CMOS运算放大器的研究与发展趋势论文

目录摘要................................................................1关键词..............................................................1Abstract............................................................1keywords...........................................................11引言..............................................................21.1研究背景及意义..............................................21.2国内外研究动态..............................................22基本理论..........................................................32.1MOS管概述..................................................32.1.1MOS管大信号模型......................................32.1.2MOS管的交流小信号模型................................82.2运算放大器的主要性能指标....................................93运算放大器的研究.................................................123.1差分式运算放大电路.........................................123.2折叠式运算放大电路.........................................133.3套筒式运算放大电路.........................................154运算放大器的发展趋势.............................................174.1通信和视频应用使高速运放成为焦点...........................184.2便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器......................194.3精密运算放大器.............................................194.4通用运放在传统应用领域仍有发展空间.........................195小结.............................................................20参考文献...........................................................21致谢..............................................................22CMOS运算放大器的研究与发展趋势王承智（湖南大学湖南娄底417000）摘要：由于运算放大电路是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分，而且也是构成这些系统的基本单元，所以在进行设计和优化中占据着一个重要的位置。运算放大器单元性能的提高，能够使得整个系统的性能上一个台阶。本文从CMOS运算放大电路的基本参数出发，介绍了运算放大器的主要指标：开环增益、输出摆幅、转换速率、噪声等，并对MOS管的电学特性做了详细的分析。其次，分析了目前常见的放大电路结构，主要有基本的全差分结构、折叠式结构、套筒式结构。最后结合现在运算放大器在各个领域的应用情况对未来的发展趋势做了一个预测。关键词：运算放大器；套筒式；差分结构；折叠式TheResearchandDevelopmentTrendsofCMOSOperationalAmplifierWangChengzhiAbstract：Theoperationamplifiercircuitisanintegralpartofmanysimulationsystemandmixeddigitalsignalsystem,andisconstitutethebasicunitofthesesystems,soitisimportantduringthedesignandoptimization.Theimprovementoftheoperationalamplifierunitperformancecanmaketheoverallsystemperformancetoahigherlevelofresearch.ThisarticlefirstlyhaveintroducedthebasicparametersofCMOSoperationamplifiercircuit,included:theopen-loopgain,outputswing,slewrate,noiseandsoon,furthermorewemakeadetailedanalysisoftheelectricalcharacteristicsofMOS.Secondly,thepaperhaveanalysisthecurrentstructureofthecommonamplifiercircuit,alsoitincludesbasicfullydifferentialstructure,foldingstructure,telescopicstructure.Finally,Ithavemadeaforecastbasedonthenowoperationalamplifierapplication.KeyWords：OperationalAmplifier;Telescope-Feed;DifferenceStructure;Folding1引言1.1研究背景及意义近年来，电子产品的种类越来越多，特别是半导体集成电路产品，广泛涉及到军事，民用领域的各个方面。