cmos+railtorail运算放大器设计研究

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1、中的微波电源来代替今天的电池，但这些新能源要求电路工作在很低的电源电压下，如单片太阳能电池提供的电压仅在0．5V这个数量级，远低于目前使用的任何电池，甚至都低于MOS管的阈值电压，对低压技术的要求将更为苛刻。另一方面，随着器件尺寸的缩小，CMOS工艺的击穿电压降低，也对电源电压提出了严格的限制。加之，电源电压的降低，电路的信噪比下降，且未来标准CMOS工艺中的阈值电压不会有较大的下降，电源电压的下降将受到阈值电压的限制。阈值电压的限制使模拟IC设计变得非常复杂，传统的电路结构已不能满足设计要求。常规设计的运放的输入输出动态范

2、围受阈值电压及饱和电压降的影响不断减小，影响后级电路的正常工作，为增大其动态范围，迫切需求能够实现全摆幅的Rail—to—Rail电路结构。1．2运算放大器的特点、国内外研究现状和发展方向运算放大器(OperationalAmplifier-OpAmps，简称运放)最早在1947年5月Ragazzinietal一篇论文中被引用，其作为线性电路中一种最通用、最重要的单元电路已被运用到各种电子系统之中，成为各种模拟信号处理和测试设备中的基本元件，如在加法、减法、微分、积分电路、采样保持电路、RC有源滤波器等。第一代集成运放，基本

3、上按分立元件电路的思想制造的，特点是大部分采用NPN管，只有少量是PNP管，但只能满足较低要求，如1964年闯世的uA702，集成运放的电压放大器倍数只有2000～4000。第二代集成运放以采用有源负载为标志，如1966年问世的／．tA741[2l。第三代集成运放以超B晶体管作为差分输入级为特点，超D管的§值可高达1000～5000，因此在相同的IC情况下，输入偏置电流比普通NPN管电流低一个数量级以上，输入电阻高，电压放大倍数可达到107131，如1972年问世的AD508。第四代集成运放中采用了中、大规模集成技术，其质量

4、性能指标已接近理想集成运放。每年都有很多新型的、功能越来越高的运放进入电子应用领域。最新一代运放的带宽可从5KHz到几GHzt41；供电电源可从零点几伏到几百伏【5】【6】【71；输入失调电压和失调电流亦越来越小。国内由于各种原因运放的技术发展缓慢，特别是CMOS工艺的运放基本上还处于试制与小型生产阶段，性能指标相对较低，多数产品没有形成批量而投放2市场。这种状况远远不能满足国内应用电子领域高速发展的需求。近几年，国内一些高校与科研单位相继也开展了同类产品的研究与设计，但由于电路结构限制等原因，其性能并没有显示出优势，所以也

5、没有形成成熟的产品而进入市场。国外各大IC设计与制造公司在高性能CMOSRail—to—Rail运算放大器的研究方面一直在不断地发展，新型的电路结构设计、对特殊参数要求的新产品不断面市、特殊行业的高性能运放也能很快地设计与生产。～方面，这与其多年来的研究积累有很大关系；另一方面，也与其对通用新型电路的重视是分不开的。同时，运放是模拟集成电路的基本模块，对于其它功能电路(如Pu。、A／D与DA、开关电容)的研发有积极的技术支撑作用，这也是国外各大IC设计与制造单位重视运放研究的原因之一。如美国的AD、TI等公司皆有型号多样的各

6、种CMOS运放投入市场。为了满足更高的要求运放也在不断的发展，其发展方向可归纳为：(1)双极型运算放大器，主要在于改进电路的输入特性[8】【9】：(2)JEFT运算放大器，主要在改进其输入电压噪声【lo】【lll：(3)低压低功耗运算放大器，一般是在功耗以及输入输出范围方面【12Jll3l；(4)混合运算放大器，主要在高速、大功率和大电流缓冲中应用【14】：(5)单片功率运算放大器，散热是其发展的主要障碍【15】【16】：(6)仪用放大器，它在输入失调电压、电流方面要求较苛刻f17】：(7)介质隔离运算放大器，在抗辐射方面的

7、研究‘博I：(8)CMOS运算放大器，在各方面皆有较大的优越性，电路结构、制造工艺在近年得到快速发展【19]120l。1．3CMOS运算放大器设计方法CMOS运算放大器的设计通常包括结构设计和元件设计。运算放大器的设计流程如图1．1所示【2“，首先寻找可行的电路结构，如果选择的电路结构不符合要求，则需要修改结构或重新设计。一旦符合条件，就要进行元件设计，确定电路中直流电流、器件尺寸和补偿网络，必须仔细计算器件的尺寸以满足运放的交、直流要求。为了满足所有的设计指标，在实际设计中这两个设计步骤往往都需要重复地进行。垂囝岖孳}世斟

8、震囊萎№否否代秽独妊圣量錾趴否l／改变参矗氅嚣川I筠孑并模拟／＼刀儇m攀弘等芦是是{众f⋯鬯，—1鲨竺图1．1模拟运算放大器设计流程“理想”运放具有以下的特性【1I：无限大的输入阻抗和输出电流；无限大的转换速率和开环增益；无噪声、失调、功耗浪费和信号失真；无负载、频率和电源电压的限制。事实