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CMOS低压微功耗折叠式共源—共栅运放设计

张静  
【摘要】: 在生物科学和空间技术的研究中,需要集成电路在低电压和弱电流的条件下工作。采用低电源电压供电的模拟电路不但能减少电路的功耗,而且能增强电路的稳定性。因此,研制和生产低功耗甚至微功耗的集成电路是电子工业界的重要课题。从能源角度考虑,低的功率消耗不仅是电池驱动的便携设备的需求,更是大型电子系统的迫切需要。 运算放大器作为模拟系统和混合信号系统中最基本的单元,其重要性是众所周知的,其性能的提高使整个系统的性能得到改善。因此,设计低压、微功耗的运算放大器是非常必要的。 论文对国内外低电压、低功耗模拟电路的设计方法做了广泛的调查研究,分析了这些技术的工作原理和优缺点,在吸收这些成果的基础上,基于运算放大器的基本原理,对运算放大器的输入、输出以及偏置电路进行介绍。在此基础上,设计了一个电源电压为0.75 V、微功耗、轨对轨的CMOS运算放大器。采用低压折叠式共源一共栅输入级结构,使其具有较大的输出摆幅;在偏置电路设计中,电流镜负载并不采用传统的共源一共栅结构,而是采用适合在低压工况下的宽摆幅共源一共栅结构;通过改变传统基于运放的基准源设计的方法,采用电流镜负载的差分放大器设计了一个基准电流源,为运放提供稳定的偏流和偏压;在设计输出级时,为了获得较高的电源效率,采用前馈式AB类推挽输出结构,能够在低压下实现全摆幅的轨对轨输出;并采用带有调零电阻的密勒补偿技术对运放进行频率补偿。 采用标准的上华科技CSMC 0.35μm CMOS工艺参数,对整个运放电路进行了设计,并通过HSPICE软件进行了仿真。仿真结果表明,在0.75 V的电源电压下,所设计的CMOS运放的静态功耗只有3.6μW,开环增益、单位增益带宽和相位裕度分别达到106 dB,360 kHz和68°,各项技术指标都达到了设计要求。


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