论文部分内容阅读
随着便携式电子产品的广泛应用和晶体管特征尺寸的不断减小，低功耗设计已逐渐成为当前集成电路设计的研究热点。为了降低功耗，必然要求降低芯片内部的电源电压。电源电压的降低迫使模拟电路单元在动态范围、电路速度等方面的性能大大降低，因而使得电路设计更加复杂化。运算放大器是模拟集成电路最重要的电路单元，广泛应用于各种混合信号处理电路，如A/D、D/A转换器和有源滤波等模拟电路。因此，低压低功耗运算放大器的结构设计就成为设计低功耗模拟系统最基本的工作。
本文首先分析了低电压低功耗模拟集成电路设计所面临的难点和挑战；接着简要介绍了MOS管的工作原理、二级效应以及小信号模型；然后分析了CMOS电路的功耗来源，并介绍了几种主要的低电压低功耗模拟集成电路设计技术，比较了各种技术存在的优缺点。由于工作在低电源电压条件下的运算放大器都要求有较宽的输入输出摆幅，并满足输入跨导恒定。因此，重点阐述了几种典型的恒跨导轨至轨输入级技术以及两种AB类偏置轨至轨输出结构。最后，结合前面的分析介绍，设计了一款低电压低功耗满电源幅度的CMOS运算放大器，该运放采用尾电流溢出控制技术实现恒跨导轨至轨输入，采用折叠共源共栅结构对输入级的差分输出电流求和放大，采用反馈偏置AB类输出结构实现轨至轨输出，采用密勒电容补偿技术增加增益带宽和相位裕度。
本文设计的运算放大器采用TSMC公司提供0.35μm CMOS工艺模型，利用Cadence Spectre仿真器进行模拟，在3.3V单电源条件下，其开环直流增益大约为100dB，相位裕度为51度，单位增益带宽为15MHz，静态功耗为13.17mW，观察输入输出转移特性曲线，可知该运算放大器具有满电源幅度的输入输出能力。