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摘 要

模拟电路主要的单位电路是运算放大器，它在各类模拟电路或数字和模拟混合电路中得到了非常普遍的利用。近几年来，随着便携式的电子产品运用的非常的广泛和由于 CMOS工艺的不断进步而导致的阈值电压的不竭下降，以是低压低功耗摹拟电路就愈来愈受到了青睐。但由于噪声的存在和偏移的局限性，使模拟集成电路不能直接使用设备的最小尺寸，因此，特征尺寸的降低效益很小。另外,因为电源电压的下降使得模拟电路单位在动态围与电路速率等方面的机能大大的下降了,使得电路设计变得加倍的杂化。低电压、低功耗的模拟电路嫣然已成为现今的热门模拟电路设计了。随着电源电压的降低，信号的动态范围的减小，运算放大器通常就需要实现轨对轨的输入和输出。

输入信号和输出信号的动态幅度的很大幅度的减小是电源电压降低运算放大器的最大的影响，轨至轨运算放大器就是随着低电压而产生的，要求共模输入电压范围和输出电压范围均能够从负电源电压到正电源电压。本课题的目的是设计一个轨至轨输入输出运算放大器，它用于供电电压要求比较低的场合。

关键词：轨至轨；运算放大器；低电压；补偿；恒定跨导

Abstraet

Circuit simulation is one of the most important unit is operational amplifier, it in a variety of analog circuit and digital and analog mixed circuit has been widely used. In recent years, with the continuous reduction of portable electronic products use very extensive and due to the continuous progress of CMOS process, the threshold voltage, so low voltage and low power analog circuit is more and more favored. But due to the existence of noise and offset the limitations, making simulation integrated circuit can not directly use the minimum size of the device, therefore, the feature size reduction benefit is very little of. In addition, due to supply voltage reduction makes analog circuit unit in the dynamic confining and circuit speed performance is greatly reduced, the circuit design is becoming more and more complicated.Analog circuit with low voltage and low power consumption has become a hot current analogcircuit design. With lower power supply voltage, the decrease of the dynamic range of the signal, an operational amplifier usually requires the rail to rail input and output.

Dynamic range of the input signal and the output signal of large magnitude decreasing supply voltage to reduce the largest impact on operational amplifier, rail to rail amplifier is with low voltage generated, common mode input voltage range and output voltage range requirements were able to from the negative power supply voltage to the positive supply voltage. The purpose of this paper is a rail to rail input and output operational amplifier is designed. It is used for relatively low supply voltage requirements of the occasion.

Key words: rail-to-rail; operational amplifier;low supply voltage;compensation

constant transconductance

目录

摘要 I

Abstraet II

第一章 引言 1

1.1课题背景及意义 1

1.2 设计的要求和安排 1

第二章 运算放大器 2

2-1 运算放大器 2

2.2 理想运算放大器 2

2.3 运算放大器的分类 2

第三章 轨至轨运算放大器的设计 4

3.1 运放总体框图 4

3.2 传统运放输入级 4

3.3轨至轨的输入级 5

3.4中间放大级 6

3.5 输入级恒定跨导控制电路 6

3.6 轨至轨输出级 7

3.7 基准电压源 8

3.8运放的频率补偿电路 8

3.8 实际设计 10

3.9轨至轨运放设计的主要难点 10

第四章 运算放大器的仿真 11

4.1 带隙基准电压源的仿真 11

4.2 运算放大器的仿真 12

4.2.1 失调运放电压的仿真 12

4.2.2 共模运放输入电压范围的仿真 12

4.2.3 运放输出电压摆幅的仿真 13

4.2.4 运放跨导的仿真 14

4.2.5 运放频率特性的仿真 15

4.2.6 运放的共模抑制比仿真 16

4.2.7 运放的电源抑制比仿真 18

4.2.8 运放的性能 19

第五章 结论 20

致 谢 21

参考文献 22

第一章 引言

1.1课题背景及意义

运算放大器的电路单元具有非常高的放大倍数。它具有高输入阻抗，低输出阻抗，高增益，强驱动能力，高速的通用的运放，在最初企图设计中同时具备的性能。运算放大器的设计是权衡参数，但是一般是不强调的，但由于不同的应用，使得工程师设计出了各种不同类型的运算放大器。大致可分为高电阻，高电压和高功率，高速度和高精度，低温漂型，低功耗和编程控制运算放大器。低电压的模拟电路不仅可以降低功耗，还可以进一步提高电路的稳定性，对于低压供电的需求，集成电路是非常巨大的。电源电压的下降对运算放大器的最大影响就是输入信号和输出信号的动态幅度大幅度的减小，因而由低电压而产生了轨至轨运算放大器，这要求共模输出电压范围和输入电压范围都能够从负电源电压到正电源电压。本课题的目的就是设计低压轨至轨输入输出运算放大器，使其用于供电电压要求比较低的场合中。

1.2 设计的要求和安排

此设计采用的是TSMC 0.35μm CMOS工艺，设计一种低压、低功耗、轨至轨输入/输出的CMOS运算放大器。在电源运算放大器的电压变化范围广，要求保持低静态电流恒定，在输入电压范围内变化，恒定跨导输入级的基本保证。运放的设计工作分为以下步骤：

1. 根据性能指标进行系统级设计，确定各个子电路的结构；
2. 根据电路电学性质设计各个器件的物理参数；
3. 在spectre环境下对电路的性能进行仿真验证；
4. 根据电路和工艺条件的不同，进行芯片的布局，和DRC和LVS测试；
5. 设计的最终目标如下表所示：

表1 运放预计性能指标

运算放大器

运算放大器（简称运放）是许多模拟系统和混合信号系统中的一个完整的部分。大量的具有不同复杂程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。模拟集成电路中最基本的电路单元是运算放大器，它广泛的应用于各种电子系统中。在最初企图设计中同时具备的性能具有高增益，高输入阻抗，低输出阻抗，强驱动能力，高速的通用型的“理想运放”。运放设计是各个参数的折衷，不强调其通用性，根据不同的应用场合，工程师们设计出各种类型的运算放大器，大致可分为低功耗型、高阻型、低温漂型、高速高精度型、高压大功率型和可编程控制型等运算放大器。

2.1 运算放大器电路布局

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