使用电平移位法的恒定跨导轨至轨运算放大器设计
由于模拟集成电路的不断发展，芯片的尺寸也变的越来越小，于是一种叫CMOS的技术便被提了出来，这种技术不仅能够在很大程度减小芯片的尺寸，而且适用于低功耗，低电压的环境下，这使得其在模拟集成电路中应用的越来越广泛。其中以一种叫做轨至轨的运放尤为突出。本课题就是研究的一种基于低压低功耗的轨至轨运算放大器。本文研究的这种轨至轨运放还有一个特点，就只在输入的共模电压变化范围内，始终保持跨导的恒定，这样做有个好处，那就是能够有效的减少和避免共模输入电压的失真。
Keywords: levelshift Constant transconductance railtorail operational amplifier 目 录
第一章 绪论 6
1.1 课题背景及意义 6
1.2 电路的设计过程以及性能指标 7
1.2.1设计过程 7
1.2.2性能指标 7
1.3研究内容与论文的结构安排 8
第二章 采用电平移位法的恒定跨导轨至轨运算放大器的设计 9
2.1 设计的总体结构框图 9
2.2 轨至轨的差分输入级 9
2.2.1 轨至轨运放输入级 9
2.2.2 通过电平移位来控制跨导恒定电路 11
2.3 中间放大级 14
2.4 轨至轨的输出级电路 15
2.5 带隙基准电压电路 15
2.6 实际设计 18
本章小结 18
第三章 仿真 19
3.1 带隙基准的仿真 19
3.1.1温度系数 19
3.1.2带隙基准电源抑制比 20
3.2 轨至轨运算放大器的仿真 20
3.2.1 失调电压 20
3.2.2 CMIR 22
3.2.3 运放输出电压摆幅 23
3.2.4 运算放大器的恒定跨导 25
3.2.5 运放频率特性的仿真 26
3.2.6 CMRR 27
3.2.7 运放的电源抑制比仿真 29
3.2.8 运算放大器的仿真性能与理论性能的比较 31
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本章小结 31
第四章 设计的不足点以及需要改进的地方 32
结束语 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
随着时代和社会的发展，电子产品也在不断的发展。渐渐的从体积较大，较笨重的产品发展到现在的体积较小，较轻便的产品。这也就推动了微电子的发展。
我们都知道电路是电子产品能够成功实现其功能的最核心的东西。然而在模拟集成电路中运算放大器是最常用的，因此运算放大器就成了组成模拟集成电路最基本的单元，在大部分的电子系统中都有应用。
在模拟电路刚开始研究的初期，我们都是采用的晶体管来作为实现运放的器件，但随着在同一衬底上摆放多个电元器件的思想的提出，模拟集成电路的思想于是就提出来了。如Intel公司的创始人戈登摩尔所言，每个芯片上的晶体管的数量大约每18个月翻一番。这也预示着模拟集成电路的速度也在高速的发展。
由于在考虑到模拟集成电路的电路的复杂度以及消耗功率，这时候一种叫CMOS的技术发展了起来。这种CMOS技术中场效应管和晶体管主要能够实现的功能上都基本相似。然而与晶体管不同是MOS器件的尺寸是很容易按比例缩小的，而且在成本方面，CMOS电路的成本远比晶体管的成本要低。但是它也有它的不足，那就是速度慢且噪声相比双极型晶体管来说较大。这并没有阻碍它的发展，CMOS技术仍在高速的发展。
为了能够进一步的减小模拟电路的功耗，一种低电源电压的模拟电路在模拟集成电路中流行了起来。这种电路具有两个方面的好处，第一个好处是能够减小功耗，节能；第二个好处就是采用低的电源电压这会使电路的稳定性更加稳定。
然而有利也有弊。这种电路唯一缺点就是运算放大器的动态幅度回受到很大的影响，为了减小动态幅度对运放的影响，一种轨至轨的运算放大器于是就被研究了出来。这种放大器有一个特点：就是能够实现满摆幅输入输出，电源电压多少，它就能够基本的达到电源电压的摆幅输入输出。
1.2 电路的设计过程以及性能指标
1.2.1设计过程
课题采用TSMC 0.35μm CMOS工艺，设计低压、低功耗、采用了轨至轨的输入和轨至轨的输出，同时保持运放的整个跨导恒定。运算放大器的设计过程：
通过理论的技术以及给出工艺参数得出整个运算放大器的理论性指标；
根据课题功能性要求设计出每个小的版块实现其要求的电路；
