CMOS运算放大器的研究与发展趋势论文.doc
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湖南人文科技毕业论文（设计）
目录
摘要 1
关键词 1
Abstract 1
keywords 1
1引言 2
1.1研究背景及意义 2
1.2国内外研究动态 2
2基本理论 3
2.1MOS管概述 3
2.1.1MOS管大信号模型 3
2.1.2MOS管的交流小信号模型 8
2.2运算放大器的主要性能指标 9
3运算放大器的研究 12
3.1差分式运算放大电路 12
3.2折叠式运算放大电路 13
3.3套筒式运算放大电路 15
4运算放大器的发展趋势 17
4.1通信和视频应用使高速运放成为焦点 18
4.2便携式应用催生低电压/低功耗运算放大器 19
4.3精密运算放大器 19
4.4通用运放在传统应用领域仍有发展空间 19
5小结 20
参考文献 21
致谢 22
CMOS运算放大器的研究与发展趋势
王承智
（湖南大学湖南娄底417000）
摘要：
由于运算放大电路是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分，而且也是构成这些系统的基本单元，所以在进行设计和优化中占据着一个重要的位置。
运算放大器单元性能的提高，能够使得整个系统的性能上一个台阶。
本文从CMOS运算放大电路的基本参数出发，介绍了运算放大器的主要指标：
开环增益、输出摆幅、转换速率、噪声等，并对MOS管的电学特性做了详细的分析。
其次，分析了目前常见的放大电路结构，主要有基本的全差分结构、折叠式结构、套筒式结构。
最后结合现在运算放大器在各个领域的应用情况对未来的发展趋势做了一个预测。
关键词：
运算放大器；套筒式；差分结构；折叠式
TheResearchandDevelopmentTrendsofCMOSOperationalAmplifier
WangChengzhi
Abstract：
Theoperationamplifiercircuitisanintegralpartofmanysimulationsystemandmixeddigitalsignalsystem,andisconstitutethebasicunitofthesesystems,soitisimportantduringthedesignandoptimization.Theimprovementoftheoperationalamplifierunitperformancecanmaketheoverallsystemperformancetoahigherlevelofresearch.ThisarticlefirstlyhaveintroducedthebasicparametersofCMOSoperationamplifiercircuit,included:
theopen-loopgain,outputswing,slewrate,noiseandsoon,furthermorewemakeadetailedanalysisoftheelectricalcharacteristicsofMOS.Secondly,thepaperhaveanalysisthecurrentstructureofthecommonamplifiercircuit,alsoitincludesbasicfullydifferentialstructure,foldingstructure,telescopicstructure.Finally,Ithavemadeaforecastbasedonthenowoperationalamplifierapplication.
KeyWords：
OperationalAmplifier;Telescope-Feed;DifferenceStructure;Folding
1引言
1.1研究背景及意义
近年来，电子产品的种类越来越多，特别是半导体集成电路产品，广泛涉及到军事，民用领域的各个方面。
现在一些热门的如计算机、多媒体技术、数字信号处理、通信等行业，人们对其性能的要求也越来越高，这些要求包括高的处理速度、高的运算精度、低的功耗等几个主要方面。
这对设计和生产也带来了很大的压力和动力，也是一个很迫切需要解决的问题。
