一种低噪声CMOS运算放大器的研究与设计

发布时间：2020-08-11 15:15

【摘要】：CMOS运算放大器作为模拟集成电路的最基本、最重要的功能模块,无论是在消费电子领域,还是在军用电子系统领域,都有着举足轻重的作用。近几年来,深亚微米技术的发展步步为营且前景可观,集成电路系统的供电电源的电压越来越低,严重恶化了CMOS运算放大器的信噪比,所以必须在电路设计时周全考虑才能使运放的噪声性能保持稳定。CMOS运放的噪声主要包括沟道热噪声和闪烁噪声。沟道热噪声可以通过增大器件的跨导和W/L的值来抑制,闪烁噪声主要可以通过使用CMOS工艺下的横向双极型晶体管和DTMOS来抑制。本文使用了横向双极型晶体管作为运放的差分输入对,并且使用PMOS管而不是NMOS管作为cascode结构的共栅放大,这样可以有效的改善CMOS运放的噪声特性。运放由四部分组成,分别为提供静态电流的偏置电路、横向双极型晶体管为输入管的差分输入级,二极管连接的MOS管为负载的共源放大级,有源MOS管做负载的功率输出级。本文设计的低噪声CMOS运算放大器采用的是台积电半导体(TSMC)的0.18um CMOS工艺,电路设计软件为candence IC 610,仿真软件为Spectre。通过对所设计的电路进行仿真验证,得到运放在1HZ时的等效输入噪声电压密度为9.6nV/(?),在1KHZ时的等效输入噪声电压密度为7.5nV/(?)。这样的噪声性能基本满足了一个CMOS运算放大器的对于低噪声的要求。运放的输入失调电压为14.6uV,增益带宽积为0.5MHz,相位裕度为65°,以上运放指标均满足了一个运放的基本要求,符合预期。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN722.77
【图文】：

接收终端,无线通信系统,信息处理,基本原理

1.1 研究背景及意义现如今，人类的活动越来越剧烈，上至飞天探索宇宙文明，下至入海寻找地球宝藏。人类能实现这些壮举，主要受益于电子信息与技术的高速发展。追本溯源，电子信息与技术之所以能够快速发展，也主要得益于集成电路的指数发展。随着 CMOS 工艺的逐渐发展，器件模型的逐步完善，集成电路技术的稳定进步，集成电路的规模越来越巨型化，芯片体积却越来越小型化。这意味着人们用更低的价格买到更加高性能的电子产品。集成电路技术已经和人们的生活紧密相关，生活中随处可见的手机、电脑、数码相机等，都有着集成电路的身影。一颗小小的集成电路芯片，有可能蕴藏着强大的功能。在集成电路领域，一颗具有完整功能的芯片，我们可以称它为片上系统（System On Chip）。现如今，片上系统已经成为 CMOS 集成电路的发展趋势，甚至可以说是发展主流，射频集成电路更是主流中的研究热门[1]；低噪放大器（Low Noise Amplifier）是射频电路的基本组成模块。在无线通信系统的接收端，LNA 是信号处理十分重要的一个模块。无线通信接收端的信号处理模块如下图 1-1所示：

二端口网络,二端网络,端钮

第三章 CMOS 中的噪声理论和噪声模型3.3 电路中的噪声表示3.3.1 线性二端网络分析1.二端网络二端网络是指通过引出来一对端钮来和外部电路相连的网络结构。二端网中，电流从一个端钮流人，从另一个端钮流出(如图 3-3所示)，故二端网络也称“单口网络”或“一端口网络”。内部不含有电源的二端网络，叫无源二端网络，以等效为一个电阻元件。内部含有电源的二端网络，叫有源二端网络。

横向PNP,晶体管电路,晶体管,截面图

电子科技大学硕士学位论文频率大约为 1000Hz。那我们如何在 CMOS 工艺上实际出双极是如图 4-1(a)所示的，这个结构实现了把双极型晶体管兼容在种晶体管是一种横向的双极型晶体管。从图中可以看出，横向一个可以反向偏执的阱使其与衬底实现电隔离。这个阱就成为基极，而源/漏扩散区就成为发射极和集电极。从发射极注入的的集电极，一个是扩散的集电极，它通常围绕着发射极以获得个集电极是衬底。对于 N 衬底集电极必须接到最高的直流电位所示为横向双集电极双极型晶体管的符号。横向电流将流向希向电流将流向衬底，通常希望从发射极电流中流到横向集电极好。对于绝大多数工艺，这个比例一般是 60%-70%。

【参考文献】