【正文】 研究表明，通過負(fù)反饋?zhàn)銐虻膽?yīng)用程序，穩(wěn)定性可以很好地確保，而高頻性能不退化。晶體管M21提供一半的第二級(jí)的跨導(dǎo)，這是由晶體管M25經(jīng)倍增電流鏡由M24和M25組成。 這種情況下，最后一個(gè)階段構(gòu)成的推挽輸出級(jí)壓擺率快于兩個(gè)方向。就像大多數(shù)的多級(jí)放大器，對(duì)TCFC放大器的整體轉(zhuǎn)換率受限制于放大器中的最慢的階段。這意味著，在非優(yōu)勢(shì)極點(diǎn)相比之前討論過的無限第二級(jí)的輸出電阻R2的情況下，使極點(diǎn)進(jìn)一步分離。因此，只有一個(gè) LHP零殘留，這由下式給出　　 　　根據(jù)（32）中，LHP零點(diǎn)ZLHP1提高了相位裕度，顯然是位于高于所述第一非主極點(diǎn)。請(qǐng)記住，kt是跨導(dǎo)率gm2比上gmt，這始終是一個(gè)正值。為了改善大信號(hào)性能如擺率，一個(gè)前饋級(jí)gmf，其中最后階段構(gòu)成推挽輸出級(jí)，很容易包含在TCFC結(jié)構(gòu)如由圖2中的虛線。４. 帶有電容負(fù)反饋的跨導(dǎo) Ａ．結(jié)構(gòu) 在三級(jí)ＴＣＦＣ結(jié)構(gòu)中，使用帶有電容負(fù)反饋的跨導(dǎo)的補(bǔ)償技術(shù)，在圖２中展示?？偠灾?，由于三個(gè)不精確的值：Ａｖ２，Ｒ２，和Ｃ２，穩(wěn)定條件（１０）不能夠確?？煽?，在實(shí)際設(shè)計(jì)中。Cm1是唯一的密勒電容，完成頻率補(bǔ)償?；谶@些考慮，已經(jīng)很清晰對(duì)內(nèi)部米勒電容Cm2采取措施可能是一個(gè)積極的方法來實(shí)現(xiàn)更好的表現(xiàn)。因此，跨到gm3必須足夠大來避免這一負(fù)面影響。在這些放大器中，盡管穩(wěn)定性問題已經(jīng)基本解決了，但是存在著巨大的功耗浪費(fèi)和增益帶寬積的減小的嚴(yán)重問題。一種優(yōu)化了的ＴＣＦＣ放大器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。高老師以他淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象。,1997:6571.[6]翟艷，楊銀堂，朱樟明，[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，(1):112113.[7] 運(yùn)算放大器設(shè)計(jì):(碩士學(xué)位論文)[D].成都:西南交通大學(xué),.[8]Behead of Analog CMOS Integrated Circuits[M].New York:Me GrawnHill,2001.[9]. Zhang and . Chan ,An Untrimmed CMOS Amplifier with High CMRR and Low Offset for Sensor and Systems[M].IEEE Asia Pacific Conference :802 805[10] [M].中國(guó)航天科技集團(tuán),.[11]Manju Sandhu Design of Low Voltage Low Power Operational Amplifier[C].Advanced Computing amp。C~85176。事實(shí)上通過增加增益帶寬積事實(shí)上也極大地改善了諧波失真特性，至于非線性失真在取2MHZ時(shí)，其相位裕度還很好。這是由于TCFC放大器的輸出級(jí)不依賴巴特沃斯三階響應(yīng)，故可以將TCFC放大器的輸出級(jí)電流設(shè)計(jì)的十分微小，極大地降低了功耗，但這樣所帶來的問題是放大器的帶負(fù)載能力降低，轉(zhuǎn)換速率也能以達(dá)到要求所以重新設(shè)計(jì)了參數(shù)，使其滿足其它的技術(shù)指標(biāo)要求。然而，這種限制可以通過，如圖（310）中的前饋階段gmf克服。為了優(yōu)化的增益帶寬積，以及相位裕度，安排適當(dāng)?shù)牧銟O點(diǎn)的位置是很重要。最后，是第二階段到反饋階段的跨導(dǎo)比。電容Cm2和跨導(dǎo)級(jí)gmt組成內(nèi)部反饋環(huán)路。基于這些考慮，已經(jīng)很清晰對(duì)內(nèi)部米勒電容Cm2采取措施可能是一個(gè)積極的方法來實(shí)現(xiàn)更好的表現(xiàn)。因此，跨到gm3必須足夠大來避免這一負(fù)面影響。除了放大器結(jié)構(gòu)的因素外，為了降低放大器的功耗使得該放大器的帶負(fù)載能力不是很高，這也是諧波失真較高的主要原因。C～85。通過對(duì)Ldp微分設(shè)置導(dǎo)數(shù)為零,相對(duì)于最低輸入?yún)⒖茧妷海? （35）因此，通過選擇最佳值的差分輸入對(duì)溝道長(zhǎng)度和選擇較大的為L(zhǎng)mir和Wdp之值，輸入?yún)⒖嫉? / f噪聲被最小化。它可以被歸類為系統(tǒng)共模抑制比和隨機(jī)CMRR。因此該復(fù)合增益級(jí)提供了內(nèi)在的跟蹤機(jī)制，以減少系統(tǒng)性偏差，從而提高穩(wěn)定性?？傻?