一种csmc0.5umcmos工艺的低电压低功耗集成运放的设计(附件)【字数：9794】
摘 要近年来，通过电池供电的电子类产品在市场上越来越受欢迎，随之而来的就是对产品本身低电压低功耗的性能指标的要求也越来越高，为了提高产品的性能，本论文设计了一款基于CSMC0.5umCMOS工艺的低电压低功耗的集成运放。整个设计过程中，通过分析其他设计理念的优缺点，本论文采用电流源作为负载的差分运放来设计基准，该基准能够稳定的给运放提供偏置电流。在输入级的设计部分，为了达到最优条件的共模电压范围，选择采用了MOS管的M1、M2管作为差分对形式的输入结构，并且通过Vb端增加了等比例的电流镜来保证跨导的恒定；在设计增益级的部分，采用电流镜M3、M4管用作负载形式并且采用了传统的标准共源结构；同时在两级放大之间加入了弥勒补偿电容来保证大的电压摆幅以及提高整个系统的稳定性能。通过仿真调试，可以得出整个运放的电压增益为99.0218dB,相位裕度为53.2766°，单位增益带宽为2.36907MHz。
目 录
第一章 绪论 1
1.1运算放大器的发展简介 1
1.2运算放大器发展的主要方向 1
第二章 运算放大器的的原理 2
2.1运算放大器的基本概念 2
2.1.1运放的主要结构 2
2.1.2运放的性能参数 2
2.2差分运放的原理 3
2.2.1基本差动对的电路结构 3
2.2.2差分运放电路的基本原理 4
2.2.3差分电路的性能 5
2.3两级运放 6
2.3.1两级运放的基本原理 6
2.3.2两级运放的性能指标 7
第三章 低电压低功耗运放的设计 9
3.1运放的稳定性和频率补偿 9
3.1.1反馈系统的稳定性 9
3.1.2运放的频率补偿 9
3.2低电压低功耗运放的基本设计思路 13
3.2.1低电压低功耗运放的工作原理 13
3.2.2 低电压低功耗运放的设计步骤 14
第四章 运算放大器的仿真 18
4.1 DC 特性解析 18
4.1.1 直流传输特性分析 18
4.1.2 共模输入范围 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
（ ICMR） 18
4.2 AC 特性解析 20
4.2.1 开环频率特性 20
4.2.2 电源电压抑制比（ PSRR） 21
4.3 瞬态特性分析 22
第五章 运放版图设计 25
5.1 版图设计简介 25
5.2 版图设计要求 25
5.3 版图设计 26
5.4版图验证 28
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
附录 32
附录A 低电压低功耗运放CMOS仿真电路图 32
附录B 低电压低功耗运放幅频、相频曲线图 33
附录C 低电压低功耗运放仿真总表 34
附录D 低电压低功耗运放版图 35
第一章 绪论
1.1运算放大器的发展简介
集成运算放大器简称运放，在线性电路中具有非常广泛的实用性，在很多混合信号系统和模拟系统中占有重要位置。同样的，运放在产生直流偏置、高速放大、A/D和D/A转换和滤波功能等很多方面得到了广泛应用。
运算放大器也理解为“高增益的差动放大器”，一般情况下，增益的大小范围在
10
1
~
10
5
。一开始，运算放大器设计成了各种通用型模块，来满足不同种类的应用要求，到后期，运放的设计逐渐意识到前期的运放更多的是为了追求某一种性能达到极致而舍弃其他性能的“理想”型运放[1]。所以现在的运放设计着眼于整体概念，进行多方面的综合考量，来满足每一个参数的合理数值。
1.2运算放大器发展的主要方向
运放是模拟集成电路设计中不可或缺的重要组成部分，小尺寸需求的普及以及对降低功耗的需求促使这运算放大器的发展越来越快。随着设计技术的不断更新和日趋成熟，越来越多的能够满足不同群体、不同客户性能需求的放大器开始走进市场，在实质性应用领域站稳脚跟[2]。
运算放大器主要包含一下几种分类：双极型运算放大器、JEFT 运算放大器、低电压低功耗运算放大器、混合运算放大器、CMOS 运算放大器等等[3]。其中，双极型放大器在于提高电路的输入特性；JEFT放大器能够减小输入电压的噪声；低电压低功耗放大器能够改善功耗大小并且完善输入输出的范围；混合运算放大器主要应用在高速、大功率方面；CMOS 运算放大器和其他放大器相比在各个方面都有一定的优越性，电路结构发展迅速，占有一定的地位[4]。
第二章 运算放大器的的原理
2.1运算放大器的基本概念
2.1.1运放的主要结构
运算放大器是一款拥有高增益的放大器，图 21 展示了运放的基本结构。运算放大器主要由以下几个部分构成：输入级、中间级、输出级、偏置电路以及补偿电路。
/图21 运放的基本结构框图
2.1.2运放的性能参数
运算放大器主要有开环增益、输出摆幅、转换速率、电源电压抑制比、单位增益带宽和功耗等一系列性能参数。下面对这些参数进行简单说明。
(1) 开环增益
开环增益是指开环差模电压增益，即运算放大电路接入指定负载条件下无反馈时的直流差模增益。
(2) 输出摆幅
输出摆幅就是指输出信号的幅度范围。对于放大电路而言，电压摆幅与偏置电流、器件的大小、速度之间，这些性能指标是可以互换、相互制约的。
(3) 转换速率
转换速率是指当电路在闭环状态下输出为大信号时，放大电路的电压和时间之间的变化率。
(4) 电源抑制比
电源抑制比就是衡量运算放大器能够抑制这种偏差的能力大小的量。一般理解为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。
(5) 功耗
