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一种驱动大容性负载的三级运算放大器

微电子学 2019年第5期49卷 613-617页

作者：张春茗严展科王梦海曹源西安邮电大学电子工程学院

提出了一种低功耗、高增益、可驱动大容性负载的三级运算放大器。通过采用共源共栅密勒补偿技术和工作在亚阈值区域的跨导提升运算放大器,以低的功耗成本显著减小了补偿电容。通过将负载有关的非主极点推向更高的频率,达到了改善带宽和... 详细信息

提出了一种低功耗、高增益、可驱动大容性负载的三级运算放大器。通过采用共源共栅密勒补偿技术和工作在亚阈值区域的跨导提升运算放大器,以低的功耗成本显著减小了补偿电容。通过将负载有关的非主极点推向更高的频率,达到了改善带宽和稳定性的目的。该运算放大器采用UMC 28nm HLP CMOS工艺进行设计和验证。结果表明,当驱动高达10nF的容性负载时,总补偿电容仅为440fF。在1.05V电源电压下,该运算放大器消耗52μA的电流,单位增益带宽为4.84MHz,增益大于100dB。

关键词：三级运算放大器大容性负载频率补偿

CMOS三级运算放大器建立时间的最小化设计

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CMOS三级运算放大器建立时间的最小化设计

作者：蒋新淼杭州电子科技大学

学位级别：硕士

运算放大器作为各类电路与系统中的基本模块,其性能的好坏会直接影响到整个系统的工作。工艺技术的快速发展,器件特征尺寸的不断降低,在不断催生各种新型结构电路的同时,也给运算放大器的设计带来了新的困难和挑战。本文主要研究CMOS三... 详细信息

运算放大器作为各类电路与系统中的基本模块,其性能的好坏会直接影响到整个系统的工作。工艺技术的快速发展,器件特征尺寸的不断降低,在不断催生各种新型结构电路的同时,也给运算放大器的设计带来了新的困难和挑战。本文主要研究CMOS三级运算放大器建立时间最小化的设计。由于短沟道器件电路工作电压的降低,MOS管的本征增益降低,常用的两级运算放大器已经无法满足电路高增益的需求,而套筒和折叠式的共源-共栅电路由于受到电路结构的限制,其输出摆幅和共模输入范围较小,该类电路结构在供源电压较低情况下同样不宜采用。为了在低电压下设计出高增益高摆幅的运算放大器,本文采用了三级级联结构。三级运放的传统设计通常是以带宽和相位裕度等频域性能参数作为设计指标的,但对开关电容(SC)电路、A/D转换电路等离散系统,往往更关注建立时间这一时域性能。现有文献中提出的建立时间最小化设计方法都是基于近似的传递函数模型实现的,因此所得设计结果也是不精确的。本文提出一种CMOS三级运算放大器建立时间最小化的精确设计方法。在给定的建立时间精度下,本方法从基于近似传递函数获得的设计结果出发,再根据时域阶跃响应建立时间最小化条件的方程,通过Newton迭代自动求解最佳设计参数;时域响应直接使用SPICE仿真响应波形,因此消除了现有方法中存在的误差,得到与SPICE仿真精度相同的设计结果,避免了电路设计阶段需要的人工调试。文章介绍了方法的具体过程,给出了NMC、NMCR等不同结构三级运放的设计实例,证明了方法的有效性。最后讨论了工艺参数波动的影响,与采用三阶函数模型建立时间最小化设计的蒙特卡洛分析结果对比,本文方法所得到的建立时间最大值和均值都更小;文中进一步给出了一种最坏情况建立时间最小化设计方法,及相应的设计结果。

关键词：三级运算放大器建立时间最小化模拟集成电路设计

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一种高增益多级运算放大器的设计

微电子学 2015年第6期45卷 706-709页

作者：班博姜岩峰北方工业大学微电子系北京100144

为了保证运算放大器在深亚微米量级也能提供足够的增益,三级运算放大器的研究成为近年的热点内容。基于SMIC 0.18μm工艺设计了一种三级运算放大器,前两级采用折叠共源共栅结构,在提供足够直流增益的同时增加了输入输出摆幅,并且采用DF... 详细信息

