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基于双极型工艺的低噪声运算放大器的设计

基于双极型工艺的低噪声运算放大器的设计

作者：任永春电子科技大学

学位级别：硕士

运算放大器在如今的电路系统中随处可见,并且现在的运算放大器大都是具有特殊性能的专用运放。运放对微弱的信号非常敏感,很容易被环境中或者内部的噪声信号所影响,当噪声的数量级与有用信号的数量级相同时会对输出信号造成严重的影响... 详细信息

运算放大器在如今的电路系统中随处可见,并且现在的运算放大器大都是具有特殊性能的专用运放。运放对微弱的信号非常敏感,很容易被环境中或者内部的噪声信号所影响,当噪声的数量级与有用信号的数量级相同时会对输出信号造成严重的影响。那么运放的噪声特性就显得相当重要,因此降低运放的噪声具有非常重大的意义。同时双极型工艺相比于MOS工艺,具有较小的失调、较强的电流驱动能力以及更好的噪声特性等,所以绝大部分高精度运放都采用双极型工艺。本文主要致力于设计一款基于双极型工艺的低噪声运放。从工艺、器件、电路结构、电路参数四个角度介绍了运放低噪声的实现方法;输入级运用电阻负载差分对结构和偏置电流消除电路以减小运放的噪声电压和输入偏置电流、中间级运用折叠式共射共基结构以提高运放的增益、输出级运用双缓冲输出结构以提高运放的带负载能力和输出电压摆幅;设计合适的基准电流源以及偏置电路为运放提供合理的偏置电压;设计典型的密勒补偿电路以及前馈补偿电路以提高运放的稳定性;文章详细推导了运放的各项主要参数如等效输入噪声电压、输入失调电压、开环增益、转换速率等。本课题采用上海先进3μm的Bipolar工艺,运用HSPICE软件仿真,结果表明,当供电电压为±15 V时,在1 kHz时的等效输入噪声电压为2.465 nV/Hz;输入失调电压为0.0146 mV,开环增益达到131.3 dB,共模抑制达到170 dB,单位增益带宽为6.06 MHz,相位裕度为51.7°,转换速率为2.61 V/μs。在版图的设计过程中运用一层金属布线,最终通过版图验证,版图面积为4100μm×2590μm。因此,本文所设计的运放不仅具有极低的噪声,在其他方面也表现出色,基本达到设计指标。

关键词：运算放大器双极型工艺低噪声等效输入噪声电压

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用于双极型工艺认证的微电子测试图形研究

华东师范大学学报(自然科学版) 1988年第3期 44-49页

作者：桂力敏范焕章张蓓榕汪宗禹贺德洪汤世豪华东师范大学电子科学技术系

本文提出一种用于科学地评价双极型半导体器件(npn或pnp晶体管)工艺水平的微电子测试图形。该测试图形由物理分析及工艺参数测试结构、器件参数测试结构等部分组成,测试结构的探脚采用阵列式引出,适合2×N探卡进行探测。多数测试结构能... 详细信息

本文提出一种用于科学地评价双极型半导体器件(npn或pnp晶体管)工艺水平的微电子测试图形。该测试图形由物理分析及工艺参数测试结构、器件参数测试结构等部分组成,测试结构的探脚采用阵列式引出,适合2×N探卡进行探测。多数测试结构能用我们研制的微电子测试图形参数自动测试仪进行及数据处理。文中还给出利用本测试图形对工厂生产线工艺水平进行评估的实例。

关键词：半导体器件双极型工艺测试图形

基于0.18μm双极型工艺的可变增益放大器设计

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微电子学 2024年第4期54卷 638-643页

作者：汪柏康蒋颖丹张斌张沁枫俞阳秦战明孙文俊中国电子科技集团公司第五十八研究所江苏无锡214072

可变增益放大器作为接收机系统前端核心模块,具有调整增益、稳定功率、调整信号动态范围的作用,其性能直接影响整个系统的动态、带宽、灵敏度等核心技术指标。基于0.18μm双极型工艺设计了一款可变增益放大器,电路核心结构由跨导(GM)单... 详细信息

可变增益放大器作为接收机系统前端核心模块,具有调整增益、稳定功率、调整信号动态范围的作用,其性能直接影响整个系统的动态、带宽、灵敏度等核心技术指标。基于0.18μm双极型工艺设计了一款可变增益放大器,电路核心结构由跨导(GM)单元、GM单元偏置模块和固定增益放大器组成,固定增益放大器采用折叠共射共基结构提高增益与带宽,通过设计GM单元偏置电路产生连续控制电压实现dB线性可变增益放大器设计。后仿真结果表明,电源电压为5 V,3 dB带宽为500 MHz,增益线性控制范围为-7.5~42.5 dB,半增益处输出1 dB压缩点为9 dBm,高低温条件下增益误差小于1.3 dB。

关键词：可变增益放大器 dB线性增益双极型工艺

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一种超低失调集成运算放大器的设计与实现

半导体技术 2024年第2期49卷 143-150页

作者：刘传兴何贵昆马奎杨发顺贵州大学大数据与信息工程学院贵阳550025 贵州省微纳电子与软件技术重点实验室贵阳550025 半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心贵阳550025

