全差分兩級(jí)放大電路.doc

綜合課程設(shè)計(jì)研究報(bào)告課題名稱(chēng)： 全差分兩級(jí)運(yùn)放 研究人員： 指導(dǎo)教師： 王向展 寧寧 201 年1月1日微電子與固體電子學(xué)院目 錄一、緒論1（一）研究工作的背景與意義1（二）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析1二、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容與技術(shù)指標(biāo)1（一）研究目標(biāo)1（二）研究?jī)?nèi)容1（三）關(guān)鍵技術(shù)1（四）技術(shù)指標(biāo)2三、電路工作原理2（一）電路結(jié)構(gòu)理論2（二）關(guān)鍵電路模塊2（三）非理想效應(yīng)2四、電路設(shè)計(jì)與仿真3（一）電路設(shè)計(jì)方案3（二）電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)3（三）電路仿真及結(jié)果3五、全文總結(jié)與展望3參考文獻(xiàn)4一、緒論（一）研究工作的背景與意義隨著模擬集成電路技術(shù)的發(fā)展，高速、高精度運(yùn)算放大器得到廣泛應(yīng)用。全差分運(yùn)算放大器在輸入動(dòng)態(tài)范圍、抑制共模信號(hào)和噪聲的能力等方面，較單端輸出運(yùn)放有很大優(yōu)勢(shì)，成為應(yīng)用很廣的電路單元。另外，全差分輸出時(shí)的輸出電壓信號(hào)幅度比單端輸出時(shí)增大一倍，這對(duì)低電源電壓供電的現(xiàn)代CMOS電路尤為重要，因?yàn)檫@可以擴(kuò)大輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。因此，本文討論并設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足一定要求的全差分運(yùn)算放大器。（二）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析從第一顆運(yùn)算放大器IC問(wèn)世到現(xiàn)在，運(yùn)算放大器技術(shù)已經(jīng)在半導(dǎo)體制造工藝和電路設(shè)計(jì)兩方面取得了巨大進(jìn)展。在大約40年的發(fā)展過(guò)程中，IC制造商們利用上述先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)出了近乎“完美”的放大器。雖然什么是理想放大器很難有一個(gè)精確定義，但它卻為模擬設(shè)計(jì)工程師提供了一個(gè)目標(biāo)。理想放大器應(yīng)該無(wú)噪聲、具有無(wú)窮大增益、無(wú)窮大輸入阻抗、零偏置電流以及零失調(diào)電壓，它還應(yīng)該不受封裝尺寸限制，不占用空間。上述這些，都是許多教科書(shū)為了得到簡(jiǎn)單的傳遞函數(shù)而做出的種種假設(shè)。 未來(lái)放大器市場(chǎng)增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力主要有三方面：其一,便攜式應(yīng)用的低功耗要求將推動(dòng)具有低操作電源電壓/電流的放大器增長(zhǎng);其二,高分辨率應(yīng)用需要能降低噪聲和失真度的放大器;其三,由于性能和價(jià)格壓力持續(xù)上揚(yáng),因此能夠集成其他功能的放大器前景樂(lè)觀。測(cè)試和測(cè)量、通信、醫(yī)療影像等領(lǐng)域的先進(jìn)應(yīng)用是提升放大器性能的主要驅(qū)動(dòng)力;DSL和消費(fèi)類(lèi)視頻應(yīng)用是最大的市場(chǎng),而且未來(lái)將繼續(xù)此趨勢(shì)。其中,DSL運(yùn)放的增長(zhǎng)點(diǎn)主要在于線路驅(qū)動(dòng)器。而整合了濾波、多路技術(shù)以及DC恢復(fù)等功能的消費(fèi)類(lèi)視頻放大器也被看好。從應(yīng)用的角度講,不同的系統(tǒng)對(duì)運(yùn)放有不同要求,選擇合適的運(yùn)放對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。對(duì)于通信、高速測(cè)量?jī)x表及超聲波設(shè)備等高速應(yīng)用,交流特性極為重要。但對(duì)于低速的高精度系統(tǒng),直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統(tǒng)在交流特性方面的參數(shù)有信號(hào)帶寬、失真率、噪聲等;而衡量系統(tǒng)在直流特性方面的參數(shù)有輸入補(bǔ)償電壓、開(kāi)環(huán)增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。二、研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容與技術(shù)指標(biāo)（一）研究目標(biāo)1.