低压恒跨导轨对轨CMOS运算放大器设计

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1、江苏大学硕士学位论文摘要随着以电池作为电源的便携式消费电子的广泛使用，低压、低功耗已成为模拟电路设计的热点之一。运算放大器(简称运放)作为模拟电路的重要组成部分，电压降低对运放的设计带来了很大的挑战。电源电压降低，信号的动态范围将随之减小，因此迫切需要运放实现轨对轨的输入和输出。论文对国内外轨对轨运算放大器的设计方法做了广泛的调查研究，分析了多种运放的工作原理和各自的优缺点，在总结前人研究成果的基础上，设计了一个低压、恒跨导、轨对轨的运算放大器。输入级采用互补差分对结构实现轨对轨的输入，同时为解决在整个共模电压输入过程中差分输入对的跨导不恒定的问题，引入改进型前馈式

2、恒定跨导控制电路；中间级采用共源一共栅放大结构，不仅增大了运放的开环电压电压增益，提高了输入和输出电压的幅度；且与输入级连接成自举电路，从而使输入级的静态工作点不随输入电压的变化而变化。输出级采用前馈式AB类推免输出形式以提高效率，防止交越失真；采用目前广泛使用的带有调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿。采用基于台积电TSMC0．25lamCMOS工艺参数，对整个电路进行了精心设计，并通过Cadence软件进行了仿真。仿真结果表明：在整个信号输入过程中，所设计运放电路z月,匕b14KEt好地抑制输入级MOS管跨导的变化，仅在NMOS和PMOS导通的临界点存在4．

3、7％的跨导变化率，且信号输入／输出均实现了轨对轨。在±1．5V电源电压和5pF负载电容情况下，所设计运放的静态功耗仅为337．5laW；开环电压增益、单位电压增益带宽和相位裕度分别达到107．8dB、44．6MHz和650，输出信号建立时间仅为48ns，各项技术指标都满足了预期的设计要求。关键词：低压；运算放大器；轨对轨；跨导；仿真中图分类号：TN722．7低压恒跨导轨对轨CMOS运算放大器设计ABSTRACTWithextensiveusedofbakery—operateddevices，thetrendforanalogcircuitdesignistocal

4、lforlowpower-supplyvoltagesandlowpower-consumption．Meanwhile，asanimportantpartofanalogcircuit，lowerpower-supplybringsagreatchallengeforoperationalamplifiers’(Op—Amp)design．Becausethelowerthepowersupplies，thesmallertherangeofsignalwillbe．Therefore，thereisanurgentneedtoachieverail-to—rai

5、linputandoutput．Inthispaper，avarietyofdesignapproacheshomeandabroadforrail—to—railOp—Ampwerecomparedandanalyzed．Basedonsummaryofformers’achievement，anewlowpower-supplyandconstanttrans-conductancerail--to-railOp-Ampwasdesigned．Toachieveinputswingrail—to—rail，theNMOSandPMOSdifferentialpa

6、irscollectinginparallelwereselected，meanwhile，anewtrans-conductancecontrolcircuitwasadoptedtokeepgmasaconstant．Formiddlestage，thewide-swingcascadestructureWasused，andCombinationofinputstagetobeabootstrapcircuitinordertostabilizequiescentoperatingpointofdifferentialinputpairs．Whenitcome

7、stooutputstage，inordertoimprovetheefficiency，theclassABpush-pullamplifierwouldbethebestchoice，andtheoutputvoltageswingbasicallyreachedrail-to—rail．Finally，forthepurposeofoperatingsteadilyinhighljrequency，theMillercompensatetechnologywithaadjustingzeroresistanceWasusedtocompensatetheo