【摘 要】
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当今电子产品不断地向小型化、便携式的方向发展,集成电路的特征尺寸越来越小,集成度越来越高,运放的工作电压也越来越低。当电源电压越来越低时,场效应管的阈值电压并未减小。与此同时,运放的共模输入范围越来越小,这使得设计轨到轨输入/输出的运放成为一种必需。低失调的高精密运算放大器在医疗器械、传感器应用、电子秤、光学模块及气体探测器等方面均有很大的需求,因此设计一款精密运放很有必要。本文对国内外的精密轨到
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当今电子产品不断地向小型化、便携式的方向发展,集成电路的特征尺寸越来越小,集成度越来越高,运放的工作电压也越来越低。当电源电压越来越低时,场效应管的阈值电压并未减小。与此同时,运放的共模输入范围越来越小,这使得设计轨到轨输入/输出的运放成为一种必需。低失调的高精密运算放大器在医疗器械、传感器应用、电子秤、光学模块及气体探测器等方面均有很大的需求,因此设计一款精密运放很有必要。本文对国内外的精密轨到轨输入/输出运算放大器做了广泛的调研,分析了轨到轨输入/输出精密运放的结构、工作原理和性能优缺点,设计了一款采用CMOS工艺的轨到轨输入/输出精密运算放大器。本文所设计的运放是一个两级运放,第一级采用并联互补型差分对结构实现输入的轨到轨、采用冗余差分对法实现恒定跨导、采用折叠式共源共栅电路来获得高增益;第二级采用class AB结构实现输出的轨到轨和采用跨导线性环为输出管提供静态电流。低失调电压采用数字修调技术实现;偏置电路采用PTAT电流产生电路、CTAT电流产生电路以及偏置电流的输出电路;采用调零电阻与补偿电容串联电路来进行运放稳定性的设计。本文采用0.35μm CMOS工艺进行设计,并借助Cadence软件进行了电路仿真与版图设计。由仿真数据分析可得,本文所设计的运算放大器满足轨到轨输入/输出的设计要求;通过采用数字修调技术满足低失调指标要求,当VCM为低时输入失调电压的仿真典型值为11.4μV,当VCM为高时输入失调电压的仿真典型值为7.7μV;输入偏置电流仿真典型值为4.8 p A;输入失调电流仿真典型值为0.4 p A;输入共模电压范围为0 V～5 V;输出电压的低电平不超过780μV,输出电压的高电平与正电源轨只相差1 m V;共模抑制比的仿真典型值为141 d B;正负电源电压抑制比的仿真典型值分别为113 d B和122 d B;开环电压增益的仿真典型值为111 d B;单位增益带宽的仿真典型值为29.1 MHz;相位裕度的仿真典型值为68.0°;上升沿和下降沿转换速率的仿真典型值分别为18.4 V/μs和32.0 V/μs;建立时间的仿真典型值为260 ns。本文所设计运放可达到轨到轨输入/输出要求,且性能参数也满足设计指标要求。
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