一种高精度低噪声运算放大器的设计

发布时间：2017-09-25 19:12

  本文关键词：一种高精度低噪声运算放大器的设计

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【摘要】：运算放大器是集成电路中非常关键的部分。例如,放大器是数据转换器,滤波器,传感器等高级系统的核心部件,放大器的性能高低往往决定了一个系统的整体性能,甚至限制了系统的进一步发展。自从十九世纪六十年代Widlar研制成功第一个商用放大器开始,放大器发展迅速。从最初的低密度,大尺寸,高功耗等,逐渐向高集成度,极小尺寸,低压低功耗发展。如今,特征尺寸已经进入纳米级。工艺发展给模拟IC带来益处的同时也伴随着诸多挑战。近些年来,随着消费电子,通信,计算机和网络等的发展,系统的复杂度也越来越高,对各种子系统(如放大器等)和元器件的要求也更严苛。放大器性能的提高又反过来提高了系统的性能。总之,各种电子系统和放大器相互促进,相互发展。即便到了今天,深入研究运算放大器,不断提出新的运放结构和改进运放的性能,依然具有十分重要的意义。本文主要设计了一个高精度低噪声运算放大器,主要用于滤波器和低噪声应用领域。首先介绍了噪声的一些基础知识,然后从工艺,器件,电路结构等领域探讨了如何较小噪声和失调,这决定了输入级的选择。为实现高低频增益,中间级采用折叠式共射共基结构。为隔离负载,提高线性度,提高驱动水平,采用了double buffer结构。为得到稳定可控的电流,本文采用峰值电流源电路来实现。为了实现大的带宽,第二级内部采用了前馈补偿来旁路特征频率较低的PNP晶体管。稳定性方面,我们采用传统的调零电阻式miller补偿。本文所用的工艺是上海先进半导体(ASMC)4μm双极型工艺,采用了Hspice软件进行仿真,Cadence进行版图的绘制和验证,并最终流片测试。仿真得到的等效输入噪声电压是2.465 nV(?),转换速率(SR)为2.61 V/μs,输入失调电压为0.0146 mV,低频增益131.3 dB,共模抑制比(CMRR)170 dB,单位增益带宽(GBW)为6.06 MHz,相位裕度(PM)为51.7°。版图面积为4100μmx2590μm。整个电路具有极低噪声与失调,实现了预期目标。
【关键词】：模拟集成电路 放大器 低噪声 低失调
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN722.77
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-13
• 1.1 运算放大器的历史发展10-11
• 1.2 课题研究的意义11-12
• 1.3 论文的结构框架12-13
• 第二章 电路中的噪声13-23
• 2.1 噪声的性质13-15
• 2.1.1 噪声的统计特性13-14
• 2.1.2 噪声的功率谱密度14
• 2.1.3 噪声的幅值分布14-15
• 2.1.4 噪声相关性15
• 2.2 常见的噪声类型15-18
• 2.2.1 热噪声16
• 2.2.2 散粒噪声16-17
• 2.2.3 闪烁噪声17-18
• 2.2.4 其他类型的噪声18
• 2.3 电路中的噪声表示18-20
• 2.4 BJT中的噪声20-22
• 2.5 小结22-23
• 第三章 高精度低噪声放大器的设计23-44
• 3.1 设计目标23
• 3.2 整体电路的结构和噪声精度考虑23-25
• 3.3 偏置电路的设计25-29
• 3.3.1 偏置电流源的选择25-27
• 3.3.2 峰值电流源27-28
• 3.3.3 偏置电路28-29
• 3.4 输入级的设计29-33
• 3.4.1 输入级结构的选择29-31
• 3.4.2 基极电流消除网络31-33
• 3.5 中间级的设计33-39
• 3.5.1 中间级的选择33-34
• 3.5.2 密勒补偿34-38
• 3.5.3 前馈补偿38-39
• 3.6 输出缓冲级的设计39-43
• 3.6.1 输出缓冲级结构的选择39-41
• 3.6.2 过流保护41-43
• 3.7 小结43-44
• 第四章 仿真验证44-53
• 4.1 运放直流参数44-47
• 4.1.1 偏置电流与失调电流44-45
• 4.1.2 失调电压45
• 4.1.3 共模输入范围45-46
• 4.1.4 输出摆幅46
• 4.1.5 功耗46-47
• 4.2 运放交流流参数47-51
• 4.2.1 开环增益47
• 4.2.2 带宽47-48
• 4.2.3 电源抑制比48-49
• 4.2.4 共模抑制比49
• 4.2.5 等效输入噪声电压49-50
• 4.2.6 等效输入噪声电流50-51
• 4.3 瞬态参数的仿真51-52
• 4.4 小结52-53
• 第五章 版图设计53-56
• 5.1 版图简介53-54
• 5.2 小结54-56
• 第六章 测试56-65
• 6.1 运放测试简介56-57
• 6.2 常见参数的测试57-63
• 6.2.1 输入失调电压57
• 6.2.2 输入偏置电流57-58
• 6.2.3 输入失调电流58-59
• 6.2.4 开环增益59-60
• 6.2.5 输出电压摆幅60-61
• 6.2.6 电源抑制比61
• 6.2.7 共模抑制比61-62
• 6.2.8 摆率62-63
• 6.2.9 静态功耗63
• 6.3 小结63-65
• 第七章 总结65-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士期间获得的研究成果71-72

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本文编号：919085