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1、电子科技大学 硕士学位论文 低压低功耗CMOS运算放大器的设计 姓名：刘辉 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：谢孟贤 2001.1.1 _ _ _ - 1 _ - 摘要 摘要 I 随着集成度的提高及便携式电子应用的发展，低压低功耗技术愈来愈重要。 然赢电源电压的下降对模拟电路的设计是一个挑战。如今模拟电路的典型电源 电压大约是2 5 3 伏，但是发展的趋势表明电源电压将是1 5 伏，甚至更低。在 这种情况下，国内外研究人员的很多精力花在设计适用于标准C M O S 工艺的低 压电路结构。 在模拟I c 中，最典型的电路之一是运算放大器，许多模拟电路中都会用到 它，所以设
2、计低压低功耗的运算放大器显得尤其重要。在实现低压低功耗的过程 中，必须考虑电路的主要性能的实现，因为电源电压的下降将影响电路的性能。 只是实现低压低功耗而不实现良好的性能显然是错误的。，7 本文在设计实现低压低功耗的运算放大器的同时，也想法提高输入共模范围 和输出信号的幅度，同时降低输出阻抗。为此，采用了新的差分输入级，使共模 范围增大，同时尽量不减少差分输入级的增益。在提高输出信号幅度的同时，采 用跨接电阻的方式减少输出阻抗。在分析输出级时，尝试了用密勒定理分析，这 样，定量的分析容易推导、理解。为了确保用密勒定理分析电路的正确性，还用 模拟来验证，模拟结果表明了分析的正确性。 关键讯低删氐
3、2 耗、运秒大器“M 哕圭分输入蝣氐秒阻抗 k 7V A B S T R A C T B e c a u s e i n t e g r a t e dd e g r e e s e x a l t a t i o na n dp o r t a b l ee l e c t r o n i c a p p l i c a t i o n s d e v e l o p m e n t ，l o w v o l t a g ea n dl o w p o w e rt e c h n i q u ei sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t 。 H o w
4、e v e r , t ot h ed e s i g no fa n a l o gc i r c u i t ，i ti s a c h a l l e n g ew h e n i t ss u p p l yv o l t a g ei s l o w 。N o wt h et y p i c a ls u p p l yv o l t a g eo f a n a l o gc i r c u i t i sa b o u t2 5 3V ，b u tt h et r e n d s u g g e s t s i tw i l lb e1 5v e v e nm u c hl o
5、w e r U n d e rt h i sc o n d i t i o n ，g r e a te f f o r to f r e s e a r c hm e m b e r sd o m e s t i ca n da b r o a di sd e v o t e dt ot h ed e s i g no fl o w v o l t a g ec i r c u i t s t r u c t u r ew i t hs t a n d a r dC M O S p r o c e s s e s 。 I nt h ea n a l o gI C ，o n eo ft h et
6、 y p i c a lc i r c u i t si so p e r a t i o n a la m p l i f i e r ，a n dm a n y a n a l o g c i r c u i t sc a nu s ei t T h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fl o w v o l t a g ea n dl o w - p o w e r o p e r a t i o n a la m p l i f i e r i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t W h i l er e
7、 a l i z i n gl o w v o l t a g e a n d l o w p o w e r ，i tm u s tb en o t i c e df o rt h ei m p l e m e n t i n g o ft h em a i nf u n c t i o no ft h ec i r c u i t B e c a u s et h el o ws u p p l yv o l t a g ea f f e c t sp e r f o r m a n c e so fc i r c u i t s ，i to b v i o u s l yi s m i
8、s t a k ef o r j u s ti m p l e m e n t i n gl o w v o l t a g ea n dl o wp o w e r b u tn o ti m p l e m e n t i n gt h e g o o dp e r f o r m a n c e s W h i l el o wv o l t a g ea n dl o wp o w e ri sr e a l i z e dw h e nd e s i g n i n gt h eo p e r a t i o n a l a m p l i f i e ri nt h i st e
