轨到轨CMOS运算放大器研究与设计

作     者：齐步坤 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张为

授予年度：2009年

学科分类：080902[工学-电路与系统] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：运算放大器 轨到轨 恒跨导 恒增益 

摘      要：随着便携式电子产品的发展,集成电路电源电压不断降低,这就对模拟电路的设计提出了巨大的挑战。电源电压的降低直接降低了运算放大器的动态范围,影响其应用,因此如何提高运算放大器的共模范围成为研究的热点。 本文在深入了解国内外轨到轨运放研究动态的基础上,研究了各种轨到轨恒跨导的实现方法,如电流控制法、电压控制法、宽长比控制法、非匹配模式、背栅驱动法,以及上述方法的具体电路形式,讨论了各种恒跨导电路的优缺点;研究了运算放大器的输出级电路,重点是能够实现轨到轨输出、低失真的AB类输出结构,包括前馈型和反馈型AB类输出结构的工作原理、实现电路和电路优缺点。 本文设计了一种前馈型轨到轨恒跨导恒增益的运算放大器。输入级采用一倍电流镜控制的互补差分对结构,实现轨到轨和恒跨导性能,通过分析运放电压增益随共模电平变化的原因,设计了恒增益控制模块,采用前馈型工作原理,可以根据共模电平的范围来开启或者关闭附加电流源,稳定输出级的输出电阻,实现运放的电压增益保持恒定;运放输出级采用前馈型AB类电路结构,实现运算放大器的轨到轨和低失真输出,提高了运放的负载驱动能力。 基于Chartered 0.35? m Embedded EEPROM工艺,采用Cadence Spectre工具进行了仿真,在电源电压3.3V、电阻负载为200K、电容负载为20pF的情况下,运放在整个共模范围内总跨导变化仅2%,电压增益变化仅为1.5%,直流开环增益为120dB,增益带宽积为7.8MHz,相位裕度为60.9°,功耗为4.99mW。本运算放大器可望用于移动通讯、个人数字助理、便携式音响系统、电池监测系统等产品中。