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低压轨到轨运算放大器的设计

何迟  
【摘要】:运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重要的部件。随着半导体技术的日益成熟,器件特征尺寸的不断降低,电路的电源电压也越来越低,这就对模拟电路设计提出了新的挑战。另外,可移动电子设备的迅猛发展和市场需求的急剧上升,使得低压轨到轨电路成为了模拟电路设计的必然趋势。 本文首先介绍了国内外低压轨到轨运放的发展情况以及运放设计所面临的问题,然后在总结了多种运放结构的工作原理和优缺点的基础上,设计了一个低压轨到轨的三级运算放大器。运放的输入级应用了电平位移技术的复合管以实现轨到轨的输入,并且采用了折叠共源共栅结构来保证输入级具有足够的增益,中间级为一个同相的放大器以保证运放整体的增益并且米勒补偿为负反馈,而输出级则采用了自适应负载技术的AB类输出级,从而获得了驱动大电容和小电阻的能力,另外输出级也达到了轨到轨的性能。除此之外,本文还设计了一个带隙基准电压源,用来给主运放的输出级中的电流镜的提供偏置,以保证其精确性,从而可以实现输出级的静态电流控制。由于运放是三级结构,因此,本文在两级运放的米勒补偿的基础上,使用了内嵌米勒补偿来保证运放的稳定工作。 本文的整个电路设计采用了无锡华润上华CSMC0.5μm双层多晶硅三层金属混合信号(DPTM)标准CMOS工艺,并通过Cadence Spectre仿真工具进行仿真。仿真结果表明,在1.8V的电源电压以及100pF和2KΩ的并联负载下,运放的静态功耗为1.344mW,低频增益为77.1dB,相位裕度为72.1度,单位增益带宽为3.97MHz,摆率SR+为5.9V/μs,SR-为14.9V/μs,输入共模范围为0.001V~1.8V,输出共模范围为0.009V~1.799V,实现了轨到轨的输入输出性能。


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