对每个小版块的子电路进行整合，最终完成整个电路的设计；
运用candence仿真软件对电路进行仿真验证；
对仿真结果和理论结果进行对比分析；
做出总结。
1.2.2性能指标
下表是本课题的理论上的运算放大器的性能指标：
1.3研究内容与论文的结构安排
本文主要是研究的是一种低压，低功耗的轨至轨运算放大器。文中研究的这种轨至轨运算放大器与一般轨至轨放大器不同的是它能够保持跨导在共模电压输入的范围内始终不变。文中将采用一种叫做电平移位的方法来使得跨导恒定的。
本课题研究一共分为四个章节进行讲述：
第一章主要介绍了课题研究的背景意义以及这个设计的过程，同时给出了一些理论上的运放的性能指标；
第二章分布的讲解运算放大器的每个子电路的设计过程以及一些原理的讲述；
第三章是对电路进行的仿真与验证；
第四章是对本设计存在的一些不足进行的分析
第二章 采用电平移位法的恒定跨导轨至轨运算放大器的设计
2.1 设计的总体结构框图
如图21所示，本设计采用的是轨至轨差分输入级，和普通运放不同的是中间采用了一个控制电路用来保证跨导的恒定，放大级采用的是将输入电压转化成为电流，然后将它作为共栅级的输入的共源共栅结构，输出级采用的是以保持两个MOS管对电压差恒定来实现轨至轨的输出，为了减少温度对电路的影响，这里我采用了一个带隙基准电路，通过控制两个相反温度系数的量以一定的权重相加，让两者相互抵消从而实现零温度系数。
图2.1 恒定跨导轨至轨运算放大器框图
2.2 轨至轨的差分输入级
这里采用的是差分的输入级，这种差分输入有两个好处：差分输入级即可以有效的放大输入的差分信号，同时又能对共模信号有很好的抑制作用。这样就能够有效的加强运算放大器的抗干扰能力。
2.2.1 轨至轨运放输入级
一般情况下，运算放大器的输入级都采用同种类型的MOS管组成的差分输入对，采用一种类型MOS管作为差分输入级时，共模输入电压范围会受到很大程度的限制，从而不能满足满摆幅。为了能够实现共模输入电压满幅，这里我采用的是NMOS与PMOS并联互补的对称的结构来作为差分输入级，这就可以使其一种差分对的输入的共模电平达到电源电压，而另一种差分对的输入的共模电平达到电源的地，从而表现出共模的输出范围是从电源电压到电源地的满摆幅输入，这样就实现了轨至轨的输入了，图221（a）是具体实现的并联互补差分对的输入级设计。
Keywords: levelshift Constant transconductance railtorail operational amplifier 目 录
第一章 绪论 6
1.1 课题背景及意义 6
1.2 电路的设计过程以及性能指标 7
1.2.1设计过程 7
1.2.2性能指标 7
1.3研究内容与论文的结构安排 8
第二章 采用电平移位法的恒定跨导轨至轨运算放大器的设计 9
2.1 设计的总体结构框图 9
2.2 轨至轨的差分输入级 9
2.2.1 轨至轨运放输入级 9
2.2.2 通过电平移位来控制跨导恒定电路 11
2.3 中间放大级 14
2.4 轨至轨的输出级电路 15
2.5 带隙基准电压电路 15
2.6 实际设计 18
本章小结 18
第三章 仿真 19
3.1 带隙基准的仿真 19
3.1.1温度系数 19
3.1.2带隙基准电源抑制比 20
3.2 轨至轨运算放大器的仿真 20
3.2.1 失调电压 20
3.2.2 CMIR 22
3.2.3 运放输出电压摆幅 23
3.2.4 运算放大器的恒定跨导 25
3.2.5 运放频率特性的仿真 26
3.2.6 CMRR 27
3.2.7 运放的电源抑制比仿真 29
3.2.8 运算放大器的仿真性能与理论性能的比较 31
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本章小结 31
第四章 设计的不足点以及需要改进的地方 32
结束语 33
致谢 34
参考文献 35
第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
随着时代和社会的发展，电子产品也在不断的发展。渐渐的从体积较大，较笨重的产品发展到现在的体积较小，较轻便的产品。这也就推动了微电子的发展。
