【正文】 ，在論文工作過(guò)程中，張老師也對(duì)我進(jìn)行了悉心的指導(dǎo)，在此一并表示感謝。再者，就是目前尚未對(duì)所設(shè)計(jì)的運(yùn)放電路制作流片，所以未對(duì)芯片做出驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，這正是今后進(jìn)一步研究的方向。然而，正如在文獻(xiàn)綜述中已經(jīng)指出的 :不斷的在出現(xiàn)對(duì)運(yùn)算放大器更新、更高的性能要求。綜合考慮系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，并設(shè)計(jì)出運(yùn)放的結(jié)構(gòu)形式。從所設(shè)計(jì)的電路的仿真結(jié)果來(lái)看，這些 電路的實(shí)現(xiàn)是可行的。論文從收集資料一查閱文獻(xiàn) ~設(shè)計(jì)電路一進(jìn)行理論分析一HsPice仿真，直至完成論文，從 2021年開(kāi)始已經(jīng)歷時(shí)一年多。經(jīng)計(jì)算上升沿的轉(zhuǎn)換速率 ?SR 為 ?V ，下降沿的轉(zhuǎn)換速 ?SR 為 :。壓擺率不受輸出級(jí)限制，但由第一級(jí)的源一漏極電流決定。 圖 開(kāi)環(huán)增益的幅頻特性和相頻特性 運(yùn)算放大器的直流傳輸特性分析 失調(diào)電壓 運(yùn)放的電源取士 ，將運(yùn)放得反相端接地如圖 所示，同時(shí)同相端加直流掃描電壓，得到運(yùn)放的直流傳輸特性仿真曲線(xiàn)如圖 所示。 第五章 運(yùn)算放大器的 HSPICE 仿真 運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益特性分析 將運(yùn)放接成如圖 所示的結(jié)構(gòu)，就可以測(cè)量運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)。 M16 管為中間級(jí)放大管，輸出緩沖級(jí) 的 M， M!8 等也作為中間級(jí)放大管的負(fù)載。寬擺幅是指電流鏡的最小工作電壓是兩倍的過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓 ODU ，也稱(chēng)為飽和電壓? ?satdU 。由 IV 特性可以看出，電路的最低工作電壓是 ODTH UU 2? ，如果電壓再降低， M2 管將進(jìn)入線(xiàn)性區(qū)，恒流源的輸出電阻會(huì)降低，這樣電路增益就會(huì)下降。由于 M M4 管的加入，這種電流鏡的小信號(hào)輸出電阻為 : ? ?? ? 01012mb2m020 rrgg1r ????R （ 4— 4） 一般地，粗略計(jì)算 R。 5M起尾電源的作用，它應(yīng)該偏置到飽和區(qū)。 (5)在運(yùn)放的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用一定的動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)既可以減小運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓，同時(shí)也可以降低 MOS管的閃爍噪聲。這樣的兩級(jí)結(jié)構(gòu)可以兼顧增益和輸出擺幅的要求。 表 所設(shè)計(jì)運(yùn)放的性能指標(biāo) 運(yùn)算放大器的結(jié)構(gòu)選擇 (l)高精度運(yùn)算放大器需要有較低的失調(diào)電壓。把運(yùn)放的反相輸入端接地，對(duì)同相輸入端進(jìn)行掃描，可以對(duì)系統(tǒng)失調(diào)加以仿真，輸出為零時(shí)的輸入電壓即為輸入失調(diào)電壓。 高精度運(yùn)算放大器的主要性能指標(biāo) (l)低失調(diào)電壓 在理想情況下，如果把運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端都接地，相應(yīng)的輸出電壓應(yīng)為零?，F(xiàn)在的運(yùn)算放大器逐漸出趨向于低壓低功耗，對(duì)供電電源的要求也越來(lái)越高，因此這個(gè) 參數(shù)也相當(dāng)重要。 共模抑制比 差動(dòng)放大器的一個(gè)重要特性就是其對(duì)共模擾動(dòng)影響的抑制能力。 