为了保证运算放大器在深亚微米量级也能提供足够的增益,三级运算放大器的研究成为近年的热点内容。基于SMIC 0.18μm工艺设计了一种三级运算放大器,前两级采用折叠共源共栅结构,在提供足够直流增益的同时增加了输入输出摆幅,并且采用DFCFC补偿方案使整体性能得到优化。在3.3V电源电压下,负载为5pF电容时,直流开环增益为155dB,单位增益带宽达到了32 MHz,相位裕度为56.09°。仿真结果表明,设计的三级运算放大器具有较理想的频率响应和瞬态响应,并且所需的补偿电容值较小,芯片面积得到优化,较容易在CMOS工艺下实现。

关键词：三级运算放大器折叠式共源共栅频率补偿

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高性能CMOS多级运算放大器的研究与设计

高性能CMOS多级运算放大器的研究与设计

作者：王鹏合肥工业大学

学位级别：硕士

当前,运算放大器及其反馈网络可用于实现输入模拟信号之间的多种数学运算及信号处理,这些信号处理电路的性能主要取决于运算放大器的性能,研究提高运算放大器性能的设计方法和电路结构有重要的理论意义和实用价值。用于衡量运算放大器... 详细信息

当前,运算放大器及其反馈网络可用于实现输入模拟信号之间的多种数学运算及信号处理,这些信号处理电路的性能主要取决于运算放大器的性能,研究提高运算放大器性能的设计方法和电路结构有重要的理论意义和实用价值。用于衡量运算放大器性能的众多指标之中,增益和功耗是最主要的性能参数,然而两者往往难以同时实现,需要根据具体应用进行折中,为解决高精度要求的ADC/DCA、仪表放大器及音频放大器等应用场合对高增益、低功耗运算放大器的要求,本文以提高运算放大器的增益和降低运算放大器的功耗为主要任务,开展了如下研究。本文首先设计了一款高增益的三级运算放大器,采用五管全差分、套筒式共源共栅和典型共源极作为放大级,并设计了共模反馈、频率补偿和偏置电路。基于运放的零极点理论和极点分裂效应,分别对该运放应用了嵌套式密勒补偿（NMC）和阻抗调节补偿（IAC）技术。采用TSMC 0.18μm CMOS工艺库中耐压值3.3V的晶体管及HSPICE软件该运放进行了仿真,当电源电压为3V时,其开环增益为155d B,单位增益带宽为110MHz,采用NMC补偿结构时其相位裕度为84°、静态功耗为7.07m W,采用IAC补偿结构时其相位裕度为58.3°、静态功耗为7.14m W。为了提高低电压低功耗情形下运算放大器的增益,对比研究当前增益提高的设计方法后,本文设计了一款低功耗且具有较高增益的三级运算放大器。第一级为全差分输入级,第二级为互补型交叉耦合电流镜负载放大器,在继承电流镜负载高增益优点的同时实现了双端输出,第三级为共源极结构以增大输出摆幅,放大电路均使用Self-Cascode增加输出阻抗以提高增益。此外还设计了共模反馈、频率补偿及偏置电路。基于运放的零极点理论和极点分裂效应,采用阻尼因子抑制补偿（DFCFC）技术进行频率补偿以保证运算放大器的稳定性。采用TSMC 0.18μm CMOS工艺库中耐压值1.8V的晶体管,分别用HSPICE软件和Cadence软件对所设计的运算放大器进行了仿真。当电源电压为1.8V时,其增益为123d B,相位裕度为62°,单位增益带宽为76MHz,静态功耗为0.512m W;当电源电压为1.3V时,其增益为90.8d B,相位裕度为62.3°,单位增益带宽为70MHz,静态功耗为0.176m W。仿真结果表明,降低电源电压并使用Self-Cascode电路结构后,运算放大器的功耗显著降低且获得了较高的增益,这些研究成果为低功耗、高增益运算放大器的设计提供了参考思路。