我们都知道电路是电子产品能够成功实现其功能的最核心的东西。然而在模拟集成电路中运算放大器是最常用的，因此运算放大器就成了组成模拟集成电路最基本的单元，在大部分的电子系统中都有应用。
在模拟电路刚开始研究的初期，我们都是采用的晶体管来作为实现运放的器件，但随着在同一衬底上摆放多个电元器件的思想的提出，模拟集成电路的思想于是就提出来了。如Intel公司的创始人戈登摩尔所言，每个芯片上的晶体管的数量大约每18个月翻一番。这也预示着模拟集成电路的速度也在高速的发展。
由于在考虑到模拟集成电路的电路的复杂度以及消耗功率，这时候一种叫CMOS的技术发展了起来。这种CMOS技术中场效应管和晶体管主要能够实现的功能上都基本相似。然而与晶体管不同是MOS器件的尺寸是很容易按比例缩小的，而且在成本方面，CMOS电路的成本远比晶体管的成本要低。但是它也有它的不足，那就是速度慢且噪声相比双极型晶体管来说较大。这并没有阻碍它的发展，CMOS技术仍在高速的发展。
为了能够进一步的减小模拟电路的功耗，一种低电源电压的模拟电路在模拟集成电路中流行了起来。这种电路具有两个方面的好处，第一个好处是能够减小功耗，节能；第二个好处就是采用低的电源电压这会使电路的稳定性更加稳定。
然而有利也有弊。这种电路唯一缺点就是运算放大器的动态幅度回受到很大的影响，为了减小动态幅度对运放的影响，一种轨至轨的运算放大器于是就被研究了出来。这种放大器有一个特点：就是能够实现满摆幅输入输出，电源电压多少，它就能够基本的达到电源电压的摆幅输入输出。
1.2 电路的设计过程以及性能指标
1.2.1设计过程
课题采用TSMC 0.35μm CMOS工艺，设计低压、低功耗、采用了轨至轨的输入和轨至轨的输出，同时保持运放的整个跨导恒定。运算放大器的设计过程：
通过理论的技术以及给出工艺参数得出整个运算放大器的理论性指标；
根据课题功能性要求设计出每个小的版块实现其要求的电路；
对每个小版块的子电路进行整合，最终完成整个电路的设计；
运用candence仿真软件对电路进行仿真验证；
对仿真结果和理论结果进行对比分析；
做出总结。
1.2.2性能指标
下表是本课题的理论上的运算放大器的性能指标：
1.3研究内容与论文的结构安排
本文主要是研究的是一种低压，低功耗的轨至轨运算放大器。文中研究的这种轨至轨运算放大器与一般轨至轨放大器不同的是它能够保持跨导在共模电压输入的范围内始终不变。文中将采用一种叫做电平移位的方法来使得跨导恒定的。
本课题研究一共分为四个章节进行讲述：
第一章主要介绍了课题研究的背景意义以及这个设计的过程，同时给出了一些理论上的运放的性能指标；
第二章分布的讲解运算放大器的每个子电路的设计过程以及一些原理的讲述；
第三章是对电路进行的仿真与验证；
第四章是对本设计存在的一些不足进行的分析
第二章 采用电平移位法的恒定跨导轨至轨运算放大器的设计
2.1 设计的总体结构框图
如图21所示，本设计采用的是轨至轨差分输入级，和普通运放不同的是中间采用了一个控制电路用来保证跨导的恒定，放大级采用的是将输入电压转化成为电流，然后将它作为共栅级的输入的共源共栅结构，输出级采用的是以保持两个MOS管对电压差恒定来实现轨至轨的输出，为了减少温度对电路的影响，这里我采用了一个带隙基准电路，通过控制两个相反温度系数的量以一定的权重相加，让两者相互抵消从而实现零温度系数。
图2.1 恒定跨导轨至轨运算放大器框图
2.2 轨至轨的差分输入级
这里采用的是差分的输入级，这种差分输入有两个好处：差分输入级即可以有效的放大输入的差分信号，同时又能对共模信号有很好的抑制作用。这样就能够有效的加强运算放大器的抗干扰能力。
2.2.1 轨至轨运放输入级
一般情况下，运算放大器的输入级都采用同种类型的MOS管组成的差分输入对，采用一种类型MOS管作为差分输入级时，共模输入电压范围会受到很大程度的限制，从而不能满足满摆幅。为了能够实现共模输入电压满幅，这里我采用的是NMOS与PMOS并联互补的对称的结构来作为差分输入级，这就可以使其一种差分对的输入的共模电平达到电源电压，而另一种差分对的输入的共模电平达到电源的地，从而表现出共模的输出范围是从电源电压到电源地的满摆幅输入，这样就实现了轨至轨的输入了，图221（a）是具体实现的并联互补差分对的输入级设计。
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