全差分兩級放大電路.doc

綜合課程設計研究報告課題名稱： 全差分兩級運放 研究人員： 指導教師： 王向展 寧寧 201 年1月1日微電子與固體電子學院目 錄一、緒論1（一）研究工作的背景與意義1（二）國內(nèi)外現(xiàn)狀分析1二、研究目標、研究內(nèi)容與技術指標1（一）研究目標1（二）研究內(nèi)容1（三）關鍵技術1（四）技術指標2三、電路工作原理2（一）電路結構理論2（二）關鍵電路模塊2（三）非理想效應2四、電路設計與仿真3（一）電路設計方案3（二）電路設計結構3（三）電路仿真及結果3五、全文總結與展望3參考文獻4一、緒論（一）研究工作的背景與意義隨著模擬集成電路技術的發(fā)展，高速、高精度運算放大器得到廣泛應用。全差分運算放大器在輸入動態(tài)范圍、抑制共模信號和噪聲的能力等方面，較單端輸出運放有很大優(yōu)勢，成為應用很廣的電路單元。另外，全差分輸出時的輸出電壓信號幅度比單端輸出時增大一倍，這對低電源電壓供電的現(xiàn)代CMOS電路尤為重要，因為這可以擴大輸出信號的動態(tài)范圍。因此，本文討論并設計了滿足一定要求的全差分運算放大器。（二）國內(nèi)外現(xiàn)狀分析從第一顆運算放大器IC問世到現(xiàn)在，運算放大器技術已經(jīng)在半導體制造工藝和電路設計兩方面取得了巨大進展。在大約40年的發(fā)展過程中，IC制造商們利用上述先進技術設計出了近乎“完美”的放大器。雖然什么是理想放大器很難有一個精確定義，但它卻為模擬設計工程師提供了一個目標。理想放大器應該無噪聲、具有無窮大增益、無窮大輸入阻抗、零偏置電流以及零失調(diào)電壓，它還應該不受封裝尺寸限制，不占用空間。上述這些，都是許多教科書為了得到簡單的傳遞函數(shù)而做出的種種假設。 未來放大器市場增長的驅動力主要有三方面：其一,便攜式應用的低功耗要求將推動具有低操作電源電壓/電流的放大器增長;其二,高分辨率應用需要能降低噪聲和失真度的放大器;其三,由于性能和價格壓力持續(xù)上揚,因此能夠集成其他功能的放大器前景樂觀。測試和測量、通信、醫(yī)療影像等領域的先進應用是提升放大器性能的主要驅動力;DSL和消費類視頻應用是最大的市場,而且未來將繼續(xù)此趨勢。其中,DSL運放的增長點主要在于線路驅動器。而整合了濾波、多路技術以及DC恢復等功能的消費類視頻放大器也被看好。從應用的角度講,不同的系統(tǒng)對運放有不同要求,選擇合適的運放對于系統(tǒng)設計至關重要。對于通信、高速測量儀表及超聲波設備等高速應用,交流特性極為重要。但對于低速的高精度系統(tǒng),直流方面的特性則通常更為重要。衡量系統(tǒng)在交流特性方面的參數(shù)有信號帶寬、失真率、噪聲等;而衡量系統(tǒng)在直流特性方面的參數(shù)有輸入補償電壓、開環(huán)增益、輸入偏置電流及共模抑制比等。二、研究目標、研究內(nèi)容與技術指標（一）研究目標1.兩級全差分放大電路輸入、輸出均為差分信號。比起單端輸出的運放，全差分運放能提供更大的輸出電壓擺幅，并能更好地抑制共模噪聲的干擾。（二）研究內(nèi)容論文首先對典型的兩級全差分運算放大器進行分析，通常運算放大器由差分輸入級、高增益放大級、相位補償電路、偏置電路等各個部分組成。這些部分在電路工作的時候都起到了不同的功能。后文將會介紹全差分運算放大器各功能模塊的作用。1.