开题报告(1)(DOC)

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：孙嘉伟学 号：学 院：仪器与电子学院专 业：微电子科学与工程设计(论文)题低噪声高增益CMOS运算放大器的设目：计与仿真指引教师:朱平 年 11 月 15 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题状况，根据所查阅的文献资料，撰写字左右的文献综述：文 献 综 述一研究背景及意义在晶体三极管时代，对于AB类运算放大器性能的研究重要集中在减少功耗、减少电源电压和减小幅员尺寸等方面，噪声同样是影响运算放大器性能的有关指标1。随着MOS晶体管的诞生及CMOS工艺的发展，CMOS工艺越来越规定低功耗、低电源和高集成度，然而随着MOS晶体管尺寸的减小信号，幅度的减少，芯片的发热量对电路的影响变得很大，MOS晶体管会给电路带来很大的噪声，器件中的闪烁噪声随着栅极长度的减小会巨幅增长是最为严重的2。因此，在诸多应用领域减少噪声成为衡量运放性能的重要指标之一。例如，CMOS前端无线收发器，在光电探测领域和光纤通讯领域中，光敏探测器的输出信号也许只有几十毫伏甚至低至几毫伏，在通信工程中，由于决定信一噪比高下的重要因素是前端低噪声放大器，因此减少电路的低频噪声显得尤为重要3。在这些环境中的集成电路必须具有非常低的噪声才干使输出信号变得稳定，因此对解决小信号的运算放大器提出了很高的噪声规定。事实上这些小信号运放的内部运算放大器性能很大限度上受到内部噪声的影响，甚至成为其性能突破的核心要素。 近年来, 随着个人通讯和数据解决的迅速发展，特别是笔记本电脑、移动通信等便携式设备的普及和普遍使用电池供电，低功耗成为电子产品，特别是便携式电子产品的重要竞争指标。AB类运算放大器是许多模拟及数模混合SOC系统的一种基本电路单元，低功耗、高性能的AB类运算放大器已成为提高系统性能的核心部件。 与此同步，随着工艺尺寸和电源电压的不断减少，一般运算放大器大概能实现50-60dB的直流增益。而某些高精度A/D规定放大器的直流增益100dB，两级放大器虽然能实现较高的增益，但其功耗太大，并且速度也很难满足规定。这样增益增强技术应运而生。 由此随着集成技术的发展，对AB类运算放大器的性能提出高增益、高速度、低功耗、宽频带、高效率、宽摆幅、低噪声等高规定。要解决这些问题，就规定在此类产品的内部电路构造、器件、材料以及工艺等多方面进行研究，这是一种非常广泛的课题。在电路构造研究方面，AB类运算放大器作为模拟IC中一种最重要的基本电路单元是一方面必须考虑的。它是构成开关电容滤波器、信号放大器和输入/输出缓冲器等模拟电路的模块，在模拟运算、信号解决、模数和数模转换器等许多方面有着广泛的应用4。从市场需求来看，根据不同的应用重要分为通用型、低电压/低耗型、高速型、高精度四大类产品。一般而言，通用运算放大器的应用最广，几乎任何需要添加简朴设备、视频系统以及测试、测量仪表等产品中都离不开运放：低压/低功耗运放重要面向手机等以电池供电的便携式电子产品：高精度运放重要针对测试测量仪表、汽车电子以及工业控制系统等。这些系统的性能很大限度上都受到内部的运算放大器性能的影响。 因此，必须研究AB类运算放大器的基本构造，对内部构造进行分析，对电路的性能研究分析，设计出性能更优越的AB类运算放大电路，对提高系统的各方面性能具有重要意义。 本设计就是在此背景下对高增益、低噪声、低功耗运放展开研究。设计研究的目的在于如何在设计AB类运算放大器的过程中增长增益、减少其自身的噪声、减少自身功耗。二MOS器件的构造和基本特性在现代的IC工业中，必须充足地掌握半导体器件的知识。而这一点对于模拟电路的设计比对数字电路更为重要，由于在模拟电路设计中，我们不能把晶体管等效为一种简朴的开关，晶体管的许多二级效应直接影响其性能。并且，由于IC技术的未带更新都使器件尺寸按比例缩小，因此这些效应就变得更加重要了。由于设计者往往必须拟定哪种效应在给定的电路中可以忽视，因此，进一步理解器件的工作状况被证明是非常有价值的14。1. MOS管的构造和I-V特性如图2.1所示为典型的N沟增强型MOS管的剖面图。图2.1 NMOS管剖面图 MOS管的输出特性是指在栅源电压 一定的状况下，漏极电流 与漏源电压之间的关系，即如图2.2所示为NMOS管的输出特性。由于是预夹断的临界条件，据此可在输出特性上画出预夹断轨迹，如图2.2中左边的虚线所示。图2.2 MOS管输出特性如不考虑二级效应，NMOS管导通时的饱和方程是： (2-1)根据图2.2所示曲线，可把NMOS管的工作状态分为如下四个区域：(1)截止区当VGSVTH 时，导电沟道尚未形成，ID=0，为截止工作状态。(2)线性区(可变电阻区)在线性区内 VDSVGS-VTH (2-2)其V-I特性可近似表达为 (2-3)而当时称MOS管置于深度线性区，上式可近似体现为： VDS2（VGS-VTH ） (2-4)表达较小时，是的线性函数，即MOS管此时可等效为一种电阻，阻值变为： (2-5)(3)饱和区当，且时，MOS管进入饱和区。 