【摘 要】
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运算放大器是模拟及混合信号电路系统中最重要的功能模块之一,常常用于信号的检测、放大、滤波等。对于通用型运算放大器而言,常常需要满足更全面的应用需求而更具设计挑战性。虽然片上系统在CMOS工艺技术进步的推动下快速发展,但是,大量低速的、非标准、小众的电路应用场景并不适合片上解决。如今,可移动设备越来越多,对低功耗技术提出了更高的要求。且随着电源电压的降低,为了得到最大化的动态范围,需要运算放大器能够
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运算放大器是模拟及混合信号电路系统中最重要的功能模块之一,常常用于信号的检测、放大、滤波等。对于通用型运算放大器而言,常常需要满足更全面的应用需求而更具设计挑战性。虽然片上系统在CMOS工艺技术进步的推动下快速发展,但是,大量低速的、非标准、小众的电路应用场景并不适合片上解决。如今,可移动设备越来越多,对低功耗技术提出了更高的要求。且随着电源电压的降低,为了得到最大化的动态范围,需要运算放大器能够处理轨到轨的信号。因此,设计一款低功耗、通用性强的运算放大器成为了我们的目标。本文通过研究传统运算放大器的发展背景与关键技术,分析了包括轨到轨输入/输出技术、补偿技术、低失调技术等在内的多个技术范畴,并结合自身需求,设计了一款低功耗通用型CMOS运算放大器。其输入级采用了基于低纹波电荷泵的PMOS差分对来实现轨到轨输入,相较于传统技术,电荷泵拥有更加恒定的跨导与更宽的温度应用范围。输出级则采用基于跨导线型环的AB类输出级解决了传统AB类输出级电流随电源电压变化的缺点。通过仿真,比较了密勒补偿、Cascode补偿、多路径零点补偿三种频率补偿技术,综合考虑后,选择了密勒补偿作为补偿方式。最后,本设计采用了操作简单、性能优异的修调技术来降低失调电压。本文设计的芯片基于东部HiTek 180nm工艺设计完成。最终的仿真结果表明,本文设计的低功耗通用型CMOS运算放大器在功耗仅20μA的前提下,增益能够达到124dB,带宽为214kHz,共模抑制比为109dB,电源抑制比为108dB,摆率可以达到269V/ms,建立精度为0.1%时的建立时间为8.645μs,满足了设计要求。
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