，,。 第3章 低功耗運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 圖31NMC放大器的結(jié)構(gòu) 兩級(jí)放大器的增益可以通過級(jí)聯(lián)額外的增益級(jí)來提高。運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)可以分成兩個(gè)明顯與設(shè)計(jì)相關(guān)的步驟，它們很大程度上互不相關(guān)。運(yùn)算放大器作為大多數(shù)模擬電路的關(guān)鍵部件之一，對(duì)增益、帶寬等性能指標(biāo)有很高的要求。這是折疊式OTA的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)有兩個(gè)輸出端時(shí)，就沒有必要采用后面的電流鏡。 如圖所示，四個(gè)共源共柵MOST M58與輸入器件和電流鏡串聯(lián)，這里指出共源共柵M7管包含在M3管周圍的反饋環(huán)中，這樣可以產(chǎn)生一個(gè)大的輸出擺幅[11]。一是第二個(gè)極點(diǎn)接近于fT的頻率上。由數(shù)字電路在襯底上產(chǎn)生的地噪聲，會(huì)同時(shí)加到輸入端，被差分輸入所抑制掉。電壓增益的表達(dá)式與單個(gè)晶體管放大器完全相同。因?yàn)榭偟碾娏鳛镮B，所以流過右邊晶體管的電流將相應(yīng)減小。尾流電源IB對(duì)這個(gè)電路提供直流偏置。實(shí)際上，它是由兩個(gè)并聯(lián)的單管放大器構(gòu)成，目的是抑制共模干擾信號(hào)。低頻增益和帶寬的乘積叫做增益帶寬積GBW，目前它是放大器最重要的品質(zhì)因數(shù)，也是放大器最重要的一個(gè)指標(biāo)。這是一個(gè)很重要的結(jié)論：大的增益AV，必須使VGSVT盡可能小，使L盡可能大。另一個(gè)要求就是功耗的最小化。6. 電源抑制。為更容易預(yù)測(cè)閉環(huán)頻率特性，也可規(guī)定3dB的頻率f3dB。但卻以犧牲其它的性能為代價(jià)，例如速度、輸出擺幅和功耗。在第三章主要介紹了兩種三級(jí)放大器NMC運(yùn)算放大器和TCFC運(yùn)算放大器，和它們的仿真參數(shù)和仿真結(jié)果，以及它們之間對(duì)比的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。與國(guó)外還有很大的差距,研究開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán)的低壓微功耗運(yùn)放變得非常重要。DIO2052/DIO2051 有寬的共模輸入范圍和寬的輸出電壓擺幅，溫度工作范圍從40℃到125℃。當(dāng)靜態(tài)電流是主要考慮的參數(shù)時(shí)，該產(chǎn)品可為設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)功耗和電池使用壽命。國(guó)際上,從1977年Rene A. Vanparys和Roger Cuppens發(fā)表了《CMOS Analog Integrated Circuit Based on weak Inversion Operation》開始,至今已經(jīng)有200多篇這方面的文章陸續(xù)發(fā)表在IEEE上面。石英陀螺中低功耗運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目 錄摘 要 IAbstract II目 錄 3第1章 緒論 5 課題背景及研究的目的和意義 5 5 6 7第2章運(yùn)算放大器 8 8 9 9 9 10 12 12 13 15 15 15 16 16第3章 低功耗運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 17 17 18 共模抑制比 19 19 19 TCFC運(yùn)算放大器設(shè)計(jì) 25 TCFC運(yùn)算放大器的仿真分析 28 32參考文獻(xiàn) 33哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 35致謝 36附錄1 37附錄2 50第1章 緒論 課題背景及研究的目的和意義 傳統(tǒng)的陀螺由于其體積大、成本高,制約了它在很多方面的應(yīng)用。很多的國(guó)外知名公司都在進(jìn)行低壓微功耗方面的研發(fā)工作,并且己經(jīng)推出了自己各自的產(chǎn)品。新推出的系列產(chǎn)品TSU10TSU102和TSU104分別是單、雙和四運(yùn)算放大器，每個(gè)運(yùn)算放大器消耗的電流低于典型鋰電自放電電流，TSU10x讓使用鈕扣電池的設(shè)備具有更長(zhǎng)的工作壽命，例如能量收集系統(tǒng)、個(gè)人醫(yī)療監(jiān)視儀、煙霧報(bào)警裝置、被動(dòng)紅外偵測(cè)器、無線傳感器、安全攝像頭和智能標(biāo)簽等應(yīng)用。DIO2052/DIO2051的bandwidth是500kHz，每個(gè)通道的靜態(tài)功耗是16uA。通常情況下,CMOS的功耗主要有兩個(gè)方面組成即動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。