低电压、恒定增益、Rail-to-RailCMOS运算放大器设计
摘要：本文设计了一种低电压、恒定增益、Rail-to-Rail的CMOS运算放大器,整个电路采用标准的0.6um CMOS工艺参数进行设计,并经过HSPICE工具仿真,在3V的单电源工作电压情况下,静态功耗约为9.1mW,当电路同时驱动20pF电容和500Ω电阻的负载时,电路的直流增益达到62dB,单位增益带宽达到18MHz,相位裕度为50o。
关键词：模拟集成电路;CMOS;运算放大器
引言
随着信息技术和微电子制作工艺技术的高速发展,器件的特征尺寸越来越小,由此构成的集成电路的电源电压也越来越低。1997年,半导体工业协会曾对未来十年CMOS电路的电源电压发展趋势作了预测,如图1所示。预计未来十年集成电路的电源电压将降至1.5V,甚至更低。
形成这种发展趋势的原因很多。其中主要有以下三方面原因：1、随着集成制作工艺的发展,器件的特征尺寸将逐渐减小,相同工作电压下小尺寸器件所承受的电场将逐渐增高,器件工作的安全性要求迫使工作电压必须相应降低,而电路集成规模或集成密度逐步增大的事实,导致大功耗、大发热量的芯片出现,同样要求采用降低电源电压来降低功耗。2、便携式电子装置的迅速发展及其呈现出的广阔市场,可植入人体的微功耗医疗电子部件的广泛应用等市场需求是对低电压电路的有力牵引。3、全球兴起的绿色环保——低能耗要求亦是发展低电压电路的重要动力。
虽然数字化处理技术已经广泛应用于电子设备中,然而电子设备的原始信号均来自现实世界,如电磁记录、扬声器、麦克风、CCD、LCD、无线调制器和解调器等,它们所产生的信号都为模拟信号,这些信号实现数字处理前必然要先经过模拟信号处理（比如放大、A/D转换等）,同时数字化处理后的信号作用于现实世界时仍需还原为模拟信号（比如D/A转换、功率放大等）。因而即使在数字技术十分成熟的今天,模拟信号处理技术仍是无法回避,不能忽视的。而从集成技术的角度来看,单片数字系统集成制作的困难已成为过去,集成能力的进一步提高,提出了完整的电子系统集成,即包含数、模混合信号处理的片上系统（SoC）的要求。CMOS已是当今高密度集成的主流工艺,因此,低电压CMOS模拟电路的设计研究已成为完整意义上的SoC的关键技术。
运算放大器是模拟集成电路中的一个重要模块,随着电源电压的降低,传统的运算放大器结构已经不能满足设计指标的要求,近十年来,各种新结构的低电压运算放大器已经大量涌现出来。
