全差分套筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路的研究.pdf
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1、论文题目:全差分套筒式共源共栅放大器设计及其共模反馈电路的研究摘要随着便携式消费电子产品及各式各样智能设备的普及,如手机、智能手环、平板 等。性能卓越的运算放大器是这些产品必不可少的组成部分。精确度高即为直流增 益大(偏置处于微小的电流下,器件的尺寸长),速度高即为高单位增益带宽及单 极点特性(偏置在大电流下,器件的尺寸短)。因此需要在参数中权衡、择优选取。一般来说,只有一级的运算放大器,如套筒式运算放大器,频率响应快,增益低;两级运放增益高,单位增益带宽不隹。在综合考虑以上因素后,设计一种全差分套 筒式共源共栅放大器及其共模反馈电路的结构。在保证增益情况的优良情况下,使 运放的频率响应具有单
2、极点特性以此优化单位增益带宽。本文最初先简明扼要的阐述了 MOS器件的基本工作原理,随后详尽分析、讲解了 几种常见的运算放大电路结构,如基本的差动输入-差动输出结构、折叠式结构及套 筒式结构,同时对其共模负反馈电路进行研究。将纷繁复杂的整体电路结构拆先分 解为单一的电路模块,一步步进行设计、仿真、验证分析,再选择恰当的部分进行 级联。经过电路仿真验证,放大器增益为64.46dB大于60dB,单位增益带宽为126.4MHz 大于100MHz,连续型共模负反馈电路直流增益下降3.07dB小于5dB,离散型时钟频 率为9.3MHz大于5MHz,从而完成所有电路设计参数指标,该电路设计可以正常工作。关
3、键词:套筒式;全差分;共源共栅;共模反馈AbstractAs portable consumer electronic products and a variety of the popularity of smart devices,such as mobile phone,smart hand ring,tablet,etc.The excellent performance of operational amplifier is the indispensable part of the product.High precision is the de gain large(bias i
4、n the tiny electrical flow,the size of the device),high speed is the unit gain bandwidth and unipolar point features(the offset in the big power flow,the size of the short).So it is necessary to weigh in the parameter selection and merit.In general speaking,only the level of operational amplifiers,s
5、uch as sleeve operational amplifiers,frequency response is fast,low gain;Two stage operational amplifier gain high,unit gain bandwidth.After considering the above factors,to design a fully-differential sharing sleeve source gate amplifier and the structure of common mode feedback circuit.In guarante
6、e gain excellent cases,the frequency response of the op-amp single pole characteristics in order to optimize unit gain bandwidth.This article first brief first expounds the basic working principle of MOS devices,then detailed analysis and interpretation of several common operational amplifier circui
7、t structure,such as basic differential input and differential output structure,folding structure and sleeve structure,at the same time to research the common-mode feedback circuit.Dismantle the whole circuit structure complicated,first broken down into a single circuit module,the design,simulation a
8、nd verification analysis step by step,and then choose the right part of the cascade.Through the circuit simulation,amplifier gain of 64.46 dB greater than 60 dB,unit gain bandwidth of 126.4 MHz is more than 100 MHz,continuous common-mode feedback circuit de gain fell 3.07 dB less than 5 dB,discrete
9、clock frequency of 9.3 MHz is more than 5 MHz,thus completing all circuit design parameters,the circuit design can work normally.Keywords:Telescopic、Full differential Cascode、CMFBin目录摘要.IAbstract.Ill第1章引言.1第2章MOS器件与运算放大器简介.62.1 MOS器件的工作原理及参数.62.1.1 MOSFET 的结构.62.1.2 MOSFET的输出特性.82.1.3 4种类型 MOSFET的特性
10、曲线小结.102.2 运算放大器的性能参数指标.112.3典型运放对比.142.4 本章小结.16第3章 运算放大器的设计.173.1 运算放大器的基本结构.173.2 两级运算放大器的设计方法.183.3 全差动运算放大器.213.4 套筒式共源共栅运算放大器结构.263.5 折叠式共源共栅运放算放大器结构.333.6 共模负反馈电路.363.6.1 连续型共模负反馈电路.363.6.2 离散型共模负反馈电路.39第4章 运算放大器的仿真.414.1 电路设计的目标.414.1.1 任务书指标.414.1.2 选取的电路结构.424.2 具体的设计.434.2.1 确定偏置电压.434.2.