55第2章運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器是許多模擬系統(tǒng)與混合信號(hào)系統(tǒng)中的一個(gè)完整部分。 與此相反，今天的運(yùn)放設(shè)計(jì)，從開始就認(rèn)識(shí)到各參數(shù)之間的折中關(guān)系，這種折中最終要求在整體設(shè)計(jì)中進(jìn)行多方面的綜合考慮，因而我們必須知道滿足每一個(gè)參數(shù)的適當(dāng)取值。3. 輸出擺幅。運(yùn)放常常在混合信號(hào)系統(tǒng)中使用，并且有時(shí)連接到有噪聲的數(shù)字電源線上。如果GBW和容性負(fù)載確定了，就很容易實(shí)現(xiàn)放大器的最佳性能。因此，設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)從不選擇最小的溝道長(zhǎng)度，通常使L的值為最小值的4~5倍。 前面對(duì)單個(gè)晶體管電路已經(jīng)有了全面的了解，下面分析電流鏡電路和差分對(duì)電路，它們是所有模擬電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。差分對(duì)管是構(gòu)成全差分電路的基礎(chǔ)。 先看直流工作的情況。電流的增量叫做交流電流，或者循環(huán)電流。 還要注意的就是，這個(gè)循環(huán)電流只是在這兩個(gè)晶體管和負(fù)載中循環(huán)通過，而不流過電源線。結(jié)果電路的共模抑制比(CMCC)也會(huì)很高。二是極點(diǎn)在輸出結(jié)點(diǎn)的另一端。 這種結(jié)構(gòu)叫做套筒式CMOS OTA。這也是一個(gè)高擺幅的電流鏡。折疊式共源共柵的第二個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是輸入晶體管的柵電位甚至可以超過電源電位。為了獲得較高的增益，傳統(tǒng)的放大器采用cascode 結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)嚴(yán)重限制了電路的輸出擺幅，因此不適合低電壓應(yīng)用。第一步是選擇或構(gòu)造運(yùn)算放大器的基本結(jié)構(gòu)，描述所有晶體管連接的草圖。NMC結(jié)構(gòu)就是基于 Miller放大器擴(kuò)展而成。通常假定增加輸出級(jí)的跨導(dǎo)。在工藝環(huán)境溫度和電源變化的背景下。系統(tǒng)共模抑制比: (33) 該電路設(shè)計(jì)具有有限的跨導(dǎo)或不足夠大的輸出電阻，為減小失配系數(shù)的影響在設(shè)計(jì)放大器時(shí)將控制整體的CMRR。表31 NMC運(yùn)算放大器的參數(shù)選擇gm1=14μgm2=14μgm3=gm4=gm5=gm6=gm7=gm8=gm9=gm10=gm11=gm12=C0=C1=2pFR0=100利用candence仿真軟件對(duì)NMC運(yùn)算放大器進(jìn)行仿真分析得到其幅頻特性和相頻特性如圖（33）所示，這與預(yù)計(jì)設(shè)定的2MHZ的增益帶寬積有一些誤差，可能是因?yàn)樵谟?jì)算時(shí)忽略了寄生電容的影響，在實(shí)際情況下寄生電容的影響是不可避免的。C變化時(shí)，其輸出電壓變化很小。圖310諧波失真測(cè)量曲線基波和諧波分別為： A1k=,A2k=118dB,A3k=,A4k=114dB,A5k=100dB失真約為： 輸出范圍測(cè)量如圖（311）所示,~5V。為了確保穩(wěn)定性，最后一級(jí)的跨導(dǎo)gm3在三級(jí)嵌套密勒補(bǔ)償放大器中要求的取值為　　 (36)　　顯然，在嵌套密勒補(bǔ)償放大器中，最后一級(jí)的跨導(dǎo)是單級(jí)放大器跨導(dǎo)的4倍。然而在這種情況下第一非主極點(diǎn)會(huì)被寄生電容支配，導(dǎo)致集成電路版圖易受影響?！　〈送?，由于僅寄生電容被連接到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)，第二級(jí)的高頻率增益降低最小。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，它的值是2In（22），是另一個(gè)重要的分頻系數(shù)，這代表增益帶寬積由下式給出. (317)通過應(yīng)用勞斯穩(wěn)定判據(jù)，穩(wěn)定條件可求得 (318) (319)顯然，上述條件（318）總是滿足的當(dāng)kt0。由于比值Cm2/C2可以做的大，可以假設(shè)ω2比ω1大，可以給出因此，第一非主極點(diǎn)是由ω1確定,可以由下式給出 (320)　　由于非常大的頻率系數(shù)，兩個(gè)零點(diǎn)只出現(xiàn)在非常高的頻率。 三級(jí)TCFC放大器的示意圖如圖313。圖314 TCFC運(yùn)算放大器交流仿真圖 轉(zhuǎn)換速率的測(cè)量如圖(315)所示，這比較好的滿足了轉(zhuǎn)換速率為5V/s的要求，可以看出輸入方波的瞬態(tài)輸出波形不是很理想。所以沒