CMOS全差分低噪声运算放大器的研究与设计方案(运放的理论性文章).docVIP

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，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1 KHz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 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 5 1.1运算放大器的原理 5 1.1.1理想运放 5 1.1.2实际运放 6 1.2全差分运放 7 1.3运放的基本应用 8 1.4低噪声运放的应用 10 第二章MOS器件工作原理 11 2. 1 MOS器件基础 11 2. 2 MOSFET的闭值电压 12 2. 3 MOSFET的工作区域 13 2. 3. 1线性区 13 2. 3. 2饱和区 14 2. 4二级效应 16 2. 4. 1体效应 16 2. 4. 2沟道长度调制效应 17 2. 4. 3亚阈值效应 18 2. 5 MOS管的小信号模型 18 第三章CMOS单级放大器 20 3.1反相器 20 3.1.1有源负载反相器 20 3. 1. 2电流源负载反相器 21 3. 2差分放大器 21 3. 2. 1共模输入范围 22 3. 2. 2差分放大器的增益 22 3. 3共源共栅放大器 23 第四章电路噪声 24 4. 1噪声幅值分布 24 4. 2系统对噪声的影响 25 4. 3器件噪声 26 4. 3. 1电阻的热噪声 26 4. 3. 2 MOS管的沟道热噪声 26 4. 3. 3 MOS管闪烁噪声 26 第五章全差分低噪声运算放大器的设计 26 5. 1低噪声运算放大器的结构设计 26 5.1.1低噪声运算放大器的整体结构 26 5.1.2主电路的设计 27 5. 1. 3共模反馈电路的设计 28 5. 2运放主要参数的仿真分析 29 5. 2. 1运放的开环增益的仿真与分析 29 5. 2. 2运放频率补偿的仿真与分析 30 5.2.3运放电源纹波抑制比的仿真与分析 32 5.2.4运放噪声的仿真与分析 33 5.2.5运放线性度的仿真与分析 34 5. 2. 6运放速度的仿真与分析 35 5.2.7运放的温度特性 35 结束语 36 参考文献 37 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