兩級(jí)全差分放大電路輸入、輸出均為差分信號(hào)。比起單端輸出的運(yùn)放，全差分運(yùn)放能提供更大的輸出電壓擺幅，并能更好地抑制共模噪聲的干擾。（二）研究?jī)?nèi)容論文首先對(duì)典型的兩級(jí)全差分運(yùn)算放大器進(jìn)行分析，通常運(yùn)算放大器由差分輸入級(jí)、高增益放大級(jí)、相位補(bǔ)償電路、偏置電路等各個(gè)部分組成。這些部分在電路工作的時(shí)候都起到了不同的功能。后文將會(huì)介紹全差分運(yùn)算放大器各功能模塊的作用。1.與單端輸出相比FD運(yùn)放的問(wèn)題全差分運(yùn)放需要共模反饋電路（CMFB）來(lái)穩(wěn)定輸出共模電壓。2.FD運(yùn)放組成FD運(yùn)放一般由差分輸入級(jí)、放大級(jí)和CMFB組成。（三）關(guān)鍵技術(shù)1.CMFB共模反饋電路為了穩(wěn)定輸出共模電壓，應(yīng)加入共模負(fù)反饋電路。在設(shè)計(jì)輸出平衡的全差分運(yùn)算放 大器的時(shí)候，必須考慮到以下幾點(diǎn)： （1）共模負(fù)反饋的開(kāi)環(huán)直流增益要求足夠大，最好能夠于差分開(kāi)環(huán)直流增益相當(dāng)； （2）共模負(fù)反饋的單位增益帶寬也要求足夠大，最好接近差分單位增益帶寬； （3）為了確保共模負(fù)反饋的穩(wěn)定，一般情況下要求進(jìn)行共?；芈费a(bǔ)償； （4）共模信號(hào)監(jiān)測(cè)器要求具有很好的線性特性； （5）共模負(fù)反饋與差模信號(hào)無(wú)關(guān)，即使差模信號(hào)通路是關(guān)斷的。（四）技術(shù)指標(biāo)VDD=3.3V10%，CL=3.0pF增益Gain70dB帶寬GBW 230MHz相位裕度PM 45差分輸出擺幅2.2V壓擺率 200V/s三、電路工作原理輸入級(jí)采用差動(dòng)放大器，可以提高運(yùn)放的共模抑制比，從而改善運(yùn)放的抗噪聲能力和失調(diào)性能。高增益放大級(jí)要求提供足夠高的電壓增益和大的輸出電壓擺幅。差動(dòng)輸出具有更好的抑制共模信號(hào)和噪聲的能力，同時(shí)使輸出電壓信號(hào)幅度增加了一倍。偏置電路給各級(jí)放大器提供合適的偏置電壓或偏置電流，要求這些偏置電壓或偏置電流盡可能不隨電源電壓、工藝參數(shù)和溫度而變化。為了保證運(yùn)放在負(fù)反饋狀態(tài)下能夠穩(wěn)定工作，需要加入相位補(bǔ)償電路（通常加在高增益放大級(jí)）。但在實(shí)際運(yùn)放的結(jié)構(gòu)劃分可能并沒(méi)有那么明確。因此，我們最終還是要的運(yùn)放的整體性能。（一）電路結(jié)構(gòu)理論典型的全差分運(yùn)算放大器可以由以下四個(gè)部分組成：圖1.典型全差分運(yùn)放電路結(jié)構(gòu)圖（二）關(guān)鍵電路模塊1.套筒式兩級(jí)全差分運(yùn)放結(jié)構(gòu)圖22.偏置電路圖3（三）非理想效應(yīng)1. 靜態(tài)功耗運(yùn)算放大器的靜態(tài)功耗為。其中為靜態(tài)電流。如果靜態(tài)功耗確定下來(lái)了，那么就可以確定整個(gè)電路的工作電流。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求要使靜態(tài)功耗盡可能地小，又因?yàn)橐呀?jīng)確定。因此，要使靜態(tài)功耗盡可能地小，可以采取源極反偏法、雙閾值法、多閾值法或變閾值法。2. 等效輸入?yún)⒖荚肼曃覀冎烂恳粋€(gè)MOS管都有一個(gè)可以等效到柵端的輸入?yún)⒖荚肼?，如圖所示。圖2.MOS管的噪聲來(lái)源和等效輸入?yún)⒖荚肼曈杏捎跍系离娮璁a(chǎn)生的熱噪聲在輸入端的表現(xiàn)，以及MOS管的閃爍噪聲。即由于第二級(jí)的噪聲要除以第一級(jí)的增益才反映到輸入端，因此會(huì)比較小，所以可以忽略不計(jì)。因此，整個(gè)電路的輸入端噪聲主要來(lái)自于第一級(jí)。四、電路設(shè)計(jì)與仿真（一）電路設(shè)計(jì)方案圖3.兩級(jí)全差分運(yùn)放電路設(shè)計(jì)圖W/LMultiplierLM1,M22/1430.5umM3,M42/1420.5umM5,M62/1500.5umM7,M82/1320.5umM9,M122/1870.4umM10,M112/1440.5umM02/1270.5umMc1,Mc2,Mc3,Mc42/1200.5umMc5,Mc62/1100.5umMc72/1250.5umM131/110.5umM15,M182/140.5umM142/1100.5umM168/510.5umM171/110.5umM192/130.5umM202/1200.5umM211/110.5umCc0.9pFRz1k表1 元件參數(shù)（二）電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)1. 幅頻相頻測(cè)試電路2. 轉(zhuǎn)換速率SR測(cè)試電路3.輸出擺幅測(cè)試電路（三）電路仿真及結(jié)果1. 