两级全差分运算放大器设计与仿真毕业论文

论文总字数：19626字

摘 要

现在的电子产品，对半导体集成电路芯片的需求越来越广泛，对性能的要求也越来越高。运算放大器电路是许多模拟系统和混合数字信号系统的组成部分，也是这些系统的基本单元，所以在设计和优化中占有重要地位。

本课题以实现高摆幅，高差分直流增益为设计研究的对象，主要是采用两级全差分共源共栅结构电路抑制了共模信号和噪声从而提高了输入动态范围与直流增益，并加入米勒补偿电阻以此来增加相位裕度。此电路包括三个部分：偏置电路，共模反馈电路以及主运算放大器电路。本文重点阐述了运算放大器电路及测试电路的设计过程并用Hspice软件设置参数进行各项指标仿真。

此次设计的两级全差分运算放大器电路在电源电压3.3V，负载电容4pF的条件下，各项性能为：差分直流增益130dB，单位增益带宽39.1MHz，相位裕度72°，闭环亚摆率63.3V/μs, 差分输出动态范围59.2dB，满足设计要求。

关键词：全差动运算放大器；米勒补偿；共源放大器

Design and Simulation of two-stage fully differential operational amplifier

Abstract

Nowadays, the demand for semiconductor integrated circuit chips in electronic products is more and more extensive, and the requirement for performance is also higher and higher. Operational amplifier circuit is a part of many analog systems and hybrid digital signal systems, and it is also the basic unit of these systems, so it plays an important role in the design and optimization.

In order to achieve high swing and high differential DC gain, two-stage fully differential common-source cascade circuit is used to suppress common-mode signal and noise, thus improving input dynamic range and DC gain, and adding Miller compensation resistance to increase phase margin. The circuit consists of three parts: bias circuit, common mode feedback circuit and main operational amplifier circuit. This paper focuses on the design process of operational amplifier circuit and test circuit, and uses Hspice software to set parameters to simulate various indicators.

Under the conditions of 3.3V supply voltage and 4pF load capacitor, the two-stage fully differential operational amplifier circuit has the following performances: differential DC gain 130dB, unit gain bandwidth 39.1MHz, phase margin 72 and closed-loop sub-swing rate 63.3V/mus, differential output dynamic range 59.2dB, which meets the design requirements.

Keywords:full differential operational amplifier; Miller compensation; common source amplifier

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 选题背景 1

1.2 选题意义 1

1.3 论文结构 1

第二章CMOS集成运算放大器简介 3

2.1 运算放大器基础 3

2.2 运算放大器的分类 3

2.2.1 套筒式共源共栅运算放大器 3

2.2.2 折叠式共源共栅运算放大器 3

2.2.3 增益自举运算放大器 4

2.2.4 两级运算放大器 5

第三章 设计方案及难点 6

3.1 课题关键问题： 6

3.2 课题难点： 6

3.3 设计指标 6

3.3.1 开环增益 6

3.3.2 小信号带宽 7

3.3.3 输入和输出电压范围 7

3.3.4 噪声与失调电压 7

3.3.5 共模抑制比 7

3.3.6 电源抑制比 7

3.3.7 压摆率 7

3.4 设计方案 7

3.4.1 差分直流增益 7

3.4.2 差分压摆率 8

3.4.3 相位裕度和单位增益带宽 9

3.4.4 共模负反馈 9

3.4.5 偏置电路 10

3.4.6 米勒补偿电阻 10

第四章 设计结果 12

4.1 运算放大器交流特性仿真 12

4.2 运算放大器闭环压摆率仿真 14

4.3 运算放大器输出动态范围 15

第五章 结束语 17

致谢 18

参考文献 19

附录 20

第一章 引言

1.1 选题背景

运算放大器是以1947年约翰·R·阿兹奇尼命名的一种特殊类型的放大器，它可以通过合理配置外部元件来执行各种数学运算，如放大、求和、加、减、微分和集成电信号。实际的运算放大器通常采用闭环负反馈的形式。运算放大器几乎覆盖所有的模拟和混合信号系统，从简单的信号放大到复杂的ADC系统。大量的复杂运算放大器在电路系统中起着不同的作用：从产生偏压到信号采样、检测和滤波，运算放大器在模拟信号系统中起着不可替代的作用。^[1]它名字的由来也是因为它刚发明出来的时候是由计算机进行运算，且拥有放大电路信号的功能，所以被称为运算放大器，现在有各种各样不同的放大器，他们的功能也各不相同，所以使用到他们的地方很多，且还会有更多种类的运算放大器被发明出来，但是随着集成电路技术的进步，电源电压和晶体管特性尺寸的缩小，各种二阶效应越来越明显，高性能运算放大器的设计面临着越来越严峻的挑战，此外，差分输出的输出电压信号幅度是单端输出的两倍，这对于由低电源电压供电的现代CMOS电路尤为重要，因为它可以扩大输出信号的动态范围。

近年来也有越来越多的人研究运算放大器的各个方面，因为其在多个领域都有许多重要的作用，例如高开环增益放大器在模拟信号处理电路中使许多传输功能在负反馈的应用中得以实现，又比如通过研究在常规两级运算放大器中加入连续时间滤波器，其展现了PSRR带宽扩展超过十年、芯片面积显著减少、单位增益带宽和功耗提高的可能性。这些都表明在当代研究运算放大器仍很必要。

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