基于双极型工艺设计了一种超低失调集成运算放大器。通过在差分输入级的有源负载处设计电阻修调网络来调整失调电压,并针对基极电流补偿不可控的问题设计了可修调的基极电流补偿结构来降低偏置电流,利用激光修调技术减小基极补偿结构引... 详细信息

基于双极型工艺设计了一种超低失调集成运算放大器。通过在差分输入级的有源负载处设计电阻修调网络来调整失调电压,并针对基极电流补偿不可控的问题设计了可修调的基极电流补偿结构来降低偏置电流,利用激光修调技术减小基极补偿结构引入的随机失调,有效改善了输入级失调。增益级采用结型场效应晶体管(JFET)差分对管以获得高增益,输出级采用全npn晶体管的乙类输出结构可满足大功率输出需求。芯片实测数据表明:在全温度范围内,失调电压最大为-25.3μV,失调电压温漂为0.025μV/℃,输入偏置电流为-3.535 nA,输入失调电流为-0.825 nA。实现了超低的失调电压、电流和温漂。

关键词：低失调低温漂基极电流补偿激光修调双极型工艺

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一种低功耗低失调的集成运算放大器

半导体技术 2024年第9期49卷 851-857页

作者：付玉杜承钢闵睿杨发顺马奎贵州大学大数据与信息工程学院贵阳550025 贵州辰矽电子科技有限公司贵阳550014 贵州省微纳电子与软件技术重点实验室贵阳550025 半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心贵阳550025

针对高精度、低功耗运放的需求,利用40V双极型工艺设计了一款电源电压为3~30V的低功耗、低失调集成运算放大器。该运放为单片四通道结构,利用一个不完全对称的二级运放,以减小电路的功耗,同时使得输入级失调得到有效改善。并且在输入级... 详细信息

针对高精度、低功耗运放的需求,利用40V双极型工艺设计了一款电源电压为3~30V的低功耗、低失调集成运算放大器。该运放为单片四通道结构,利用一个不完全对称的二级运放,以减小电路的功耗,同时使得输入级失调得到有效改善。并且在输入级加入了一对射极跟随器,增大电路的输入阻抗,使得输入基极电流有效减小。芯片的测试结果表明,在-55~125℃的范围内,平均开环增益可以达到105.998dB,平均失调电压为159.27μV,平均输入偏置电流为-5.787nA,平均输入失调电流为-0.287nA,单个运放的平均电源电流为189.679μA。

关键词：双极型工艺低功耗低失调二级运放射极跟随器输入阻抗

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半导体温度传感器及其芯片集成技术

仪表技术与传感器 2003年第12期 1-2,6页

作者：林凡吴孙桃郭东辉厦门大学福建厦门361005

半导体温度传感器是利用集成电路的工艺技术,将硅基半导体的温度敏感元件与外围电路集成在同一芯片上,与传统类型的温度传感器比较,具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。分别介绍了双极型工艺和CMOS工艺下的半导体... 详细信息

半导体温度传感器是利用集成电路的工艺技术,将硅基半导体的温度敏感元件与外围电路集成在同一芯片上,与传统类型的温度传感器比较,具有灵敏度高、线性好、体积小、功耗低、易于集成等优点。分别介绍了双极型工艺和CMOS工艺下的半导体温度传感器的基本设计原理,并具体提出一种CMOS型集成温度传感器设计电路。此外,还介绍了半导体温度传感器的芯片集成技术,并总结了IC设计中出现的关键技术问题与解决方法。

关键词：半导体温度传感器集成电路单片系统灵敏度双极型工艺 CMOS工艺

一种用于光隔离IGBT栅极驱动的智能型LED驱动电路

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半导体光电 2024年第1期45卷 79-83页

作者：徐鉴邓光平蒲熙刘昌举张继华电子科技大学集成电路科学与工程学院成都611731 重庆光电技术研究所重庆400060

采用双极型工艺设计了一种智能型高速LED驱动电路,可用于光隔离IGBT栅极驱动芯片的输入驱动。该设计采用一种新型逻辑门结构来实现信号传输、故障反馈以及外部置位等功能,同时达到降低信号传输延迟时间的目的。测试结果表明,在常温条件... 详细信息

采用双极型工艺设计了一种智能型高速LED驱动电路,可用于光隔离IGBT栅极驱动芯片的输入驱动。该设计采用一种新型逻辑门结构来实现信号传输、故障反馈以及外部置位等功能,同时达到降低信号传输延迟时间的目的。测试结果表明,在常温条件下,LED驱动电路的输入信号传输延迟时间为70 ns,复位信号有效到故障消除的延迟时间为4.59μs。所设计的驱动电路能够满足光耦隔离IGBT栅极驱动芯片的使用要求。

