cmos多级运算放大器的设计与仿真(附件)【字数：9186】
摘 要本文通过CMOS多级运算放大器的设计与仿真这一课题的研究，对理解多级运放的电路结构、工作原理以及各参数性能指标的测量方法和意义有进一步的提升，从而掌握不同放大电路中所选用的多级运算放大器的特性。该课题的研究是以多级运算放大电路为主要的设计目标，以两级运算放大器的设计仿真为例子，它能够使增益和输出摆幅得到同步提升，研究手段是将增益和摆幅做分别处理，通俗来讲就是通过第一级放大器获取高增益，但是摆幅需要作出一定的牺牲，需要通过第二级的放大器来获取较高的输出摆幅，目的在于对牺牲的摆幅作出补偿，并且对增益的提升非常有帮助，这样的话增益和摆幅就可以实现同步提升了。根据所制定的设计目标，挑选合适的电路结构，分析CMOS多级运算放大器的性能参数，最后通过Cadance软件进行电路的仿真，记录下运放电路性能指标的仿真结果。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及其意义 1
1.2研究现状 1
1.3论文研究内容及安排 2
第二章 CMOS运算放大器 3
2.1CMOS运算放大器的简介 3
2.2性能指标参数 3
2.2.1开环增益 3
2.2.2开环带宽 4
2.2.3输出摆幅 4
2.2.4转换速率 4
2.2.5建立时间 5
2.2.6电源抑制比 5
2.2.7共模抑制比 5
2.2.8功耗 6
2.2.9噪声 6
2.3运算放大器的分类 6
第三章 CMOS多级运算放大器的工作原理 7
3.1两级运算放大器 7
3.1.1两级运放基本结构 7
3.1.2两级运放的工作原理 8
3.1.3两级CMOS运算放大器的优点 9
3.2三级运算放大器 9
3.2.1采用三级结构的意义 9
3.2.2三级运放的工作原理 9
3.2.3三级运放的基本结构 10
第四章 多级运算放大器设计与仿真 12
4.1设计指标和结构 12
4.1.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
设计指标要求 12
4.1.2小信号模型 13
4.2MOS管的设计 15
4.3手算过程 16
4.4仿真结果 18
4.4.1原理图 18
4.4.2特性曲线图 18
4.4.3仿真汇总 21
结束语 22
致谢 23
参考文献 24
绪论
1.1研究背景及其意义
随着微电子技术的发展，混合信号集成电路已经被了广泛应用于人们的生活和工作中,集成电路已经发展到片上系统阶段。尤其是随着CMOS技术发展、成本低、功耗小、速度高等等是CMOS电路的独特之处，正是由于这些优点，使得不论是在集成电路的应用方面，还是在理论和技术方面，都发生了巨大的变化。另外由于技术不断完善和发展，CMOS模拟电路设计也得到了巨大的发展，并且取得了重大的突破和进步，实现片上系统的最佳选择是CMOS技术，不单单如此，实现模拟集成电路的有效方法也是CMOS技术[1]。最近几年时间，在日常生活和工作中，越来越多的基于CMOS技术的便携式产品被人们应用，它们共同的特点是低压、低功耗。当电路环境是低电源电压时，运放输入／输出信号的动态范围的增加是非常有必要的，轨对轨输出能够被实现。就轨对轨运放而言，输入级中跨导会发生变化，信号产生失真、环路增益发生变化等都是由此引起的。因此，保持跨导在共模输入范围内恒定是非常有必要的。传感器、信号源和模数转换器之间可以安置运算放大器，将两者连接在一起，负责处理信号，而这个信号是从接收器信号路径发出来的；数模转换器和模拟输出之间也可以安置运算放大器，将两者连接在一起，不管是接受还是发送信号，它都需要负责驱动，而这种信号来自发送器信号路径[2]。运算放大器的主要职责是处理模拟信号，来自模拟信号的重要信息会被传送到下个环节作进一步处理。该处理过程并不是很轻松，由于该系统使用的传感器、ADC、DAC和发射器是不一样的，提供了一个信号源信号，因此必须能够满足它们的电子特性的特殊要求，才能充分发挥它的性能。
1.2研究现状
最初的运算放大器IC到今天已经有大约数十年的发展时间了，运算放大器技术在这段时间内得到了显著的提升，值得强调的，尤其是在半导体制造工艺和电路设计方面，运放技术的提升最为显著，制造商利用先进的技术设计出了更加精密的放大器。随着集成运放的不断发展，不仅提高了电路性能，它的应用领域也不断增大。基本的放大电路在低压、高增益以及低功耗等方面取得了进一步的发展，尤其值得强调的是，国外对套筒式放大电路做了很深入的研究。自从1981年开始，数百篇相关的文章已经被发表在IEEE上面。通过这上面的研究成果，人们能够了解运算放大电路设计的最新研究成果，国内国外的都可以了解到。Shying Xiong和Min She在2009年，他们一起发表了关于运放的文章，其中开`环增益的值超过了80db，动态范围的值达到了71db，单位增益带宽的值达到了500MHz。相对而言的话，国内的研究成果就没有那么多了，近年任教于西安大学的黄立中教授等人发表了一篇文章，在1.5pf下单位增益频率的值达到105MHz，开环增益的值达到80dB，建立时间小于20ns，这些都是这篇文章的研究成果[3]。研究表明现在对基本的运算放大电路的要求越来越高，如果能够努力着手于基础研究，将会推动电路设计的发展。如何选择适合的放大器将会是一件相对来说比较困难的事情，有一部分原因在于，目前越来越要求设计出多样性功能的系统，也越来越要求设计出多重性的电路配置，根据应用领域的不同需求，不同类型的放大器会在性能上进行折衷。相关设计领域的工程师不断学习新的知识，不断探索新的技术，为将来运放技术的飞速发展作出了极大的贡献。