11、2 晶体管的设计.434.2.3 共模反馈结构.444.2.4 偏置电路.454.3 电路性能仿真.464.3.1 电路的总体结构.464.3.2 仿真结果.47第5章总结.错误!未定义书签。致 谢.错误!未定义书签。参考文献.51附 录.错误!未定义书签。第1章引言运放(OP),全称为集成 运算放大器(operational Amplifier 一 op Amps)是线性电子电路结构中最为普遍、最常见的一种电路模块。在模拟电路、信号 处理、模数及数模转换器等许多方面都得以运用,因而有万能集成电路的美誉。1.1 运算放大器研究背景自1958年德州仪器公司第一块集成电路芯片问世以来,这项划时代的
12、创举 彻底改变了电子世界的格局,截止到目前为止,电子科学与技术的发展势不可 挡,犹如井喷式的增长。I960年晶体管的最小器件尺寸还处于25刖的阶段,然而令人称奇的是2008年晶体管的最小器件尺寸竟然来到了 45nm工艺阶段,1975年半导体巨头Intel公司的创始人戈登摩尔(Gordon Moore)曾经预言(摩尔定律),晶体管的器件尺寸每过36个月会减小一半,每个芯片上能够 集成堆放的晶体管数量大约每一年半增长一倍。回顾过去30余年电子世界的 发展历程,我们不难发现冥冥之中似有大意,与摩尔定律有着惊人的吻合性,与此同时这种规律性还依然有效,将继续指引半导体集成电路的走向。如今由于集成电路工艺
13、制造技术的不断迅猛发展,晶体管的器件尺寸有规律 性地不断缩小,在同一块芯片上所能容纳的晶体管数量无止尽的增长,很难想 象,成百上千个晶体管甚至上亿个管子可以如此精细地容纳在方寸之间,改变 世界,所能够实现的功能给更是令人叹为观止,超乎人们的想象。现在,集成 电路的重要性不言而喻,已如炼金、石油一般成为国家必不可成少的“血肉”、“躯干”、成为衡量国家工业水平的一项重要指标,一个国家微电子技术的完 备程度已经成为当代社会的重中之重,电子产业的滞后与忽视会使国家的工业 化进程停滞不前,远远落后于同等国家。自1950年后开始,信息和电子技术领域悄无声息地开创了人类历史上的“第 三次工业革命”:1、个人
14、计算机(P C)、万维网等为典范的信息技术;2、以手机、P DA(personal digital assistant)和全球卫星定位系统(global position system,GP S)为代表的现在移动通信技术;3、以电子数码相机、摄影摄像机 和多功能音乐播放器为典型的便于个人携带式样的消费类电子技术产品;4、以P AD、家庭影音为突出典范的数字家电多媒体技术;5、其他工业和国防领 1域的电子技术。集成电路作为电子产品必不可少的组成部分,集成电路的发展 高度决定了人类世界现代文明的进程,加快新型技术及新型产业的发展和形 成,与此同时新技术、新产业也迫切需要集成电路设计、制造工艺技术等
15、多面 的突破性研究及进展。然而由于半导体制造工艺技术的不断精细化、微小化化发展,集成电路从最 开始的的数字或模拟专用集成电路(application specific integratedcircuit,ASIC)的特定区域、专项划分演变到目前的系统芯片(system on chip,SOC)以及混合信号系统芯片(mixed-signal SOC),单个芯片的作川越 来越完善,可以等价于以往多种芯片、电路的组合效应,从某种程度上来说大 大节约了时间成本和空间成本,也让人们有更多想象及发挥电路设计的空间,于方寸之间,改变世界。1.2 本文的研究意义1970年前后,集成电路由LSI发展到VLSI阶