與單端輸出相比FD運放的問題全差分運放需要共模反饋電路（CMFB）來穩(wěn)定輸出共模電壓。2.FD運放組成FD運放一般由差分輸入級、放大級和CMFB組成。（三）關鍵技術1.CMFB共模反饋電路為了穩(wěn)定輸出共模電壓，應加入共模負反饋電路。在設計輸出平衡的全差分運算放 大器的時候，必須考慮到以下幾點： （1）共模負反饋的開環(huán)直流增益要求足夠大，最好能夠于差分開環(huán)直流增益相當； （2）共模負反饋的單位增益帶寬也要求足夠大，最好接近差分單位增益帶寬； （3）為了確保共模負反饋的穩(wěn)定，一般情況下要求進行共?；芈费a償； （4）共模信號監(jiān)測器要求具有很好的線性特性； （5）共模負反饋與差模信號無關，即使差模信號通路是關斷的。（四）技術指標VDD=3.3V10%，CL=3.0pF增益Gain70dB帶寬GBW 230MHz相位裕度PM 45差分輸出擺幅2.2V壓擺率 200V/s三、電路工作原理輸入級采用差動放大器，可以提高運放的共模抑制比，從而改善運放的抗噪聲能力和失調(diào)性能。高增益放大級要求提供足夠高的電壓增益和大的輸出電壓擺幅。差動輸出具有更好的抑制共模信號和噪聲的能力，同時使輸出電壓信號幅度增加了一倍。偏置電路給各級放大器提供合適的偏置電壓或偏置電流，要求這些偏置電壓或偏置電流盡可能不隨電源電壓、工藝參數(shù)和溫度而變化。為了保證運放在負反饋狀態(tài)下能夠穩(wěn)定工作，需要加入相位補償電路（通常加在高增益放大級）。但在實際運放的結構劃分可能并沒有那么明確。因此，我們最終還是要的運放的整體性能。（一）電路結構理論典型的全差分運算放大器可以由以下四個部分組成：圖1.典型全差分運放電路結構圖（二）關鍵電路模塊1.套筒式兩級全差分運放結構圖22.偏置電路圖3（三）非理想效應1. 靜態(tài)功耗運算放大器的靜態(tài)功耗為。其中為靜態(tài)電流。如果靜態(tài)功耗確定下來了，那么就可以確定整個電路的工作電流。因為設計要求要使靜態(tài)功耗盡可能地小，又因為已經(jīng)確定。因此，要使靜態(tài)功耗盡可能地小，可以采取源極反偏法、雙閾值法、多閾值法或變閾值法。2. 等效輸入?yún)⒖荚肼曃覀冎烂恳粋€MOS管都有一個可以等效到柵端的輸入?yún)⒖荚肼?，如圖所示。圖2.MOS管的噪聲來源和等效輸入?yún)⒖荚肼曈杏捎跍系离娮璁a(chǎn)生的熱噪聲在輸入端的表現(xiàn)，以及MOS管的閃爍噪聲。即由于第二級的噪聲要除以第一級的增益才反映到輸入端，因此會比較小，所以可以忽略不計。因此，整個電路的輸入端噪聲主要來自于第一級。四、電路設計與仿真（一）電路設計方案圖3.兩級全差分運放電路設計圖W/LMultiplierLM1,M22/1430.5umM3,M42/1420.5umM5,M62/1500.5umM7,M82/1320.5umM9,M122/1870.4umM10,M112/1440.5umM02/1270.5umMc1,Mc2,Mc3,Mc42/1200.5umMc5,Mc62/1100.5umMc72/1250.5umM131/110.5umM15,M182/140.5umM142/1100.5umM168/510.5umM171/110.5umM192/130.5umM202/1200.5umM211/110.5umCc0.9pFRz1k表1 元件參數(shù)（二）電路設計結構1. 