由于在饱和区内，可近似当作不随变化。因此，可将预夹断条件代入，即可得饱和区I-V特性体现式为： VDSVGS-VTH (2-6)式中，它是时的。当MOS管工作在饱和区时，其电流受到栅源过驱动电压控制，由此定义一种性能系数来表达电压转换电流的能力，这个性能系数为漏电流的变化量除以栅源电压的变化量，即“跨导”，并用表达，体现式为： (2-7)跨导的这些体现式在研究随某一参数变化时是有用的。如果保持W/L恒定，则随着过驱动电压的增长而增长；如果不变的话，随着过驱动电压的增大而减小。(4)亚阈值区（弱反型区）此时，其中为MOS管的温度电压当量。当(为MOS管的击穿电压)时，被称作击穿区。三国内外研究现状 运算放大器一般是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，一般结合反馈网络共同构成某种功能模块。运放是一种从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以集成在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以集成电路的形式存在。一般所说的运放就是集成运放5。 运算放大器浮现于20世纪60年代。最初运算放大器重要应用于模拟计算机中，用来执行数学运算，求解微分方程和积分方程。然而，随着半导体工艺技术和集成电路设计技术的不断发展，运放的构造不断改善，功能和性能得到极大拓展和提高，应用领域极为拓宽6。目前，运放已经成为模拟与数模混合信号系统中的重要构成部分和最基本的电路模块，被广泛应用于多种电子信息系统中完毕不同的功能。 运算放大器一般采用集成电路（IC）工艺由芯片代工厂（IC Foundry）制造。一般的运放由四个构成部分构成：差分输入级、中间增益级、输出缓冲级和偏置电路以及补偿电路7。输入级一般采用差分放大器，理论与实践表白，差分放大器在具有较高增益的同步具有良好的噪声性能，对共模干扰具有很强的克制能力：中间电压放大级在多数状况下是用于获得尽量大的电压增益(或电流增益)以及输出摆幅，共射(BJT工艺)和共源（CMOS工艺)放大器是一般采用的构造8。输出级用于实现与后续电路的匹配缓冲，重要是解决阻抗匹配问题和进行合适功率驱动。偏置电路为各级放大电路提供直流电压或电流，使BJT工作在在线形放大区，使MOSFET工作在饱和区：补偿电路保证运算放大器闭环应用时系统的稳定性9。 从1960年起，单片电路技术的发展，将运算放大器的成本减少了大概两个数量级，最初于1966年浮现的741电路，变化了许多线性电路设计者对于集成电路的爱好，因此，这一阶段可以说是集成运算放大器发展史上重大转折点，从那后来，美国几乎所有的集成电路制造厂家都生产这种电路。最初生产的集成运放它的交流特性很差，仅限于直流放大应用，如今它已发展为第四代产品10。 第一代集成运放的特点是大部分采用NPN管，只有少量PNP管，只能满足较低规定，如1964年问世的A702，集成运放的电压放大倍数只有-4000。第二代集成运放以采用有源负载为标志，如1966年问世的A741。第三代集成运放以超声晶体管作为差分输入级的特点，超管的值高达1000-5000，因此在相似的集电极电流IC状况下，输入偏置电流比一般PNP管低一种数量级以上，输入电阻高，电压放大倍数可达到10，如1972年问世的AD50811。第四代集成运放采用了中大规模集成技术，其质量性能指标己接近抱负集成运放。每年均有诸多新型的、功能越来越高的运放进入应用领域。最新一代运放其带宽从5千赫到数千兆赫，供电电源电压从零点几伏到几百伏，输入失调电压和失调电流亦越来越小12,13。由于性能上的提高，使用起来也越来越以便，运放已经成为任何工程师随手应用的电子单元电路。参照文献1 LIZ,MAJ YUM,et al. Low noise operational amplif er design with current driving bulkin 0.25m CMOS technology C.6th International Conf. China Beijing,:630-634.2 朱正涌.半导体集成电路M.北京:清华大学出版社,.3 BRONSKOWSKI C and SCHROEDER D. An ultra low-noise CMOSoperational amplifier with programmable noise-power trade-offC.32ndEuropean Solid-State Circuits Conference,Cairo Egypt.:368-371.4 Zhiyuan Li,Jiangguo Ma, Mingyan Yu,Yizheng Ye.Low Noise Operational Amplifier Design with Current Driving Bulk in 0.25um CMOSTechnologyJ.IEEE Journal of Solid-State Circuits, ,6(38):958-965.5 成立.