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随着CMOS器件尺寸的减小,MOSFET按等比例缩小原则使得电路电源工作电压越来越低,运放能够处理的最大信号幅度越来越小,信噪比降低。而且特殊的应用场合如作为输入电压大范围变化的的跟随器时,运放都需要具有轨到轨输入输出的特性。但是传统的运放一般不同时支持轨到轨输入输出和高精度的特性,因此研究一种高精度轨到轨输入输出运算放大器是具有重要意义的。论文对比分析了 CMOS和BJT器件的噪声与失配特性,指出了 BJT晶体管在低噪和低失配的优势。结合运放大信号参数、小信号参数、精度分析和PVT(Process Verification Test)稳定性分析指出运放一般架构、设计流程与各参数之间的联系。论文对轨到轨输入输出级的实现进行阐述,分析交叉导通法、1倍电流镜法和溢出电流恒定跨导法的轨到轨输入级,介绍了常见AB类输出级的实现方式。论文设计了一种轨到轨输入输出运算放大器,偏置电路采用不对称的BJT产生一个正温电流,保证温度变化时系统单位增益带宽变化不大;输入级由两对相互补偿的差分对组成,实现轨到轨输入共模电压,并采用一倍电流镜法实现跨导恒定;增益级是折叠式共基共射管,实现电流叠加,将差分输入转为单端输出;输出级采用特殊的拓扑结构实现单端输入单端输出的AB类输出级;频率补偿网络采用密勒补偿电容和前馈电容实现系统单位增益稳定。运算放大器输出短路时,电路特殊的增益级和输出级的钳位限流电路能产生限流保护作用;电路中电压钳位的拓扑部分大大减小运算放大器的输入失调电压,提高了共模抑制比。基于国内某研究所的WC40S双极工艺,在cadence spectre软件平台下仿真,轨到轨运算放大器最终实现输入共模电压范围:VEE-VCC,输出共模电压范围:VEE+120mV-VCC-120mV,摆率:4.7V/μs,最大输出电流源:26mA,最大输出电流沉:10mA,输入级跨导温漂:0.1%/℃,单位增益带宽:8.6MHz,相位裕度:56°,建立时间(0.1%):40lns,输入偏置电流(最差):800nA,输入失调电压:2.1μV。最终完成四通道轨到轨输入输出运放的版图设计,版图面积1.68mm*3.16mm。本文设计的高精度轨到轨输入输出运算放大器可应用于作具有宽输出范围传感器的放大器或缓冲器,要求采用轨到轨输入放大器的传感器,其它应用包括便携式电信设备、电源控制与保护。