要解决这个问题，就要求我们在这类产品的内部的电路结构，以及器件材料以及工艺等多方面进行研究，是一个非常广泛的课题。
但是如果对电路结构进行研究，首先就要考虑的就是运放大电路。
因为运算放大器是许多模拟系统和混合数字信号系统中的一个完整部分，而且也是构成这些系统的基本单元。
例如在运算放大电路在模拟运算、信号处理、模数和数模转换器以及有源滤波器等等许多方面有广泛的应用。
这些系统的性能在很大程度上都是受到内部运算放大器性能的影响，以至于成为这些性能突破的瓶颈。
1.2国内外研究动态
集成运放的不断发展，电路的性能也在不但提高，其应用领域也目益增大。
而对于基本的放大电路，在低压、高增益以及低功耗等方面也有进一步的发展，特别是对于套筒式放大电路，国外开展了极其广泛的研究。
从1981年至今已经有三百多篇这方面的文章陆续发表在IEEE上面，现在仍然是研究的热门课题。
从这些的研究成果中，我们可以看到国际上运算放大电路设计的最新动态。
KushGulatih和HaeSeungLee于2008年IEEE上发表的文章中摆幅在-2.45～+2.45之间，3.3v的供电电源具有90db的差动增益以及90MHz的增益带宽，共模抑制比（CMRR）也超过50db[1]。
还有在2009年4月，ShyingXiong和MinShe共同发表的文章中运放的开环增益在80db以上，整个运放的动态范围在71db，单位增益带宽在500MHz以上（在低速为513MHz，中速为514MHz，高速为567MHZ）[2]。
国内的工作相对而言要少一些，主要有复旦大学朱臻等人在2009年的复旦大学学报上发表一文中，设计了一个带宽为590MHz，开环增益为90dB，功耗为15mW，能够满足高速A/D转换器所有性能指标的运放[3]。
以及西安大学黄立中等人发表的文章一文中介绍了他们设计的运放在1.5pf下单位增益频率为105MHz，开环增益为80dB，建立时间小于20ns的高性能运放[4]。
这些都说明目前对基本的运算放大电路的要求越来越高，而且搞好基础研究，有利于电路设计的整体发展。
2基本理论
2.1MOS管概述
2.1.1MOS管大信号模型
先给出适合计算的简单大信号模型，然后再扩展此模型，包含电容、噪声源和欧姆电阻等等。
（1）MOS管简单大信号模型
NMOS管的工作偏置条件及输出曲线如图2.1和图2.2所示[6]：
图2.1NMOS管的工作偏置图图2.2NMOS管的输出曲线
一般据输出曲线可把NMOS管的工作状态分为五个工作状态区
1）当时，MOS管工作在截止区，此时NMOS管不能产生导电沟道，工作于开路状态，漏源极电流为0。
2）当时，MOS管工作在饱和区，在此工作状态时，导电沟道被夹断，漏源电流几乎不变，为一常量，其V-I特性可用以下方程表示：
（2-1）
3）当时，MOS管工作在非饱和区（线性区），其V-I特性可用以下方程表示：
（2-2）
以上两式中：
称为器件的跨导系数；
其余参数含义如下：
：
沟道表面电子迁移率；：
单位面积栅电容；
：
真空介电常数；：
栅氧化层厚度；
：
晶体管栅极宽度；：
晶体管栅极长度；
：
沟道长度调制系数。
以上两公式中项为器件沟道调制效应对器件工作状态的影响，一般情况下，值较小，几乎为零，所以沟道调制效应对器件的影响在手工分析它的电流时可不考虑。
4）弱反型区
当MOS管的栅源电压低于其阈值电压时，称管子工作在弱反型区，根据MOS体管弱反型区电特性的理论，其漏源电流为：
（2-3）
当器件工作在饱和区时，忽略项，所以
（2-4）
式中β表示MOS管的宽长比，、、分别表示栅极、源极、漏极对衬底的电位；为热电压，即，常温下约为25mV；m为弱反型区下的斜率因子，是与衬底偏置调制系数有关的系数；称为特征电流，表示MOS管的宽长比为1以及各电极对衬底电位为零时的漏极电流。
的表达式为：
（2-5）
的典型值在2nA到200nA。
值得注意的是，由于漏极电流小于特征电流，弱反型下的有效栅源电压实际上是一个负值。
这也表明，MOS管工作在弱反型下其栅源电压要低于强反型下，从而更加适合在低电压设计中的使用。
弱反型下，MOS管的跨导可表示为：
（2-6）
从上式中可以看到，弱反型下MOS管的跨导只依赖于漏极电流。
如果在设计中为了达到较好的高频性能，要求MOS管有较大的跨导，则需增大管子的漏极电流。
然而，漏极电流若增加过大的话，MOS管将脱离弱反型区而进入强反型区[5]。