关键词：三级运算放大器频率补偿自级联高增益低功耗

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低失调低温漂运算放大器设计

低失调低温漂运算放大器设计

作者：樊吉涛哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

运算放大器通常是集成电路中的关键模块之一，它的失调及温漂指标对于整个电路的性能有重要的影响。因此针对于高电源电压工作环境的低失调低温漂运算放大器的研究具有重要的意义。本文设计了一种工作在高电压下(15V8V)可以连续处理信... 详细信息

运算放大器通常是集成电路中的关键模块之一，它的失调及温漂指标对于整个电路的性能有重要的影响。因此针对于高电源电压工作环境的低失调低温漂运算放大器的研究具有重要的意义。本文设计了一种工作在高电压下(15V8V)可以连续处理信号的具有低失调电压、低温漂系数运算放大器。运算放大器采用了三级放大结构，使运算放大器既具有低失调低温漂的特性又具有较高的开环增益。主体电路的前两级采用PMOS作为输入差分对管来减小输入噪声;第一级采用差分结构、第二级采用折叠式共源共栅结构，使其可以在降低失调电压与温度系数的同时还能获得较大增益;第三级采用基本的共源级结构来提高运放整体的输出摆幅;补偿电路使用嵌套式密勒补偿，使运放具有很好的闭环稳定性。为了降低偏置源的温漂系数，采用了一种三级集电极串联接地的带隙基准结构为运算放大器提供偏置电压，该结构具有超低的温漂系数和较高的输出精度。基于0.5μm高压CMOS工艺对运算放大器进行晶体管级设计，使用Cadence软件对低失调低温漂运算放大器进行仿真。仿真结果为：开环增益109dB;相位裕度为79度;温度影响为114nV/℃;失调电压为11.087μV;输入等效噪声为9.037nV/(Hz)。带隙基准源在-55℃25℃区间内输出电压变化为1.25mV;温度系数为18.1ppm/℃;电源抑制比在低频时达到70dB。以上仿真结果表明，设计的低失调低温漂运算放大器满足设计要求。

关键词：三级运算放大器低失调低温漂带隙基准

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片上低压差线性稳压器的研究与设计

片上低压差线性稳压器的研究与设计

作者：周思敏重庆邮电大学

学位级别：硕士

低压差线性稳压器(Low Dropout Linear Regulator,LDO)因其低噪声、高电源抑制、输出稳定同时具有良好的负载调整率等优点,在各类便携式移动设备的电源管理芯片中有着广泛的应用。随着片上系统(System on a Chip,SoC)的发展,片上LDO稳... 详细信息

低压差线性稳压器(Low Dropout Linear Regulator,LDO)因其低噪声、高电源抑制、输出稳定同时具有良好的负载调整率等优点,在各类便携式移动设备的电源管理芯片中有着广泛的应用。随着片上系统(System on a Chip,SoC)的发展,片上LDO稳压器成为电源管理系统设计的热点之一。基于此,本文采用SMIC 0.18μm CMOS工艺设计了一种应用于SoC的片上低压差线性稳压器。主要包括以下内容:首先,分析介绍了带隙基准(Bandgap Reference,BGR)电路的工作原理和温度特性,讨论了几种典型的温度补偿技术。基于此,在传统的带隙基准中引入一个与温度T成1.5次方的电流,并采用分段线性温度补偿技术设计了一种高阶温度补偿的带隙基准电压源。仿真结果显示,所设计的带隙基准的温度系数为3.71ppm/°C,低频处的电源抑制比为-136dB。其次,在分析片上LDO稳压器的频率补偿以及三级运算放大器的经典频率补偿技术基础上,采用嵌套式密勒补偿(Nested Miller Compensation,NMC)与有源反馈补偿(Active Feedback Frequency Compensation,AFFC)技术,设计了一种可驱动大负载电容的嵌套式有源反馈密勒补偿(NMAFC)的三级运算放大器。仿真结果显示,所设计的三级运算放大器获得了112dB的直流增益,68°的相位裕度以及4.92MHz的单位增益带宽。最后,分析并设计了片上LDO稳压器电路系统中的短路保护、过流保护、温度保护、瞬态增强等辅助电路。在所设计的NMAFC三级运算放大器基础上,采用SMIC 0.18μm CMOS工艺设计了一种应用于SoC的片上LDO稳压器。仿真结果显示,所设计的片上LDO稳压器输出电压的压差电压为195mV,其温度系数为3.76ppm/°C,低频处的电源抑制比为-90.1dB,负载调整率为0.00034mV/mA,线性调整率为0.193mV/V。