圖 增益 — 頻率變化曲線(xiàn) 相位裕度 相位裕度 在電路設(shè)計(jì)中是非常重要的一個(gè)指標(biāo)，主要用來(lái)衡量負(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并能用來(lái)預(yù)測(cè)閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的過(guò)程。高頻時(shí) uoA 與頻率有關(guān)，且運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益越大，其對(duì)應(yīng)的反饋系統(tǒng)精度越高。 (a)單端輸出 （ b）差動(dòng)輸出 圖 簡(jiǎn)單的運(yùn)放電路 （ a）單端輸出符號(hào) （ b）差動(dòng)輸出符號(hào) 圖 運(yùn)算放大器的符號(hào) 這兩種電路的 低頻小信號(hào)電壓增益 : ? ?opomNu rrg NA ? （ 3— 3） 其中，下標(biāo) N 和 P 分別表示 NMOS 和 PMOS。多數(shù)系統(tǒng)中，開(kāi)環(huán)電壓增益 Au。壓控電壓源 pU /CMRR 用來(lái)表示運(yùn)算放大器的共模抑制比 (CMRR)，反映運(yùn)算放大器的共模電平對(duì)輸出電壓的影響。 圖 運(yùn)算放大器的符號(hào) 圖 理想運(yùn)放的等效電路 非理性運(yùn)算放大器 圖 給出了再理想運(yùn)算放大器基礎(chǔ)上構(gòu)建的非理想運(yùn)算放大器模型。 nU 和 pU 標(biāo)識(shí)同相端和反 相端對(duì)地的電位， 0U 表示輸出端對(duì)地的電位。正如將漏源電流源等笑道 MOS 管柵端一樣，如果需要也可以將該噪聲源等效到電源上或是系統(tǒng)輸出端，其效果是相同的。工作再飽和區(qū)的長(zhǎng)溝道 MOS 器件的溝道熱噪聲可以等效為跨接在漏源兩端的噪聲電流源，如圖 (a)所示。小信號(hào)模型是工作點(diǎn)附近的大信號(hào)模型的近似，可以通過(guò)在直流偏置點(diǎn)柵電壓產(chǎn)生的增量，計(jì)算由其引起的其他偏置參數(shù)的增量，以獲得小信號(hào)模型。因此，考慮溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)后的飽和模型應(yīng)變?yōu)?: ? ? ? ?DSTHGSOXD UUUL WC ?? ??? 121i 2n (2— 11) 式中又為溝道調(diào)制系數(shù)，參數(shù)又表示給定的DSU增量所引起的溝道長(zhǎng)度的相對(duì)變化量。體效應(yīng)通常是不希望的，因?yàn)殚}值電壓的變化經(jīng)常會(huì)使模擬電路 (或數(shù)字電路 )設(shè)計(jì)變得復(fù)雜了。 根據(jù)閾值電壓的定義及 MOS 管的工作原理可知， MOS 管形成溝道必須要先中和其耗盡層的電荷， 當(dāng) 0?BSU 時(shí)， P 型襯底與源極相連的 PN+結(jié)耗盡層變厚，要想維持溝道中的載流子數(shù)量與 0?BSU 時(shí)相同，則需增加 GSU 。亞 Iamp。例如，式 (2 一 8)表明，如果保持 W/L 恒定，則 gm 隨著過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增加，而式 (2一 10)表明，如果 Di 不變的話(huà)， mg 隨著過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓的增大而減小。更準(zhǔn)確地說(shuō)，由于在處理信號(hào)的過(guò)程中，要考慮電壓和電流的變化，因此把這個(gè)性能系數(shù)定義為漏電流的變化量除以柵 源電壓的變化 量。 (3)飽和區(qū) : THGS UU ? ， THGSDS UUU ?? , 實(shí)際上，漏極電流 id 并不是隨著 uds 增大而無(wú)限增大的，在 THGSDS UUU ?? 時(shí)， MOS管進(jìn)入飽和區(qū) :此時(shí)在溝道終端產(chǎn)生夾斷現(xiàn)象。KN為 NMOS管的導(dǎo)電因子。