1.3论文研究内容及安排
本文是基于CMOS多级运算放大器的设计与仿真课题的研究，笔者在进行仿真前，做足了充分的准备，查阅了相关的文献资料，从而了解多级运放的电路结构与性能参数指标，还认真学习了Cadance软件的操作，为多级运放的设计仿真打下了坚实的基础。
第一章介绍了CMOS多级运算放大器的发展轨迹、国内外研究的动态以及课题研究的背景意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景及其意义 1
1.2研究现状 1
1.3论文研究内容及安排 2
第二章 CMOS运算放大器 3
2.1CMOS运算放大器的简介 3
2.2性能指标参数 3
2.2.1开环增益 3
2.2.2开环带宽 4
2.2.3输出摆幅 4
2.2.4转换速率 4
2.2.5建立时间 5
2.2.6电源抑制比 5
2.2.7共模抑制比 5
2.2.8功耗 6
2.2.9噪声 6
2.3运算放大器的分类 6
第三章 CMOS多级运算放大器的工作原理 7
3.1两级运算放大器 7
3.1.1两级运放基本结构 7
3.1.2两级运放的工作原理 8
3.1.3两级CMOS运算放大器的优点 9
3.2三级运算放大器 9
3.2.1采用三级结构的意义 9
3.2.2三级运放的工作原理 9
3.2.3三级运放的基本结构 10
第四章 多级运算放大器设计与仿真 12
4.1设计指标和结构 12
4.1.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
设计指标要求 12
4.1.2小信号模型 13
4.2MOS管的设计 15
4.3手算过程 16
4.4仿真结果 18
4.4.1原理图 18
4.4.2特性曲线图 18
4.4.3仿真汇总 21
结束语 22
致谢 23
参考文献 24
绪论
1.1研究背景及其意义
随着微电子技术的发展，混合信号集成电路已经被了广泛应用于人们的生活和工作中,集成电路已经发展到片上系统阶段。尤其是随着CMOS技术发展、成本低、功耗小、速度高等等是CMOS电路的独特之处，正是由于这些优点，使得不论是在集成电路的应用方面，还是在理论和技术方面，都发生了巨大的变化。另外由于技术不断完善和发展，CMOS模拟电路设计也得到了巨大的发展，并且取得了重大的突破和进步，实现片上系统的最佳选择是CMOS技术，不单单如此，实现模拟集成电路的有效方法也是CMOS技术[1]。最近几年时间，在日常生活和工作中，越来越多的基于CMOS技术的便携式产品被人们应用，它们共同的特点是低压、低功耗。当电路环境是低电源电压时，运放输入／输出信号的动态范围的增加是非常有必要的，轨对轨输出能够被实现。就轨对轨运放而言，输入级中跨导会发生变化，信号产生失真、环路增益发生变化等都是由此引起的。因此，保持跨导在共模输入范围内恒定是非常有必要的。传感器、信号源和模数转换器之间可以安置运算放大器，将两者连接在一起，负责处理信号，而这个信号是从接收器信号路径发出来的；数模转换器和模拟输出之间也可以安置运算放大器，将两者连接在一起，不管是接受还是发送信号，它都需要负责驱动，而这种信号来自发送器信号路径[2]。运算放大器的主要职责是处理模拟信号，来自模拟信号的重要信息会被传送到下个环节作进一步处理。该处理过程并不是很轻松，由于该系统使用的传感器、ADC、DAC和发射器是不一样的，提供了一个信号源信号，因此必须能够满足它们的电子特性的特殊要求，才能充分发挥它的性能。
1.2研究现状
最初的运算放大器IC到今天已经有大约数十年的发展时间了，运算放大器技术在这段时间内得到了显著的提升，值得强调的，尤其是在半导体制造工艺和电路设计方面，运放技术的提升最为显著，制造商利用先进的技术设计出了更加精密的放大器。随着集成运放的不断发展，不仅提高了电路性能，它的应用领域也不断增大。基本的放大电路在低压、高增益以及低功耗等方面取得了进一步的发展，尤其值得强调的是，国外对套筒式放大电路做了很深入的研究。自从1981年开始，数百篇相关的文章已经被发表在IEEE上面。通过这上面的研究成果，人们能够了解运算放大电路设计的最新研究成果，国内国外的都可以了解到。Shying Xiong和Min She在2009年，他们一起发表了关于运放的文章，其中开`环增益的值超过了80db，动态范围的值达到了71db，单位增益带宽的值达到了500MHz。相对而言的话，国内的研究成果就没有那么多了，近年任教于西安大学的黄立中教授等人发表了一篇文章，在1.5pf下单位增益频率的值达到105MHz，开环增益的值达到80dB，建立时间小于20ns，这些都是这篇文章的研究成果[3]。研究表明现在对基本的运算放大电路的要求越来越高，如果能够努力着手于基础研究，将会推动电路设计的发展。如何选择适合的放大器将会是一件相对来说比较困难的事情，有一部分原因在于，目前越来越要求设计出多样性功能的系统，也越来越要求设计出多重性的电路配置，根据应用领域的不同需求，不同类型的放大器会在性能上进行折衷。相关设计领域的工程师不断学习新的知识，不断探索新的技术，为将来运放技术的飞速发展作出了极大的贡献。
1.3论文研究内容及安排
本文是基于CMOS多级运算放大器的设计与仿真课题的研究，笔者在进行仿真前，做足了充分的准备，查阅了相关的文献资料，从而了解多级运放的电路结构与性能参数指标，还认真学习了Cadance软件的操作，为多级运放的设计仿真打下了坚实的基础。
第一章介绍了CMOS多级运算放大器的发展轨迹、国内外研究的动态以及课题研究的背景意义。
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