低压微功耗CMOS运算放大器的研究与设计

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1、摘要在生物科学和空间技术的研究中．需要集成电路在低电压和弱电流的条件下工作，因此，研制和生产低功耗乃至微功耗的集成电路是电子工业界的重要课题。运算放大电路作为模拟系统和混合信号系统中的基本电元，其性能的提高使整个系统的性能得到改善。论文基于运算放大器的基本原理，结合低压微功耗运算放大器的工作机理，对运算放大器输入、输出以及偏置的各种实现电路进行介绍。以资为后续电路设计做必要的理论支持。出于对低压微功耗运算放大器技术指标的综合考虑，设计出两级cMOS微功耗运算放大器和偏置电路：特别对其中低压折叠式共源共栅输入级，Class．AB类输出级结构、

2、偏置电路、电路的频率补偿以及噪声特性进行了详细的分析。为了实现极小的静态电流，适当偏兄运放工作在亚阈值区。在版图的设计上，对输入级采用交叉耦合结构，减小由于工艺原理引起的MOS管匹配，从而减小电路的失调电压；出于ESD考虑，在输入输出采用保护电路：采用保护环隔离电阻电容，减小其对核心电路的影响。基于TSMC0．35um工艺模型，采用Hspice仿真工具，对所设计电路进行了详细的仿真。结果表明：在3V的电源电压下．功耗为3．3uw，直流增益可以达到108dB。静态电流达到1．1uA，单位带宽300KHZ，相位裕度达到700左右，达到预期设计的

3、微功耗要求。关键词：CMOS：微功耗；低压；轨至轨：亚阈值AbstractIntheresearchofbi0109yandspacetechnology，integratedCircuitsmustworkin10WvoltageandlowstatiCcurrent．ItiSveryimportanttodevelopmicropowerdissipation1Cintheelectronicindustry．Theoperationalamplitier(OPAMP)，asthebasiccomponentinanalogsystem

4、andmix—signalsystem，cangreatlyimprovetheperformanceofICinsystemlevel．BasedonthebasicprincipleofOPAMPandtheuniquecharacteroflow—voltagemicro—powerOPAMP，theschematicsoftheinput，outputstageandbiascircuitsareintroducedinthispaper，andcanbeusedasthenecessarytheoreticalsupportfor

5、thefutureeircuitdesign．Takingintoconsiderationofthetechnologicalrequirementsoflow—V01tagemicro—powerOPAMP，atwo—stagemicro—powerOPAMPwiththebiascircuitisdesigned．Inaddition，thelow·VOltagef01dedcascodeinputstage，C1ass—ABoutputstage，biasCircuit，frequencycompensationandnoisech

6、aracteristicsareanalyzedindetail．InordertogetextremelYlowstaticcurrent，theOPAMPiSbiasedinsub—thresholdregionproperly．In1ayoutdesign，theCROSS—couplestructureisadoptedintheinputstagetominimizetheMOSFETmismatchduetoprocess，andconsequentIytOlowertheoffsetvoltageinthecircuits．T

7、akingintoconsiderationofESD，theguardringiSadoptedtoisolateresistorsandCapacitors，thuStOeliminatetheinfluenceinthemaincircuitbYthein．BasedonTSMC0．35umtechn0109YmodelandHspicesimulator，thorougheircuitsimulationiScarriedout．Ascanbeseenformtheresults，thepowerdissipationis3．3uW

8、in3Vpowersupply，DCgainiS108dB，staticcurrentcanlowerto1．1uA，unitgainbandis800kHzandphasema