不考慮二級(jí)效應(yīng)， NMOS管導(dǎo)通時(shí)的薩氏飽和方程為 : ? ? ?????? ??? DSDSTHGSOXD UUUULWC 2n 21i ? (2— 1) 令 圖 低 DSU 和強(qiáng)反型層 NMOS 管剖面圖 圖 NMOS 管的 I— V 特性 LWCKOXnn 21 ?? (2— 2) 則式 (2一 l)變?yōu)?: ? ?? ?DSDSTHGSND UUUUK 22i ??? (2— 3) 低壓運(yùn)放的設(shè)計(jì)中主要涉及的電學(xué)特性就是柵一源電壓 UGS，該電壓決定了 CMOS 電路能正常工作的最小電源電壓值。而低噪聲集成運(yùn)放主要是指噪聲很低的集成運(yùn)放。高精度集成運(yùn)放主要是指漂移和噪聲非常低、高增益和高共模抑制比的集成運(yùn)放。 首先，與雙極型運(yùn)放電路相比較，雖然 CMOS 運(yùn)放電路在增益、失調(diào)、速度等方 面得性能略差，但是 CMOS運(yùn)放電路能在比較寬的輸入電壓范圍內(nèi)工作，并且在輸入阻抗和靜態(tài)功耗等方面有著巨大的優(yōu)越性 。目前用于降低放大器低頻噪聲 (主要是 1/f噪聲 )和失調(diào)電壓的技術(shù)主要有三種 :自動(dòng)調(diào)零 (AZ)、相關(guān)雙采樣技術(shù) (CDS)和斬波技術(shù) (CHS)。軌對(duì)軌輸出級(jí) — 主要作用是降低輸出電阻，維持大的信號(hào)擺幅。差分跨導(dǎo)級(jí) — 由差分電路組成。 運(yùn)算放大器的整體結(jié)構(gòu) 如圖 所示， CMOS 運(yùn) 算 放 大 器 主 要 由 差 分 跨 導(dǎo) 級(jí) 、 高 增 益 級(jí) 、 軌 對(duì)軌輸出級(jí)、密勒補(bǔ)償電路和偏置電路構(gòu)成。第三階段的產(chǎn)品主要特點(diǎn)是采用了超刀管作為輸入級(jí)，并在版圖設(shè)計(jì)中考慮熱效應(yīng)的影響，所以其失調(diào)電壓、失調(diào)電流、開(kāi)環(huán)增益、共模抑制比和溫漂等方面都有所改善 (如國(guó)內(nèi)的 FO30和國(guó)外的 AD508)。 運(yùn)算放大器 ((Operational Amplifier Op 一 Amps)簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放，作為 IC 芯片中應(yīng)用最廣泛的單元電路，其性能的改善能夠使整個(gè)集成電路系統(tǒng)的性能上一個(gè)臺(tái)階，同時(shí)它也是許多模擬系統(tǒng)和數(shù)?；旌闲盘?hào)系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分。隨著各種數(shù)據(jù)處理和通信設(shè)備功能越來(lái)越復(fù)雜，將眾多功能集成在一小塊芯片之上的需求一直在增加。當(dāng)前的前沿技術(shù)已經(jīng)為終端用戶(hù)提供了一定的處理能力和便捷性，人們希望對(duì)這種超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重大影響的趨勢(shì)延續(xù)下去。 運(yùn)算放大器 。輸出級(jí)采用 AB 類(lèi) rail tor ail 推挽結(jié)構(gòu) , 達(dá)到高驅(qū)動(dòng)能力和低諧波失真的目的。在設(shè)計(jì)中輸入級(jí)采用兩對(duì)跨導(dǎo)器件 r ail to rail 的電路結(jié)構(gòu) ,從而實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)的跨導(dǎo)在整個(gè)共模輸入范圍內(nèi)保持恒定。 低電壓高精度 。事實(shí)上，正是這些應(yīng)用所需求的計(jì)算和信息處理能力成為電子領(lǐng)域快速發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。因此，便攜式成為系統(tǒng)集成的主要驅(qū)動(dòng)力之一。在 CMOS工藝日益發(fā)展的今天，采用 CMOS技術(shù)制造的低電壓、高精度模擬電路的設(shè)計(jì)過(guò)程已經(jīng)成為人們的研究熱點(diǎn)之一。第二階段的產(chǎn)品特點(diǎn)主 要是普遍采用了有源負(fù)載，而且與第一階段產(chǎn)品相比，其產(chǎn)品的開(kāi)環(huán)增益有所提高 ,又由于電路比較簡(jiǎn)單、性能指標(biāo)比較符合要求，這一類(lèi)產(chǎn)