幅頻相頻測(cè)試結(jié)果由仿真結(jié)果可以看出，增益有103dB，單位增益帶寬有244MHz，相位裕度46。均達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。2. 轉(zhuǎn)換速率SR測(cè)試結(jié)果可以得出，SR=275V/us。3.輸出擺幅測(cè)試結(jié)果從仿真結(jié)果看，輸出范圍在0.36V到2.99V是線性范圍，所以輸出擺幅為2.63V。差分輸出擺幅為2.63V。最后總的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果指標(biāo)如表2所示。設(shè)計(jì)指標(biāo)實(shí)際指標(biāo)VDD3.3V10%3.3V10%增益Gain70dB103dB帶寬GBW 230MHz244MHz相位裕度PM 4546差分輸出擺幅2.2V2.63V壓擺率 200V/s275V/usCL3.0pF3.0pF表2五、全文總結(jié)與展望 1.可以看出來(lái)兩級(jí)全差動(dòng)運(yùn)算放大器比普通的兩級(jí)運(yùn)算放大器的電壓增益高許多，這也是使用較為廣泛的原因之一。2.降低靜態(tài)功耗上還是出現(xiàn)了一些問(wèn)題可以再做優(yōu)化,輸出級(jí)參數(shù)設(shè)置還可以再優(yōu)化。3. 我們認(rèn)為，放大器當(dāng)今最需要做到的就是改進(jìn)生產(chǎn)工藝以降低它的噪聲與功耗，提高集成度，減小體積，減少成本，滿(mǎn)足現(xiàn)在的電子產(chǎn)品對(duì)高速、高精度、低功耗、量產(chǎn)化的要求。4.分工： 參考文獻(xiàn) 1譚博學(xué),苗匯靜集成電路原理及應(yīng)用，電子工業(yè)出版，2008-1,44-952葛康康,高速運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)浙江大學(xué),2008-43劉志惠,徐晉,楊謨?nèi)A,李競(jìng)春,一種全差分高速運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì),四川省電子學(xué)會(huì)半導(dǎo)體與集成技術(shù)專(zhuān)委會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2008-24 甘學(xué)溫、趙寶瑛，集成電路原理與設(shè)計(jì)，北京大學(xué)出版，2006-2 全文統(tǒng)一格式要求：1.頁(yè)面設(shè)置：全篇A4幅面，上、下頁(yè)邊距3.0cm，左、右頁(yè)邊距2.6cm，裝訂線0cm，頁(yè)眉1.5cm，頁(yè)腳2.0cm；頁(yè)碼居中，首頁(yè)不顯示頁(yè)碼。2.正文格式：所有行間距為固定值25磅，對(duì)齊網(wǎng)格，首行縮進(jìn)2字符。一級(jí)標(biāo)題黑體三號(hào)字；二級(jí)標(biāo)題楷體三號(hào)字，加粗；三級(jí)及四級(jí)標(biāo)題均為仿宋_GB2312四號(hào)字，加粗；正文為宋體小四號(hào)字。標(biāo)題編號(hào)次序?yàn)椋憾ǘ?2.12.1.1（1）3.頁(yè)碼：目錄為，正文為1 2，居中對(duì)齊，字體為T(mén)imes New Roman五號(hào)字。4.圖、表編號(hào)形成為：二級(jí)標(biāo)題-序號(hào)，如圖3-3、表2-2等。圖題位置在圖的下方，宋體五號(hào)字；表頭位置在表格上方，宋體五號(hào)字。圖中、表中字號(hào)為五號(hào)或小五。5.表格：外框?qū)挾葹? 1/2磅；表內(nèi)文字單倍行距。6.公式：長(zhǎng)、復(fù)雜公式用MathType輸入，單獨(dú)一行，編號(hào)右對(duì)齊，編號(hào)形成為：二級(jí)標(biāo)題-序號(hào)，如(3-3)；簡(jiǎn)單公式用正文字體表示，如Vgs = 3V。7.成文后封面、目錄頁(yè)和標(biāo)識(shí)頁(yè)單面打印，其余雙面打印。8.其他要求見(jiàn)標(biāo)示。9.正式成文后，刪除所有紅色標(biāo)注和說(shuō)明。10. 論文最后一頁(yè)增加參考文獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)單獨(dú)成頁(yè)。參考文獻(xiàn)體現(xiàn)的是對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和同行研究成果的尊重，格式上不同期刊、雜志、論文等要求不同。報(bào)告要求以碩士/博士論文參考文獻(xiàn)要求為參照。錯(cuò)誤示例:錯(cuò)誤示例一：A圖8黑色背景不符合文印規(guī)范，應(yīng)至少反色處理。此外，圖中電路結(jié)構(gòu)、文字信息應(yīng)讓讀者能夠看清。B. 圖8僅有編號(hào)無(wú)圖題（即名稱(chēng)）C圖9坐標(biāo)不清，無(wú)關(guān)鍵點(diǎn)的標(biāo)注。D圖8、圖9均未有正文