幅頻相頻測試電路2. 轉換速率SR測試電路3.輸出擺幅測試電路（三）電路仿真及結果1. 幅頻相頻測試結果由仿真結果可以看出，增益有103dB，單位增益帶寬有244MHz，相位裕度46。均達到設計指標。2. 轉換速率SR測試結果可以得出，SR=275V/us。3.輸出擺幅測試結果從仿真結果看，輸出范圍在0.36V到2.99V是線性范圍，所以輸出擺幅為2.63V。差分輸出擺幅為2.63V。最后總的實際電路結構仿真結果指標如表2所示。設計指標實際指標VDD3.3V10%3.3V10%增益Gain70dB103dB帶寬GBW 230MHz244MHz相位裕度PM 4546差分輸出擺幅2.2V2.63V壓擺率 200V/s275V/usCL3.0pF3.0pF表2五、全文總結與展望 1.可以看出來兩級全差動運算放大器比普通的兩級運算放大器的電壓增益高許多，這也是使用較為廣泛的原因之一。2.降低靜態(tài)功耗上還是出現(xiàn)了一些問題可以再做優(yōu)化,輸出級參數(shù)設置還可以再優(yōu)化。3. 我們認為，放大器當今最需要做到的就是改進生產(chǎn)工藝以降低它的噪聲與功耗，提高集成度，減小體積，減少成本，滿足現(xiàn)在的電子產(chǎn)品對高速、高精度、低功耗、量產(chǎn)化的要求。4.分工： 參考文獻 1譚博學,苗匯靜集成電路原理及應用，電子工業(yè)出版，2008-1,44-952葛康康,高速運算放大器的設計浙江大學,2008-43劉志惠,徐晉,楊謨?nèi)A,李競春,一種全差分高速運算放大器的設計,四川省電子學會半導體與集成技術專委會學術年會,2008-24 甘學溫、趙寶瑛，集成電路原理與設計，北京大學出版，2006-2 全文統(tǒng)一格式要求：1.頁面設置：全篇A4幅面，上、下頁邊距3.0cm，左、右頁邊距2.6cm，裝訂線0cm，頁眉1.5cm，頁腳2.0cm；頁碼居中，首頁不顯示頁碼。2.正文格式：所有行間距為固定值25磅，對齊網(wǎng)格，首行縮進2字符。一級標題黑體三號字；二級標題楷體三號字，加粗；三級及四級標題均為仿宋_GB2312四號字，加粗；正文為宋體小四號字。標題編號次序為：二（二）22.12.1.1（1）3.頁碼：目錄為，正文為1 2，居中對齊，字體為Times New Roman五號字。4.圖、表編號形成為：二級標題-序號，如圖3-3、表2-2等。圖題位置在圖的下方，宋體五號字；表頭位置在表格上方，宋體五號字。圖中、表中字號為五號或小五。5.表格：外框寬度為1 1/2磅；表內(nèi)文字單倍行距。6.公式：長、復雜公式用MathType輸入，單獨一行，編號右對齊，編號形成為：二級標題-序號，如(3-3)；簡單公式用正文字體表示，如Vgs = 3V。7.成文后封面、目錄頁和標識頁單面打印，其余雙面打印。8.其他要求見標示。9.正式成文后，刪除所有紅色標注和說明。10. 論文最后一頁增加參考文獻。參考文獻單獨成頁。參考文獻體現(xiàn)的是對知識產(chǎn)權和同行研究成果的尊重，格式上不同期刊、雜志、論文等要求不同。報告要求以碩士/博士論文參考文獻要求為參照。錯誤示例:錯誤示例一：A圖8黑色背景不符合文印規(guī)范，應至少反色處理。此外，圖中電路結構、文字信息應讓讀者能夠看清。B. 圖8僅有編號無圖題（即名稱）C圖9坐標不清，無關鍵點的標注。D圖8、圖9均未有正文