摘 要
摘 要
运算放大器是模拟集成电路中最重要的，通用的单元模块，增益和单位增益带宽是衡量运算放大器性能优劣的两个最重要的指标，长期以来不断地提高运放的增益和单位增益带宽指标一直是高性能运放设计的努力方向之一。同时随着便携式应用和生物医学应用的发展，低电源电压，低功耗模拟和混合信号集成电路的需求也会增大，所以，低电压低功耗的运算放大器设计也是非常必要的
本文对衬底驱动MOSFET技术进行了研究和分析，对不同结构的放大器电路进行了对比，在此基础上设计了一个输入级为衬底驱动的高带宽高增益运算放大器电路。运放采用两级结构，输入级为衬底驱动的差动输入对结构，有效避开了阈值电压的限制。
电路基于SMIC 0.18μm CMOS工艺设计，在1.8V的电源电压下采用Cadence Spectre软件进行仿真，并完成多种工艺角下的AC特性仿真。最终测得直流开环增益为81.08dB，单位增益带宽42.14MHz，相位裕度PM=65.93°，输出电压范围为273mV~1.59V，功耗为864μW。
关键词：模拟集成电路 衬底驱动 跨导运算放大器 高带宽高增益
ABSTRACT
ABSTRACT
Operational amplifier is the most important and versatile unit module in Analog IC, gain and unity gain bandwidth are the two most important indicator of the operational amplifier, and for a long time continuing to improve gain and unity gain bandwidth has been one direction for high performance operational amplifier design. Simultaneously with the development of portable applications and biomedical applications, the demand for low supply voltage, low-power analog and mixed-signal integrated circuits will increase, so the low-voltage and low-power operational amplifier design is also very necessary.
This thesis has analysised the bulk-driven MOSFET technology, and compared some different amplifier circuits. Based on the above-mentioned analysis，we have designed a high-bandwidth high-gain op amp circuit with a bulk-driven input stage. The operational amplifier is implemented with two-stage structure, and the input stage is a bulk-driven differential pair, which can effectively avoid the limit of threshold voltage.
The amplifier is implemented in SMIC 0.18μm CMOS process, simulated by Cadence Spectre simulation software with 1.8V supply voltage. We have also completed the AC characteristics simulation under various process corners. The simulation results show that the DC open loop gain is 81.08dB，the unity gain bandwidth is 42.14MHz, the phase margin is 65.93°，the output voltage range is 273mV ~ 1.59V, and the power consumption is 864μW.
Key words: Analog IC bulk-driven OTA high-bandwidth high-gain
目 录 i
目 录
第一章 绪论 ..................................................................................................................... 1
1.1研究背景 .............................................................................................................. 1 1.2低电源电压模拟集成电路主要技术 .................................................................. 2
1.21 浮栅技术 .................................................................................................... 2 1.22 准浮栅技术 ................................................................................................ 2 1.23 衬底驱动技术 ............................................................................................ 2 1.3本文的主要工作和内容安排 .............................................................................. 3 第二章 衬底驱动技术的基本原理及特性分析 ............................................................ 5
2.1衬底驱动MOSFET的工作原理 ........................................................................ 5 2.2衬底驱动MOSFET小信号模型 ........................................................................ 8 2.3衬底驱动MOSFET差分对 ................................................................................ 9 2.4衬底驱动MOSFET的频率特性分析 .............................................................. 10 2.5衬底驱动MOSFET的噪声特性 ...................................................................... 11 2.6衬底驱动MOSFET的超低压运算放大器设计 .............................................. 13 2.7 本章小结 ........................................................................................................... 13 第三章 运算跨导放大器的设计与实现 ...................................................................... 15
3.1典型运算放大器概述 ........................................................................................ 15 3.2运放基本的参数性能 ........................................................................................ 16 3.3全差分运放的几种基本结构 ............................................................................ 18
3.31 套筒式共源共栅运放 .............................................................................. 19 3.32 折叠式共源共栅运放 .............................................................................. 20 3.33 两级运放结构 .......................................................................................... 21 3.4衬底驱动跨导运放的实现 ................................................................................ 23
3.41 电路结构 .................................................................................................. 24 3.42 小信号分析 .............................................................................................. 25 3.43 密勒补偿电容和调零电阻 ...................................................................... 27 3.44 运算放大器尺寸的确定 .......................................................................... 28
ii 目 录
3.45 偏置电路 .................................................................................................. 29 3.5 本章小结 ........................................................................................................... 30 第四章 电路的仿真分析 .............................................................................................. 31
4.1运算放大器的相频特性和幅频特性的仿真与分析 ........................................ 31 4.2 输出电压摆幅 ................................................................................................... 33 4.3 多种工艺角下的AC特性仿真 ....................................................................... 33 4.4 本章小结 ........................................................................................................... 34 第五章 总结与展望....................................................................................................... 35 致 谢 ............................................................................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ......................................................................................................................... 36
第一章 绪论 1
第一章 绪论
1.1研究背景
上个世纪80年代初期，很多专家预言模拟集成电路即将消失[1]。当时，很多系统上用模拟电路形式来实现的功能很容易用数字的方法实现。所以，人们推测，全部的信号处理可以在数字领域内实现。但是，在人类生活的自然界中，很多信号属于模拟信号，所以人们对于模拟信号处理电路的需求一直有增无减。模拟集成电路在其设计和工艺技术的发展过程中，形成了具有自身特点的设计思想和工艺体系；在技术发展水平、产品种类等方面极大地地满足了信息化技术的需要；其应用已渗透到各个领域，在现代军、民用电子系统中，扮演了重要角色；在信息化的各种场合，都离不开高性能的模拟集成电路，模拟集成电路性能水平的高低常常决定着电子产品或系统的水平高低。
在20世纪60年代中期，人们发明了同时采用n型和p型晶体管组成的互补MOSFET（即CMOS），CMOS技术很快占领了数字市场。与其他晶体管相比，MOS器件的尺寸很容易按比例缩小，而且CMOS门没有静态功耗，并且需要的器件数较少。紧接着CMOS技术很快的运用到了模拟电路设计中。器件的尺寸不断缩小使得MOSFET的速度不断得以提高，以至于可以和双极器件的速度相比较。20世纪90年代以来，随着IC工艺尺寸的不断缩小，集成电路的性能不断提升，电路的功耗会成倍增加，如果没有很好的降温设备与之相匹配，那么电路工作的稳定性将受到挑战。电路功耗的减小将会成为大规模集成电路发展的一个主要课题。因此，很多集成电路设计公司把设计重点放到了降低电路功耗上面[2]。同时， CMOS工艺中最小尺寸的减小相应地需要集成电路中电源电压的降低。同时随着便携式应用和生物医学应用的发展，低电源电压，低功耗模拟和混合信号集成电路的需求也会增大。随着集成电路的发展，电池供电的电子设备的尺寸越来越小，运算的时间也越来越长。传统的运放要求电源电压至少和PMOS或NMOS晶体管阈值电压再加上必要的信号摆幅相等[3]。然而，未来标准CMOS工艺的阈值电压不会比深亚微米工艺有很大程度的下降，所以电路电源电压的降低将受到阈值电压的限制，使得模拟集成电路在低压下的应用变得十分困难[4]。