现在一些热门的如计算机、多媒体技术、数字信号处理、通信等行业，人们对其性能的要求也越来越高，这些要求包括高的处理速度、高的运算精度、低的功耗等几个主要方面。这对设计和生产也带来了很大的压力和动力，也是一个很迫切需要解决的问题。要解决这个问题，就要求我们在这类产品的内部的电路结构，以及器件材料以及工艺等多方面进行研究，是一个非常广泛的课题。但是如果对电路结构进行研究，首先就要考虑的就是运放大电路。因为运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分，而且也是构成这些系统的基本单元。例如在运算放大电路在模拟运算、信号处理、模数和数模转换器以及有源滤波器等等许多方面有广泛的应用。这些系统的性能在很大程度上都是受到内部运算放大器性能的影响，以至于成为这些性能突破的瓶颈。1.2国内外研究动态集成运放的不断发展，电路的性能也在不但提高，其应用领域也目益增大。而对于基本的放大电路，在低压、高增益以及低功耗等方面也有进一步的发展，特别是对于套筒式放大电路，国外开展了极其广泛的研究。从1981年至今已经有三百多篇这方面的文章陆续发表在IEEE上面，现在仍然是研究的热门课题。从这些的研究成果中，我们可以看到国际上运算放大电路设计的最新动态。KushGulatih和HaeSeungLee于2008年IEEE上发表的文章中摆幅在-2.45～+2.45之间，3.3v的供电电源具有90db的差动增益以及90MHz的增益带宽，共模抑制比(CMRR)也超过50db[1]。还有在2009年4月，ShyingXiong和MinShe共同发表的文章中运放的开环增益在80db以上，整个运放的动态范围在71db，单位增益带宽在500MHz以上(在低速为513MHz，中速为514MHz，高速为567MHZ)[2]。国内的工作相对而言要少一些，主要有复旦大学朱臻等人在2009年的复旦大学学报上发表一文中，设计了一个带宽为590MHz，开环增益为90dB，功耗为15mW，能够满足高速A/D转换器所有性能指标的运放[3]。以及西安大学黄立中等人发表的文章一文中介绍了他们设计的运放在1.5pf下单位增益频率为105MHz，开环增益为80dB，建立时间小于20ns的高性能运放[4]。这些都说明目前对基本的运算放大电路的要求越来越高，而且搞好基础研究，有利于电路设计的整体发展。2基本理论2.1MOS管概述2.1.1MOS管大信号模型先给出适合计算的简单大信号模型，然后再扩展此模型，包含电容、噪声源和欧姆电阻等等。（1）MOS管简单大信号模型NMOS管的工作偏置条件及输出曲线如图2.1和图2.2所示[6]：图2.1NMOS管的工作偏置图图2.2NMOS管的输出曲线一般据输出曲线可把NMOS管的工作状态分为五个工作状态区1）当0GSTHVV时，MOS管工作在截止区，此时NMOS管不能产生导电沟道，工作于开路状态，漏源极电流为0。2）当0GSTHDSVVV时，MOS管工作在饱和区，在此工作状态时，导电沟道被夹断，漏源电流几乎不变，为一常量，其V-I特性可用以下方程表示：22111122DSoxGSTHDSNGSTHDSNWICVVVKVVVL（2-1）3）当0DSGSTHVVV时，MOS管工作在非饱和区（线性区），其V-I特性可用以下方程表示：2212()1212()12DSoxGSTHDSDSDSNNGSTHDSDSDSWICVVVVVLKVVVVV（2-2）以上两式中：ooxNNoxK称为器件的跨导系数；其余参数含义如下：N：沟道表面电子迁移率；oxC：单位面积栅电容；o：真空介电常数；ox：栅氧化层厚度；W：晶体管栅极宽度；L：晶体管栅极长度；：沟道长度调制系数。以上两公式中项1DSV为器件沟道调制效应对器件工作状态的影响，一般情况下，值较小，几乎为零，所以沟道调制效应对器件的影响在手工分析它的电流时可不考虑。4）弱反型区当MOS管的栅源电压低于其阈值电压时，称管子工作在弱反型区，根据MOS体管弱反型区电特性的理论，其漏源电流为：exp()exp(-)-exp(-)GBSBDBDSDOtttVVVIImVVV（2-3）当器件工作在饱和区3~4DSthVV时，忽略exp(-)DBtVV项，所以exp()exp(-)GBSBDSDOttVVIImVV（2-4）式中β表示MOS管的宽长比WL，GBV、SBV、DBV分别表示栅极、源极、漏极对衬底的电位；tV为热电压，即KTq，常温下约为25mV；m为弱反型区下的斜率因子，是与衬底偏置调制系数有关的系数；DOI称为特征电流，表示MOS管的宽长比为1以及各电极对衬底电位为零时的漏极电流。DOI的表达式为：22DOoxthWImCVL（2-5）DOI的典型值在2nA到200nA。值得注意的是，由于漏极电流小于特征电流，弱反型下的有效栅源电压实际上是一个负值。这也表明，MOS管工作在弱反型下其栅源电压要低于强反型下，从而更加适合在低电压设计中的使用。弱反型下，MOS管的跨导可表示为：dmthIgnV（2-6）从上式中可以看到，弱反型下MOS管的跨导只依赖于漏极电流。如果在设计中为了达到较好的高频性能，要求MOS管有较大的跨导，则需增大管子的漏极电流。然而，漏极电流若增加过大的话，MOS管将脱离弱反型区而进入强反型区[5]。虽然同时增加管子的宽长比可以将管子限制在弱反型区，但这种方法并不总是有效