模拟电子技术M.南京:东南大学出版社，.6 董在望,李冬梅,王志华,等.高等模拟集成电路M.北京:清华大学出版,.7 NAM I and LEE K. High-performance RF mixer and operational amplifierBiCMOS circuits using parasitic vertical bipolar transistor in CMOS technology J.Journal of Solid-State Circuits ,2(40):392-402.8 GODET S,TOUMIER E LIOPIS,et al. Baseband Ultra-Low Noise Site:C BiCMOS 0.25um Amplifier and Its Application for an On-Chip Phase-Noise Measurement Circuit J.IEEE Journal of Solid-State Circuits,9(1):781-795.9 Cherry E. M. Common-base-Input Operational Amplifiers C.32nd European Solid-State Device Research Conf. Cairo,Egypt, 6(15):757-760.10 毕查德拉扎维著。陈贵灿，程君，张瑞智，等译.模拟CMOS集成电路设计M.西安:西安交通大学出版社，: 5-62.11 伍民顺.低电压低功耗FTFN及其在模拟集成电路设计中的应用研究D.长沙:湖南大学,.12 Phillip E Allen, Douglas R Holberg著.冯军，李智群译.CMOS模拟集成电路设计M.北京:电子工业出版社,.13 Kiat-Seng Yeo, Samir S Rofail, Wang-Ling Goh著.周元兴,张志龙译.低压低功耗CMOSBiCMOS超大规模集成电路M,北京:电子工业出版社,:3-10.14 Tommy K, Mourad. Current status of CMOS low voltage and low power wiredess IC designs J.Analog Integrated Circuits and Signal Processing,36(3):186-212.15 Duque C J F,Carillo J M. Input/output Rail-to-Rail CMOS Amplifier with Shaped Common-mode Response J.Analog Circuits and Signal Processing, ，34(3):221-232. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一本课题要研究或解决的问题 理解运算放大器的构造和工作原理，设计出低噪声高增益CMOS运算放大器的电路构造，采用Tanner EDA工具中的L-Edit进行电路图的设计，并用Cadence进行仿真。二拟采用的研究手段（途径）1.设计方案思路 （1）掌握运算放大器的基本知识； （2）纯熟使用Tanner EDA工具； （3）设计出低噪声高增益的CMOS运算放大器大的电路构造； （4）完毕电路原理图设计与功能仿真； （5）查阅有关资料，特别是有关的外文第一手资料，理解本课题在国内外的研究现状及发展方向，积极积极顺利完毕毕业设计。2. 设计的基本原理 2.1应用L-Edit软件进行低噪声高增益CMOS运算放大器电路图的绘制。 2.2用Cadence进行仿真。研究,对其重要参数进行优化设计。 3.设计阶段也许遇到的问题 (1)在学习运算放大器的原理时，也许有些地方难以理解。 (2)在学习L-Edit软件的过程中也也许浮现自己解决不了的问题。 (3)在Cadence仿真的过程中，各个模块的使用也许不太纯熟。 (4)有也许出不了仿真波形，还得重新调试。 (5)对运算放大器的重要参数的优化设计。 (6)得出的仿真波形与实际值有所偏差，进行必要的分析。 毕 业 设 计 开 题 报 告指引教师意见：孙嘉伟同窗查阅了大量文献资料，对本次毕业设计所波及到的有关器件及技术做了比较具体的研究，特别是对CMOS运算放大器的原理进行了认真细致的学习，同步对毕业设计的原理及应用背景有了一定的理解。并在这个基本上根据设计任务规定，针对整个研究过程提出了比较合理地方案。此外设计方案工作量、难度适中，开题报告撰写规范、层次清晰，符合开题报告规定，批准开题。 指引教师： 年 月 日