关键词：绝缘栅双极型晶体管双极型工艺光耦隔离故障反馈 LED驱动电路

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低噪声视频运算放大器芯片设计

低噪声视频运算放大器芯片设计

作者：尤其伟贵州大学

学位级别：硕士

视频运算放大器是视频信号处理系统的关键部分之一。当下,随着短视频和直播行业的兴起,视频运算放大器的应用场景越来越广泛,对其性能的要求也越来越高。高速和低噪声是视频运算放大器的两个关键性能指标,也是这类集成电路设计和实现的... 详细信息

视频运算放大器是视频信号处理系统的关键部分之一。当下,随着短视频和直播行业的兴起,视频运算放大器的应用场景越来越广泛,对其性能的要求也越来越高。高速和低噪声是视频运算放大器的两个关键性能指标,也是这类集成电路设计和实现的难点。与MOS器件相比,双极型器件的线性度更好、噪声更低、速度更快,更适合制作低噪声视频运放。本论文基于集成有多晶硅发射极晶体管的高速互补双极型工艺设计了一种低噪声视频运算放大器,仿真优化了电路,研究结果满足预期要求。论文的主要工作包括:(1)低噪声视频运算放大器的速度和噪声参数的详细理论分析。从简单的电路模型中求出单位增益带宽、压摆率和建立时间的数学表达式,从集成工艺、电路结构和电路参数上给出提高速度的方法。经过系统深入的理论分析,从工艺器件、电路结构和电路参数上给出降低噪声的方法。(2)低噪声视频运算放大器电路的设计、分析及优化。设计共射共基电流源来作为输入级的有源负载,相比于简单的电流镜电路,该电流源具有极高的输出阻抗。设计基极电流消除电路,使偏置电流减小到n A级别,以减小电路的噪声。选择两级运放结构,减少零极点个数,提高运放的速度。输入级采用折叠式共射共基电路进行信号的差分放大。输出级采用双重缓冲式推挽电路,提高输出电压范围和运放的带负载能力。引入频率补偿电路,提高整体电路的稳定性。仿真结果表明:10 k Hz频率下等效输入噪声电压密度为1.026 n V/√Hz,压摆率达到457.9 V/μs,增益为89.39 d B。(3)低噪声视频运算放大器芯片版图的设计和验证。首先,合理设计芯片布局,并使用寄生电容较小的高频管来提高运放的速度,在信号线两边添加地线来实现信号线的噪声隔离。然后,合理设计各个单元版图,并整合形成芯片整体版图。最后,对芯片版图进行DRC、LVS验证和优化。设计的低噪声视频运算放大器芯片整体版图的尺寸为453.8μm×506.4μm,并通过DRC、LVS验证。

关键词：集成电路视频运算放大器双极型工艺高速低噪声

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一种低功耗轨到轨运算放大器的研究与设计

一种低功耗轨到轨运算放大器的研究与设计

作者：胡林电子科技大学

学位级别：硕士

运算放大器是模拟集成电路中最基本的组成部分之一,其性能好坏影响着整个电路系统的性能表现。随着便携式电子产品的逐渐普及,低电压、低功耗运算放大器成为模拟电路领域的一个研究热点。由于较低的电源电压和电源电流会降低运放的动态... 详细信息

运算放大器是模拟集成电路中最基本的组成部分之一,其性能好坏影响着整个电路系统的性能表现。随着便携式电子产品的逐渐普及,低电压、低功耗运算放大器成为模拟电路领域的一个研究热点。由于较低的电源电压和电源电流会降低运放的动态范围和噪声性能,使得低电压、低功耗系统对运算放大器提出了更高的要求。为了得到最大化的动态范围,需要对传统运放结构进行改进,使运放能够处理负电源轨到正电源轨的电压信号。因此对低功耗轨到轨运算放大器的研究具有重要意义。本文介绍了功耗与噪声、稳定性之间的折衷关系,分析了双极型工艺在低功耗设计中具有的优势,并研究了轨到轨恒定跨导输入级和轨到轨输出级的基本原理。结合相关理论知识,本文设计了一款基于双极型工艺的低功耗轨到轨运算放大器。偏置电路采用峰值电流源提供基准电流;输入级使用一个电流开关结构实现恒定跨导,并采用开关管串联电阻的方法扩展过渡区范围,进而提高过渡区的共模抑制比;中间级采用折叠式共射-共基结构提高运放的开环增益;输出级采用AB类共射极结构实现轨到轨输出电压摆幅。本文所设计的运算放大器采用中科渝芯WC40S双极型工艺,并使用Cadence Spectre仿真工具对电路进行仿真验证。仿真结果表明,运放的共模输入电压范围和输出电压摆幅达到轨到轨输入/输出要求。室温下,静态电源电流为346μA,开环增益为115.9d B,单位增益带宽为3.08MHz,相位裕度为65.6°,共模抑制比为131.8d B,正、负电源电压抑制比分别为131.3d B和136.7d B,正、负压摆率分别为1.02V/μs和1.2V/μs。最后,完成了四通道运算放大器的版图设计并进行流片测试,测试数据基本符合仿真结果。运放的失调电压处于100μV00μV之间;在1k Hz时测得的等效输入噪声电压密度处于200n V/Hz之间。以上结果表明本文设计的运算放大器达到了预期的指标要求。

关键词：运算放大器轨到轨双极型工艺低功耗