙类推挽式输出级实现。如图3 所示，M21 和M23 为推挽输出管，M20和M22 作用主要为设置合适的静态工作点，以便提供适当的偏置，减少失真；另一作用是通过设置的改变，降低输入电压的失调。最后，运放补偿电路设计。补偿电路在闭环状态时，增益的增加会引起电路中自激振荡，利用巴克豪森判据可知，当环路总相移达到360毅时，放大电路中含有RC 回路存在附加相移，这就可能会导致原来的负反馈变为正反馈。要消除振荡，需要采取必要的补偿措施，可通过图4 所示的补偿电路实现。 3 结语 随着电路工艺技术的不断发展，集成度的不断提高以及数模混合系统在电子信息系统领域的广泛应用，电器应用行业对模拟集成电路的设计提出了更高的要求，高集成度、低能耗和高性能的电子器件的需求