论文总字数：29688字

摘 要

运算放大器是模拟电路中最基本也是最重要的模块之一，它作为线性单元电路，广泛应用于系统芯片中，很大程度上决定了系统的速度和性能。而扩展和提高系统电路的性能，在低功耗的约束条件下实现则更有意义。因此，本文针对运算放大器中功耗与速度的矛盾，通过电路结构改进，实现低功耗约束下的高速运算放大器设计。

本文在经典跨导运算放大器的基础上，针对两种不同的实际应用场景，在大负载与小负载两种情况下，采用了两种不同的电路改进结构来实现高速低功耗运算放大器的设计。在大负载情况下，本论文引入了差模尾电流源结构来提升大信号响应速度；交叉耦合对结构来提升电路带宽和增益。在小负载情况下，本论文引入了FVF折叠跟随器结构来提高电路稳定的速度。

本设计采用TSMC 0.35μm工艺。使用Candence软件对改进后的运算放大器电路进行仿真验证。方案一在30μA静态电流、3.3V电源电压和40pF负载电容下，运算放大器开环增益为57.4dB，单位增益带宽3.795MHz，正摆率为17.7V/μs，负摆率为23V/μs，相位裕度为61°。方案二在30μA静态电流、5V电源电压和1pF负载电容下，运算放大器开环增益为74.1dB，单位增益带宽16.86MHz，正摆率为62.3V/μs，负摆率为42.1V/μs，相位裕度为76°。

关键词：跨导运算放大器，高速，低功耗，交叉耦合对

Abstract

Operational amplifier is one of the most basic and important modules in analog circuits. As a basic unit of linear circuits, it is widely used in system chips. Meanwhile, operational amplifiers determine the speed and performance of the system. It is more meaningful to improve the performance of the circuit and implement it under the constraint of low power consumption. Therefore, this study aims to keep balance between them. Several structures are introduced in order to achieve high-speed and low power consumption simultaneously.

Based on the classic operational transconductance amplifier, two different schemes were implemented to meet different requirements. Under the condition of heavy load, dynamic tail current and cross pair were employed. Under the condition of light load, flipped voltage follower structure was applied.

Based on TSMC 0.35μm CMOS process. The desigened OTA has been simulated and verified by Cadence Spectre. In the first scheme, the results showed that, under the 30μA static current, 3.3 V power supply voltage and 40pF load capacitance conditions, the desigened OTA’s gain is 58dB, gain bandwidth is 2.5MHz, positive and negative slew rate is 20.0V/μs and 24.1V/μs, phase margin is 60 degree. In the second scheme, the results showed that, under the 30μA static current, 5 V power supply voltage and 1pF load capacitance conditions, the desigened OTA’s gain is 74.1dB, gain bandwidth is 16.86MHz, positive and negative slew rate is 62.3V/μs and 42.1V/μs, phase margin is 76 degree.

KEY WORDS: Operational Transconductance Amplifier, high speed, low power consumption, Cross-pair

目录

摘要 III

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 运算放大器的研究背景与意义 1

1.2 运算放大器的国内外研究现状与发展趋势 1

1.3 运算放大器的研究内容与技术指标 3

1.3.1 运算放大器的研究内容 4

1.3.2 运算放大器的主要技术指标 4

1.4 论文组织结构 4

第二章 运算放大器的设计需求与基本工作原理介绍 6

2.1 运算放大器的设计需求 6

2.1.1 大负载驱动下运算放大器的设计需求 6

2.1.2 小负载驱动下运算放大器的设计需求 7

2.2 运算放大器基本工作原理 8

2.2.1 经典五管差分对电路的原理 8

2.2.2 二级运算放大器电路的原理 9

2.2.3 经典跨导运算放大器电路的工作原理 11

2.3 放大器速度与功耗分析 12

2.4 本章小结 12

第三章 高速低功耗运算放大器的设计 13

3.1 大负载驱动的运算放大器设计 13

3.1.1 大负载运算放大器电路结构设计 13

3.1.2 大负载运算放大器电路的参数计算 15

3.1.3 大负载驱动的运算放大器偏置电路 16

3.2 小负载驱动的运算放大器设计 17

3.2.1 小负载运算放大器电路结构设计 17

3.2.2 小负载运算放大器电路的参数计算 21

3.2.3 小负载驱动的运算放大器偏置电路 22

3.3 本章小结 23

第四章 高速低功耗运放的仿真验证与分析 24

4.1 改进运算放大器的仿真环境设置 24

4.2 大负载驱动的运算放大器仿真与分析 25

4.3 小负载驱动的运算放大器仿真与分析 26

4.4 本章小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1 总结 28

5.2 展望 28

致谢 30

参考文献 31

绪论

运算放大器的研究背景与意义

如今，随着芯片制造技术的不断进步与发展，芯片的集成度不断提高。同时，越来越多的便携式电子产品的出现与人们日益增长的应用需求要求芯片在功耗与速度方面不断提升。系统芯片的速度与功耗成为芯片设计中较为重要的两个指标^[1]。这两个因素直接影响着芯片实际工作的性能及芯片的可靠性。所以，在芯片设计过程中，提高芯片的速度、降低芯片的功耗已经成为当前最突出的问题。

而运算放大器作为系统芯片中通用的模块之一，可以将信号在不失真的情况下放大，在广播，通信，自动控制等系统的电子设备中，它是必不可少的组成部分。运算放大器的功耗与速度在很大程度上决定了系统芯片的性能和速度。随着芯片场景应用的不断广泛与应用要求的不断提升，作为芯片中通用的基础模块之一，运算放大器长期受到广泛的关注与研究，针对不同场景实际要求而产生的电路改进结构也不断涌现。

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