16、段,当时在国际上一个讨论的 热点是:“把什么内容,如何把这些放到这么一块小小的芯片上去?”即今后 芯片上应集成哪些电路和这么设计集成有如此多电路的芯片?第二件:上世纪 80年代初,中国电子学会半导体分会(当时叫半导体专业委员会)下成立了 集成电路设计专业组(是我国第一个集成电路方面的学术组织),成立大会暨 第一次学术会议在青岛召开,中国电子学会理事长孙俊人出席会议并讲话,王 守武院士参加了会议,李志坚院士在会上作了一个有关集成存储器的报告,参 加会议和作报告的有许多国内工作在第一线的资深专家学者。迄今,这两件事已经过去近30年了,微电子技术发展到了纳米ULSI阶段,集成电路产品也早已走出了 o
17、utoftheshelf的阶段,即数字电路只有若干标准 逻辑门系列、存储器、初级的CP U等,模拟电路只有运放、VCO和滤波器等 少数标准产品的阶段,先后经过ASIC、SOC,现金已进入了多核CP U、含射 频、模拟与混合信号处理和各种嵌入式模块的SOC时代了。这不仅表明 集成电路技术在学术上的造诣已然得到广泛而深刻地提升,电路设计技术和设 计工具的进步已非当巳可比,更反映出微电子技术的强大内在潜力和时代对 IC设计企业已达到一百几十家,由此估计从业人员应该以万计算了,技术上 我们已能独立设计出诸如3G手机核心芯片、嵌入式和高性能的CP U以及高 2档的保密芯片等产品,这表明我国的集成一体化电
18、路设计产业以及相关技术人 才的培养、储备也得到了长远的发展及提升。微电子和集成电路是现代信息技术发展的基石,集成电路产业影响到国民生 活的幸福指数,如果过分依赖进口、引进国外的先进电子技术和产业,首先不 利于本国电子产业的发展及人才培养,其次授人与鱼,不如授之以渔,无法依 靠进口完全填补、解决电子产业的巨大缺口,设备的维护及操作都需要对应的 技术人才去把关、掌控和实现。不要花过多的冤枉钱去计较一时的利益得失,不要过份追求迅猛、飞速的畸形发展,历史经验教训表明,我们已在工业现代 化进程的许多方面上犯下这种急功近利的错误,一味追求赶超国外先进技术,寻找捷径的做法万万不可取。我们也将更多的精力投入到
19、基础技术的攻克、研 发环节,我知道这样的过程是艰辛并痛苦的,攻书莫为难,不能因为前方的道 路坎坷而击垮了我们科学从业者的信心及勇气,怕什么真理无穷,进一寸,自 由进一寸的欢喜。我坚信,只要我们坚持正确、科学的道路,致力于我国电子 产业的长足发展,我们终将迎来硕果累累的那一大。作为现代主要高科技之一,集成电路技术方面的国际竞争十分激烈:谁的产品功能强、质量优、推出早、成本低,谁就占领主要市场,为胜者;谁落后一步,往往会被无情淘汰。夸大 一些说,这一竞争往往是“只有第一,没有第二”。微电子和集成电路技术要 求的基础知识十分广播,又与众多的高新技术相互交叉。集成电路产品可谓巳 新月异,技术上的突破会
20、使旧有的产品瞬间或得贬值,新一代产品的推陈出新 意味着旧一带产品的淘汰,产品的研发到问世投产的时间周期越来越急促,快 到让人新买的电子产品还没川过瘾就得准备好腰包去添置新一代产品。从业人 员务必要有极高的专业素养以适应市场不断推陈出新的产能需求。现代社会的科技水平较量,你追我赶,互相比肩,包括微电子与集成电路 技术的竞争,归根到底是人才的竞争。得人才者得天下,集人心者集大成,希 望在人才。培育人才最重要的工作在于教育,只要人类社会存在,教育就是永 恒的主题;只有人的生命存在,学习就是不竭的任务。集成电路不是以终端产品的形式与顾客之间直接接触的理念,因为系统应用 是使集成电路产生巨大增值的关键环
