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1、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
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,
3、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
4、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
5、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TSU
6、10X 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
7、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 DIO205
8、1/2052 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/sqr
9、t(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.
10、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
11、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
12、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
13、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) 2)(2)()(212434321 LWLWVVovNttovPttOS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
14、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) 42107593421/)/(8otailmrailmomrggrCM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
15、PMOS 差动级的噪声分析为：（4-122mirdpFdpnirdpOXFeq LKLfWCfv 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-pFdnmirtopdKL_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c