关键词：线性稳压器低压差带隙基准频率补偿三级运算放大器

用于片上系统的全片上集成、低压差线性稳压器的设计

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用于片上系统的全片上集成、低压差线性稳压器的设计

作者：马海峰复旦大学

学位级别：硕士

随着CMOS工艺技术的不断发展,集成了越来越多功能模块的片上系统(SoC)逐渐成为工业界设计的主流与核心竞争力所在。在SoC的设计中,为了避免不同模块之间电源噪声的相互串扰,通常需要采用多个本地独立电源为各个模块供电。在这种情况下,... 详细信息

随着CMOS工艺技术的不断发展,集成了越来越多功能模块的片上系统(SoC)逐渐成为工业界设计的主流与核心竞争力所在。在SoC的设计中,为了避免不同模块之间电源噪声的相互串扰,通常需要采用多个本地独立电源为各个模块供电。在这种情况下,全片上集成的、无需消耗额外的芯片管脚的低压差线性稳压器(LDO)的设计对于进一步提高SoC的集成度和减少PCB板级原材料成本显得很有实际意义。本文首先介绍了LDO电路的常用结构以及表征LDO电路性能的一系列指标。另外,还介绍了LDO电路设计中的一系列设计考虑,如频率补偿,瞬态响应,噪声性能等等。为了给全片上集成LDO电路的频率补偿结构提供参考和借鉴,本文随后介绍了驱动大负载电容的三级运算放大器的设计。在详细的介绍了用于频率补偿中的电流缓冲器模块后,提出了一种高性能的采用嵌套式有源密勒补偿的三级放大器的频率补偿结构,并给出了数种该结构放大器的晶体管级的实现方式。其后,本文详细的分析了全片上集成LDO在设计上遇到的一系列问题并随后介绍了一种能够在全负载电流范围内完全稳定的、面积优化的低压差线性稳压器的结构。为了验证上述电路,在之后的章节中给出了三级放大器以及全片上集成LDO电路的芯片验证和测试结果。同时还给出了与已有的数种同类型电路的性能比较。从而充分的证明了本文所提出技术的有效性与先进性。

关键词：片上系统低压差线性稳压器三级运算放大器频率补偿稳定性

高增益、低噪声的石英陀螺计电荷检测电路设计

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电子技术与软件工程 2017年第12期 118-118页

作者：张尔东曹一江崔倩哈尔滨石油学院信息工程学院哈尔滨理工大学应用科学学院电子科学与技术系黑龙江省哈尔滨市150080

采用三级运放结构设计了一种专用于石英陀螺计中的高精度CMOS集成电荷检测电路。整体电路在第一、二级运放中分别采用全差分输出和输入的结构,减小了整体系统的失调温度系数和失调电压值;其中,PMOS差分输入和折叠式共源共栅结构为运放... 详细信息

采用三级运放结构设计了一种专用于石英陀螺计中的高精度CMOS集成电荷检测电路。整体电路在第一、二级运放中分别采用全差分输出和输入的结构,减小了整体系统的失调温度系数和失调电压值;其中,PMOS差分输入和折叠式共源共栅结构为运放提供了较低的噪声和较大的增益;自举基准电流源及其启动电路功能和新型反馈结构来进行频率补偿的方法提高了电路的精确度、增强了抗电源干扰能力、改善了电路的稳定性。

关键词：石英陀螺计电荷检测三级运算放大器