现在便携式设备以及电池电源供电应用越来越普遍，电路的功耗问题就更引人思考。举例来说，笔记本电脑会因为发热以及工作时间等问题，影响了电脑的性能。减小功耗不仅能够简化系统，能够延长电脑的使用寿命，还能够保证芯片在一个合适的环境下长期工作。所以，想要设计出一个高性能的运算放大器，必须综合考虑多方面的优化而不能只追求单方面属性的提升[5]。根据图22所示内容，这种相互制约给能够设计出高性能的运算放大器提出了很高的难度。
目 录
第一章 绪论 1
1.1运算放大器的发展简介 1
1.2运算放大器发展的主要方向 1
第二章 运算放大器的的原理 2
2.1运算放大器的基本概念 2
2.1.1运放的主要结构 2
2.1.2运放的性能参数 2
2.2差分运放的原理 3
2.2.1基本差动对的电路结构 3
2.2.2差分运放电路的基本原理 4
2.2.3差分电路的性能 5
2.3两级运放 6
2.3.1两级运放的基本原理 6
2.3.2两级运放的性能指标 7
第三章 低电压低功耗运放的设计 9
3.1运放的稳定性和频率补偿 9
3.1.1反馈系统的稳定性 9
3.1.2运放的频率补偿 9
3.2低电压低功耗运放的基本设计思路 13
3.2.1低电压低功耗运放的工作原理 13
3.2.2 低电压低功耗运放的设计步骤 14
第四章 运算放大器的仿真 18
4.1 DC 特性解析 18
4.1.1 直流传输特性分析 18
4.1.2 共模输入范围 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
（ ICMR） 18
4.2 AC 特性解析 20
4.2.1 开环频率特性 20
4.2.2 电源电压抑制比（ PSRR） 21
4.3 瞬态特性分析 22
第五章 运放版图设计 25
5.1 版图设计简介 25
5.2 版图设计要求 25
5.3 版图设计 26
5.4版图验证 28
结束语 29
致 谢 30
参考文献 31
附录 32
附录A 低电压低功耗运放CMOS仿真电路图 32
附录B 低电压低功耗运放幅频、相频曲线图 33
附录C 低电压低功耗运放仿真总表 34
附录D 低电压低功耗运放版图 35
第一章 绪论
1.1运算放大器的发展简介
集成运算放大器简称运放，在线性电路中具有非常广泛的实用性，在很多混合信号系统和模拟系统中占有重要位置。同样的，运放在产生直流偏置、高速放大、A/D和D/A转换和滤波功能等很多方面得到了广泛应用。
运算放大器也理解为“高增益的差动放大器”，一般情况下，增益的大小范围在
10
1
~
10
5
。一开始，运算放大器设计成了各种通用型模块，来满足不同种类的应用要求，到后期，运放的设计逐渐意识到前期的运放更多的是为了追求某一种性能达到极致而舍弃其他性能的“理想”型运放[1]。所以现在的运放设计着眼于整体概念，进行多方面的综合考量，来满足每一个参数的合理数值。
1.2运算放大器发展的主要方向
运放是模拟集成电路设计中不可或缺的重要组成部分，小尺寸需求的普及以及对降低功耗的需求促使这运算放大器的发展越来越快。随着设计技术的不断更新和日趋成熟，越来越多的能够满足不同群体、不同客户性能需求的放大器开始走进市场，在实质性应用领域站稳脚跟[2]。
运算放大器主要包含一下几种分类：双极型运算放大器、JEFT 运算放大器、低电压低功耗运算放大器、混合运算放大器、CMOS 运算放大器等等[3]。其中，双极型放大器在于提高电路的输入特性；JEFT放大器能够减小输入电压的噪声；低电压低功耗放大器能够改善功耗大小并且完善输入输出的范围；混合运算放大器主要应用在高速、大功率方面；CMOS 运算放大器和其他放大器相比在各个方面都有一定的优越性，电路结构发展迅速，占有一定的地位[4]。
第二章 运算放大器的的原理
2.1运算放大器的基本概念
2.1.1运放的主要结构
运算放大器是一款拥有高增益的放大器，图 21 展示了运放的基本结构。运算放大器主要由以下几个部分构成：输入级、中间级、输出级、偏置电路以及补偿电路。
/图21 运放的基本结构框图
2.1.2运放的性能参数
运算放大器主要有开环增益、输出摆幅、转换速率、电源电压抑制比、单位增益带宽和功耗等一系列性能参数。下面对这些参数进行简单说明。
(1) 开环增益
开环增益是指开环差模电压增益，即运算放大电路接入指定负载条件下无反馈时的直流差模增益。
(2) 输出摆幅
输出摆幅就是指输出信号的幅度范围。对于放大电路而言，电压摆幅与偏置电流、器件的大小、速度之间，这些性能指标是可以互换、相互制约的。
(3) 转换速率
转换速率是指当电路在闭环状态下输出为大信号时，放大电路的电压和时间之间的变化率。
(4) 电源抑制比
电源抑制比就是衡量运算放大器能够抑制这种偏差的能力大小的量。一般理解为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。
(5) 功耗
现在便携式设备以及电池电源供电应用越来越普遍，电路的功耗问题就更引人思考。举例来说，笔记本电脑会因为发热以及工作时间等问题，影响了电脑的性能。减小功耗不仅能够简化系统，能够延长电脑的使用寿命，还能够保证芯片在一个合适的环境下长期工作。所以，想要设计出一个高性能的运算放大器，必须综合考虑多方面的优化而不能只追求单方面属性的提升[5]。根据图22所示内容，这种相互制约给能够设计出高性能的运算放大器提出了很高的难度。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/276.html
