cmos全差分低噪声运算放大器的研究与设计(运放的理论性文章)

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1、CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计摘要运算放大器在现代科技的各个领域得到了广泛的应用，如A/D与D/A转换器、有源滤波器、自动增益控制器等，针对不同的应用领域出现了不同类型的运放。本文详细介绍了一种可以用在微弱信号测量系统和高保真要求的音频系统中的全差分结构低噪声运放，使用0.18微米的CMOS工艺实现，供电电压是1.8V，根据低噪声的要求选择了合适的结构，在第一级采用PMOS作为输入端的套筒式共源共栅放大电路，第二级使用共源电路，在减少运放内部器件产生的噪声同时，考虑了减少外界的电源串扰噪声影响，完成了主电路的设计

2、，另外为了使差分电路的输出直流电压偏置在理想位置，分析并设计了基于负反馈原理的共模反馈电路。文章的最后对电路的重要参数如直流增益、相位裕度及输入参考噪声做了比较详细的分析与推导，并在SUN工作站上使用Cadence的模拟设计工具IC5033对电路进行了全面的仿真，仿真的结果显示在1KHz处的输入参考噪声可以达到6nV币弧左右，这是一个相当好的结果。关键词：运放低噪声全差分CMOS工艺145目录摘要1目录2前言4第一章运算放大器的原理与应用51.1运算放大器的原理51.1.1理想运放51.1.2实际运放61.2全差分运放71.

3、3运放的基本应用81.4低噪声运放的应用10第二章MOS器件工作原理112.1MOS器件基础112.2MOSFET的闭值电压122.3MOSFET的工作区域132.3.1线性区132.3.2饱和区142.4二级效应162.4.1体效应162.4.2沟道长度调制效应172.4.3亚阈值效应182.5MOS管的小信号模型18第三章CMOS单级放大器203.1反相器203.1.1有源负载反相器203.1.2电流源负载反相器213.2差分放大器213.2.1共模输入范围223.2.2差分放大器的增益223.3共源共栅放大器23第四章

4、电路噪声244.1噪声幅值分布244.2系统对噪声的影响254.3器件噪声264.3.1电阻的热噪声264.3.2MOS管的沟道热噪声264.3.3MOS管闪烁噪声26第五章全差分低噪声运算放大器的设计265.1低噪声运算放大器的结构设计265.1.1低噪声运算放大器的整体结构265.1.2主电路的设计275.1.3共模反馈电路的设计285.2运放主要参数的仿真分析291455.2.1运放的开环增益的仿真与分析295.2.2运放频率补偿的仿真与分析305.2.3运放电源纹波抑制比的仿真与分析325.2.4运放噪声的仿真与分析

5、335.2.5运放线性度的仿真与分析345.2.6运放速度的仿真与分析355.2.7运放的温度特性35结束语36参考文献37145前言运算放大器的本质是一个高增益的放大器，它可能是现代模拟电路中最通用和重要的单元，其地位可以相当于数字电路中的“门”电路，在外部反馈网络的配合下，它的输出与输入电压(或电流)不需要依赖开环关系，而是可以灵活地实现各种特定的函数关系，因此可以对不同的信号进行组合、处理。上个世纪60年代以来，运算放大器从电子管，又从晶体管分立器件再到现在的集成电路，无论从工艺还是设计经历了一个飞跃的过程。和早期的分

6、立器件放大器相比，集成放大器有以下几个优点:1.体积和功耗大大减小;2.由于外部的连线和焊点的减少，使得运放的可靠性大大提高;3.集成器件中相邻元件匹配较好，所以在电路的失配方面有所改善。早期的运放主要用来进行信号运算处理，这也是它为什么叫运算放大器的原因，今天集成运放应用在电信、测量、计算技术、无线电、自动控制等非常广泛的领域，由于运放的应用使得某些领域的技术面貌一新，比如在反馈控制系统中校正装置的设计和实现一直是一个关键性的问题，过去大多数采用无源校正，而且都必须给每个控制系统专门统设计一个特定的参数的校正装置，使用集成

7、运放以后就可以采用参数适应范围极为广泛的通用的有源校正装置，来改善系统的稳定和品质，这一点无疑是广大设计人员所非常欢迎的。集成电路从工艺上主要有双极工艺和CMOS工艺，早期以双极工艺占主导地位，但是随着对电路集成度的要求越来越高，超大规模集成电路主要是依靠CMOS实现，而且尽管微电子学在新的化合物半导体以及新材料的研究及某些领域取得了一定的成果，但是距离大规模产业实现还有很长的路要走，在未来20到30年间，不断缩小尺寸的CMOS硅工艺将依然是主要的发展方向。CMOS工艺的集成运放这些年来发展了好几代，在早期的时候，人们总是希

8、望可以设计一种非常通用的模块，也就是企图设计一种“理想”的运放，让它具有非常高的电压增益，非常高的输入阻抗、非常低的输出阻抗等，但是这样牺牲了许多其他性能，比如功耗、速度、输出摆幅等等。今天的运放的设计，从开始就认识到各种参数之间的折衷关系，这种折衷关系要求在整体设计中要进行综合考虑。现在