9、x t ，g r e a te f f o r t sh a v e b e e nd e v o t e dt oi n c r e a s i n gt h ei n p u tc o m m o n m o d er a n g ea n dt h es w i n go f o u t p u ts i g n a l ，a n dl o w i n gt h eo u t p u tr e s i s t a n c ea tt h e s a m et i m eF o rt h i s ，Ia d o p tt h en e wd i f f e r e n t i a li n
10、 p u ts t a g et om a k ei n p u tc o m m o n m o d er a n g ee n l a r g e d ，a n da sf a ra sp o s s i b l en o tr e d u c ei t sg a i n D u r i n gt h ee x a l t a t i o n o f o u t p u ts i g n a ls w i n g ，t h ea d o p t i o no f t h er e s i s t a n c ec o n n e c t i n ga c r o s sc a nr e d
11、 u c et h e o u t p u tr e s i s t a n c e W h e na n a l y s i n go u t p u ts t a g e ，It r yu s i n gt h e m i l e rt h e o r e mt o a n a l y s ei t ，s oq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sc a nb ed e d u c e da n du n d e r s t o o de a s i l y I no r d e rt o i n s u r et h ec o r r e c t n
12、e s so fa n a l y s i so fm i l e rt h e o r e m ，Iu s es i m u l a t i o nt ov e r i f ya n d s i m u l a t i v er e s u l ts h o w st h ea n a l y s i si sc o r r e c t 。 K e y w o r d s ：l o wv o l t a g ea n dl o wp o w e r ，o p e r a t i o n a la m p l i f i e r , C M O Sd i f f e r e n t i a l
13、i n p u ts t a g e ，l o w o u t p u tr e s i s t a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：垒i ! 星E I 其I ：年月E l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国
14、家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：童1 缝导师签名：塑壶缓 E t 期：年月日 第一章绪论 近几年来，个人数据处理和通讯的迅猛发展，加上器件尺寸不断小型化，推 动着V L S I 朝着低压低功耗技术( L V L P ) 方向发展。低压低功耗技术是其应用 可涉及任何携带能源有限的设备、仪器、表卡范围，诸如单兵通讯机、I c 卡、 笔记本电脑、航天飞机、卫星电子设备等等。L V L PI
15、 C 技术应用广泛，意义重 大，影响深远，它成为目前国内外关注的研究热点之一。 诸多要求表明必须找到能工作在供压为1 2 V 时的电路技术，同时低功耗。 对数字电路设计而言，它能工作在如此的低压情况下，甚至是使用如今可以利用 的技术。然而，供压的下降对模拟电路的设计是一个挑战。这个挑战是因为M O S 的阈值电压与供压值相比较，相对来说还是较大，而且未来的标准C M O S 工艺 中的闽值电压不会比如今的小许多。如今模拟电路的典型供压大约是2 5 3 伏， 但是发展的趋势表明未来将是1 5 伏供压，甚至更低。在这么低的供压值下，国 内外很多精力花在设计适用于标准C M O S 工艺的低压电路结
16、构，因为低的阈值 电压工艺有许多缺点。 在模拟1 C 中，一个最基本的电路之一是运算放大器。许多模拟电路中都会 用到它，像在加法、减法、微分、积分电路，采样一保持电路、R C 有源滤波器 等等中都会用到，所以设计低压低功耗的运算放大器显得尤其重要。在实现低压 低功耗的过程中，必须注意到考虑电路的主要性能的实现。因为供压的下降将影 响电路的性能，只是实现低压低功耗而不实现良好的性能显然是错误的。 本文在设计实现低压低功耗的运放的同时，也想法提高输入共模范围和输出 信号的幅度，同时降低输出阻抗。为此，采用了新的差分输入级来使共模范围增 大，同时尽量不减少差分输入级的增益。在提高输出信号幅度的同时，采用跨接 电阻的方式减少输出阻抗。在分析输出级时，用密勒定理取代常用的负反馈分析 方法，使分析简单明了。 本文的第一章说明了课题的背景和重要性，以及自己做得一些工作。 第二章阐述了M O S 模拟I c 的基础。包括M O S F E T
