一种低温漂低功耗运算放大器的设计与实现

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21世纪以来,集成电路工艺技术在不断发展,集成度也在提高,数模混合系统在电子信息系统领域的应用也越来越广泛。伴随而至的,对模拟集成电路的设计也有了更高的要求:高性能,低功耗,高精度,高集成度等。众所周知,在模拟与数模混合系统中最基本的的模块单元为运算放大器,其性能的好坏直接关系到整个电路系统性能的好坏。所以高性能运放的研究与设计在当今社会有着极其重要的意义和价值。本论文研究了一款高精度,低温漂,低功耗运算放大器。该运算放大器有着轨到轨的输入,折叠式共栅共源高增益放大级以及前馈式AB类轨到轨输出级,并且有使用trim技术达到的低的输入失调电压。所有的性能指标指定运行在温度范围为-40°C到+125°C。本文设计的运算放大器输入端采用互补型全差动输入对管以扩展输入范围,输入对管偏置电路采用常跨导偏置,输入端增加trim电路对互补型差分对管进行trim以达到低的输入失调电压。Trim技术采用一次性可编程存储单元OTP。一次性可编程存储单元包括一种基于熔丝单元的一次性可编程存储器,其可以通过熔断一组熔丝阵列中的选定单元来编程,其次还会有一系列的感知电路可以记录熔丝的编程情况,然后可以用基于熔丝阵列一次性可编程存储器存储的数据模型输出去控制运放输入差分对管的trim。高增益放大级采用折叠式共栅共源结构。前馈式AB类轨至轨输出级受到浮动电流源的控制,其作用是削弱了AB类控制电路对电源电压的依赖性,减少了共模输入电压对输出级的静态电流的影响,电路的电源抑制比同时也得到了改善。基于某晶圆厂0.25μm CMOS工艺的条件,对电路采用CADENCE软件进行了仿真,最后对该芯片进行了实验室级别包括不同温度环境下的实际测试验证。该运算放大器最终实际测试结果显示该运算放大器的电源电压范围为2.2V到5.5V。在5.5V的电源电压下,输入失调电压典型值约在25μV,失调电压温度漂移典型值0.6μV/°C,静态电流约为1mA,典型输出电流源23mA,典型输出电流沉22mA,电路持续总功耗小于250mW,直流开环增益达到120dB左右,单位增益带宽大约10MHz,相位裕度达到60°,芯片面积为850μm*950μm,最终完成了一款运算放大器的设计。
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