运算放大器是模拟集成电路中最基本的组成部分之一,其性能好坏影响着整个电路系统的性能表现。随着便携式电子产品的逐渐普及,低电压、低功耗运算放大器成为模拟电路领域的一个研究热点。由于较低的电源电压和电源电流会降低运放的动态范围和噪声性能,使得低电压、低功耗系统对运算放大器提出了更高的要求。为了得到最大化的动态范围,需要对传统运放结构进行改进,使运放能够处理负电源轨到正电源轨的电压信号。因此对低功耗轨到轨运算放大器的研究具有重要意义。本文介绍了功耗与噪声、稳定性之间的折衷关系,分析了双极型工艺在低功耗设计中具有的优势,并研究了轨到轨恒定跨导输入级和轨到轨输出级的基本原理。结合相关理论知识,本文设计了一款基于双极型工艺的低功耗轨到轨运算放大器。偏置电路采用峰值电流源提供基准电流;输入级使用一个电流开关结构实现恒定跨导,并采用开关管串联电阻的方法扩展过渡区范围,进而提高过渡区的共模抑制比;中间级采用折叠式共射-共基结构提高运放的开环增益;输出级采用AB类共射极结构实现轨到轨输出电压摆幅。本文所设计的运算放大器采用中科渝芯WC40S双极型工艺,并使用Cadence Spectre仿真工具对电路进行仿真验证。仿真结果表明,运放的共模输入电压范围和输出电压摆幅达到轨到轨输入/输出要求。室温下,静态电源电流为346μA,开环增益为115.9d B,单位增益带宽为3.08MHz,相位裕度为65.6°,共模抑制比为131.8d B,正、负电源电压抑制比分别为131.3d B和136.7d B,正、负压摆率分别为1.02V/μs和1.2V/μs。最后,完成了四通道运算放大器的版图设计并进行流片测试,测试数据基本符合仿真结果。运放的失调电压处于100μV³00μV之间;在1k Hz时测得的等效输入噪声电压密度处于20³0n V/Hz^1/2之间。以上结果表明本文设计的运算放大器达到了预期的指标要求。