一种高速运放的分析与设计

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1、西南交通大学硕士学位论文一种高速运放的分析与设计姓名：连全文申请学位级别：硕士专业：微电子与固体电子学指导教师：冯全源20091101西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要近年来，随着通讯、网络及消费电子等应用领域的发展，半导体集成电路(IC)芯片种类及数量的需求日益增加，性能要求也越来越高，迫使设计者们对IC性能加以改进和优化，其途径主要是从工艺、材料、电路结构等几个方面入手。系统的总体性能往往由其内部的模块承担，运算放大器(运放)作为许多模拟和数模混合系统中一个完整的部分，也是构成这些系统的基本单元，其精度与速度对整个系统的效能起着决定性的作用，因而在设

2、计和优化过程中占据着一个重要的位置。本文主要针对高速运放进行研究。通过对运放增益、带宽、摆率、相位裕度和建立时间等性能参数及其相互联系的分析，通过对比几种典型的运放结构，确定了全差分共源共栅两级结构的基本框架；考虑到高速运放对信噪比与失真度的严格要求，设计了一个基准电压源电路为运放提供电压电流偏置；从系统稳定性及电路面积方面考虑，频率补偿电路采用了共源共栅密勒补偿方法；此外，为了使电路的直流工作点及输出共模电平稳定在一定的范围内，本文还设计了一种共模反馈电路。对本文所设计的高速运放用HSPICE进行了仿真，并基于0．189mCMOS工艺和Cadence设计平台

3、，对运放的版图进行了初步的设计。仿真结果显示，在5pF电容负载情况下，其单位增益带宽为104．32MHz，开环增益达到105．1ldB，相位裕度为67．5。，摆率达208V／lrts，功率损耗约为6．4mW，频率为lkHz时等效输入噪声电压不到0．8nV，所有参数均达到了预期指标。上述结果表明，该高速运放具有开环增益大、频带较宽、建立时间快、失真和噪声小、直流特性好等特点，可应用于对精度与速度均有较高要求的高速模／数转换器、开关电容滤波器、采样．保持电路、流水线模／数转换器等电路与系统中。此外，本文为确定各MOS管具体参数所作的理论推导及全差分运放的仿真方法均

4、具有普适性。关键词：运算放大器；全差分；高速运算放大器；共模反馈西南交通大学硕士研究生学位论文第n页AbstractInrecentyearstherehasbeenanincreasingdemandforintegratedcircuit(IC)inbothtypeandquantitybecauseofthegreatdevelopmentintheapplicationdomainsuchascommunication，network，consumerelectronicproductsandSOon．Andtherequirementoftheirp

5、erformancebecomeshigher．ThisdriresallICdesignerstoimprovetheperformanceofICs．Thewaymainlyliesinreformingthemanufacturingprocess，employingofbettermaterialandimprovingthecircuitstructure．Theoverallperformanceofasystemoftenliesinitsinternalmodules．Inmanyanalogandmixed-signalcircuits，th

6、eoperationalamplifier(OPA)isabasicunit．Itsprecisionandspeedareplayingthedecisiveroletotheoverallsystempotency．ThuspayingenoughattentiontotheOPAduringthewholedesignprocessisnecessary．Inthispaper,thehignspeedOPAismainlyanalyzedanddesigned．AstructureoftwostagefullydifferentialcascodedO

7、PAischoseaftertheanalysisofmostparametersandtheirinteractionalrelationsandthecomparasionofdifferentOPAstructures．Consideringthestrictrequirementsinsignal．to．noiseanddistortion．abandgapreferenceisdesignedtogiveaconstantreference．Themethodofcascodedcomplicationisemployedtoensurethesys

8、temicStabilizationa