21、节,而设计是微电子技术和集成电路产业 链中最接近应用、也就是最接近市场的领域,具有巨大的创新与市场空间。纵 观半百年来集成电路的发展史是人们的诉求指导,迫切期待引领着业界人员对 3科学发现的积极探索,将会打开历史的新篇章,完全崭新的一页。需求牵引往 往由市场和系统成川提出,而设计首先就需要面对这种新的需求。一个好的算 法、标准和设计往往可以引领市场的发展,为微电子和集成电路开拓一个崭新 的领域。41.3 本文的安排和作者的工作概要第一章,简要介绍了集成电路的发展历史,分析了我国目前的现状及潜在问题,并对新时期的未来提出憧憬与展望。第二章节介绍MOS原理与运算放大器的简要介 绍,主要介绍MOSF
22、ET的具体结构、工作原理、运放的基本结构。第三章主要介绍 几种运算放大器,全差动运算放大器、套筒式运算放大器、折叠式运算放大器,并 对他们之间的异同进行探索研究。第四章主要叙述电路设计的主体结构,并对实验 结果进行了分析和主观评估。作者的主要工作就是了解、掌握全差分套筒式共源共栅放大器及其共模负反 馈电路的原理以及应川类型;掌握全差分套筒式共源共栅放大器和共模负反馈 电路主要指标;了解、掌握全差分套筒式共源共栅放大器基本设计流程、设计 方法和测试方法;基于连续时间共模负反馈以及开关电容共模负反馈两种类 型,分别设计共模负反馈电路,完成仿真验证。5第2章MOS器件与运算放大器简介由于本篇文章采S
23、MIC 0.18刖的CMOS工艺标准设计运放,此章节简要 介绍MOSFET的结构及其原理,便于更好的理解随后进行的电路设计。与此 同时对运算放大器的性能参数、结构原理、电路搭配等进行说明,为更深入地 分析电路打下理论基础。2.1 MOS器件的工作原理及参数 2.1.1 MOSFET 的结构绝缘栅场效应晶体管从其器件的层叠材质上看又可被定义为“金属-氧化物-半导体 场效应晶体管简称为MOSFET,然而如今这种类型的器件栅电极在实际工艺操作过程中也会采用除金属之外的其他材料,绝缘栅也可能不是氧化物,然而人们依栅极G 氧化袂如r田;寸土的加注殊夕 为 K/rnQPPT6nPii漏极D衬底Body:衬
24、底(p型掺杂)Gate:栅极(多晶硅:polysilicon)Source:源极(n型掺杂)Drain:漏极(n型掺杂)Channel:沟道W:沟道宽度L:沟道长度(4in工艺特征参数)7图2.2 N沟道MOSFET的剖面图2.1.2 MOSFET的输出特性%s吟且恒定时的s七曲线。可分为以下4段击穿区DT/C饱和区图2.3输出特性曲线8S G D耗尽区 p衬底沟道DS很小图2.4剖面结构图 线性工作区域(linearregion)在s很小的情况下,沟道如同一个阻值与%s无关的固定电阻,与%s为线性 相关,如线段OA所示。过渡工作区域不断提高右的电压值,漏周围的沟道变薄,沟道电阻增大,曲线逐渐
25、下弯。直到 增大到以).(漏源电压饱和值)时,漏端处的可移动电子消失,这种现象为沟道被 夹断,如图中AB段所示。线性区与过渡区统称为非饱和区,有时也统称为线性区。饱和工作区域(saturationregion)当右。以九,后,沟道夹断点向左边移动,漏端附近只剩下耗尽区。这时基本 上与 勿无关而保持常数l,曲线为水平直线,如图中BC段所示。实际上随s的改变而改变,曲线有向上弯曲的趋势。击穿区(cutoff region)当七S继续增大到4七s时,漏结将承受不住电压值,发生雪崩击穿,另一种情况 是漏源间完全打穿形成贯通,急剧增大,如图中CD段所示。以s作为参变量,可得到不同下的七曲线族92.1.3
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- 全差分 套筒 式共源共栅 放大器 及其 反馈 电路 研究
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