【摘 要】
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运算放大器作为模拟集成电路中最为基础和重要的一个模块,是集成电路发展进程中不可被取代的一部分。在近年来,由于电子信息系统向低功耗、低电源电压等方面的进一步发展,运算放大器的性能也随之有了更高的要求。轨到轨运算放大器的出现是因为它可以在降低电源电压情况下增加电压利用率以及电路的信噪比,同时还具有比一般放大器更广的共模输入电压范围和更大的输出电压摆幅范围,使得这类集成运算放大器越来越受到关注。失调是运
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运算放大器作为模拟集成电路中最为基础和重要的一个模块,是集成电路发展进程中不可被取代的一部分。在近年来,由于电子信息系统向低功耗、低电源电压等方面的进一步发展,运算放大器的性能也随之有了更高的要求。轨到轨运算放大器的出现是因为它可以在降低电源电压情况下增加电压利用率以及电路的信噪比,同时还具有比一般放大器更广的共模输入电压范围和更大的输出电压摆幅范围,使得这类集成运算放大器越来越受到关注。失调是运算放大器的关键性能指标,低失调一直都是运算放大器追求的目标,因此本文开展对低失调轨到轨集成运算放大器的研究具有非常重要的意义。本文设计了一款能在5V～15V的电源电压下正常工作且具有低失调电压、低输入偏置电流、高增益的轨到轨运算放大器。采用CMOS两级放大电路结构,设计了独特的轨到轨输入电路,使用一对耗尽型的NMOS晶体管构成输入差分放大电路,结合输入管的衬偏效应以及尾电流源中所使用的自级联电流镜实现轨到轨输入,同时确保在满摆幅输入范围内共模抑制比基本恒定。第二级电路选用AB类结构实现输出电压的轨到轨。巧妙地设计输入端的ESD结构,降低ESD电路对运算放大器输入偏置电流的影响。采用密勒补偿电路对整体电路进行频率补偿,使其具备更高的稳定性,从而可以在闭环条件下稳定工作。基于国内某集成电路制造平台的含耗尽型NMOS管的CMOS工艺,设计并仿真验证了低失调CMOS轨到轨集成运算放大器。仿真结果表明:失调电压为264.1μV、最低输入偏置电流为47.14 f A、输入失调电流为1.52 f A、开环增益为137.5 d B、输出电压摆幅均在电源轨与地轨的20 m V之内、共模抑制比为83.11 d B。以上仿真结果均达预设目标。完成芯片版图设计、验证以及后仿真分析和优化后,开展了流片实验,测试结果表明:失调电压为503.5μV、最低输入偏置电流为80 f A、开环增益为131.9 d B、最高输出电压为4.99 V、最低输出电压为1.74 m V、共模抑制比为119.2 d B。参数指标基本达到预期要求,所设计的独特的轨到轨输入级电路以及巧妙的ESD电路得到了验证。
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