虽然同时增加管子的宽长比可以将管子限制在弱反型区，但这种方法并不总是有效，尤其是放大器带宽要求高时，因为增加管子的尺寸将不可避免的增加器件的寄生电容。
5）中反型
实际上，MOS管在弱反型到强反型区域之间的变化是连续的，这个区域成为中反型区。
近似地，中反型区的漏极电流大小为：
（2-7）
（2）MOS管完整的大信号模型
大信号模型还应包括其他特性，如源/漏和衬底间的结特性、源/漏欧姆电阻以及各种电容等。
完整的大信号模型如图2.3所示。
图2.3中的二极管表示源与衬底间和漏与衬底间的结，MOS晶体管正常工作时这些二极管必须总是处于反偏状态，它们在直流模型中的主要影响是漏源电流，这些电流可以表示为：
（2-8）
（2-9）
其中为结的反向饱和电流、为电子电荷、为玻耳兹曼常数、是绝对温度。
图2.3MOS晶体管的完整大信号模型
电阻和分别表示漏极和源级的欧姆电阻，其典型值约为50至100Ω，对晶体管没有很大的影响。
MOS管中的电容可分三类[12]，第一类电容有和，分别和漏/衬底及源/衬底结的反偏耗尽层有关；第二类电容都接在栅极，包括有、和，其数值和晶体管的工作状态有关；第三类是寄生电容，和晶体管的工作状态无关。
耗尽层电容是加在pn结两端电压值的函数，它的表达式为：
当时，
（2-10）
当时，
（2-11）
其中，对于和，X分别表示S或D；FC为正向偏置结电容修正系数，约等于0.5；PB为结势垒，与结的两端的掺杂浓度有关；为结面积；MJ为结的梯度因子，对于突变结值为1/2，缓变结为1/3；对于的值为：
（2-12）
图2.4是MOS器件的剖面图[8]，它示出了MOS器件的电荷储存电容的各组成部分。
其中和是上面所介绍的源/衬底和漏/衬底间的结电容。
及是交叠电容，是由于两各导体交叠（并由介质隔离开）形成的电容，由于源和漏在多晶硅栅极横向扩散形成的，交叠程度由LD表示，交叠电容约为：
（2-13）
为有效沟道宽度，CGXO（X=S或D）为由于源栅或漏栅交叠引起的交叠电容，单位为F/m。
图2.4MOS器件的大信号电容
另一个重要的交叠电容是由于栅和衬底间交叠引起的电容，用表示，如图2.5，同样它的表达式为：
（2-14）
为有效沟道长度，CGBO为由于栅和衬底交叠引起的交叠电容，单位为F/m。
图2.5栅/衬底间的交叠电容
是栅/沟道间的电容，表达式为：
（2-15）
是沟道/衬底间的电容，它是结耗尽层电容，如同和一样随电压变化而变化。
当保持恒定不变，使从零开始增加时，可以看出当MOS管处于不同的工作区域时，、和的大小是不同的。
2.1.2MOS管的交流小信号模型
当NMOS管在直流偏置作用下工作于饱和区时，其交流小信号等效模型如图
2.6所示，图2.7是其简化等效电路模型，适合于人工分析。
在电路计算中，由MOS管的大信号模型算出电路的静态工作点后，就必须由小信号等效模型来分析电路。
小信号模型是能简化计算工作的线性模型，它是在一定的电压电流下有效，它的各项参数依赖于大信号模型参数和直流变量。
图2.6MOS管交流小信号等效模型
图2.7MOS管小信号简化模型
假定漏极和源极的欧姆电阻与大信号模型中的相等，由于对MOS晶体管影响不大，这里没画出来。
同样也假定在小信号模型中的、、、和分别和大信号模型中的、、、和相等。
在饱和区各参数的具体表达式如下：
（2-16）
（2-17）
（2-18）
（2-19）
（2-20）
其中：
（对NMOS）（2-21）
（对PMOS）（2-22）
称为衬底阈值参数：
、分别为受主和施主掺杂浓度，为饱和沟道表面电位，NMOS中为负值，PMOS中为正值。
2.2运算放大器的主要性能指标
20年前，多数的运放被设计成通用的模块，适应不同的要求。
这些努力，企图制造一种“理想”的运放，既具有高的电压增益、高的输入阻抗以及非常低的输出阻抗，又具有良好的速率、输出摆幅等。
实际上，满足上述的某些性能不可避免地要牺牲其它性能为代价。
这是因为运算放大器的各个参数之间相互制约，相互影响。
所以我们今天的运放设计，从开始就认识到各个参数之间的折中关系，在整体中进行多方面的综合考虑。
这里我们具体的介绍一下目前运放的性能中一些重要的指标参数，主要有开环增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。
（1）开环增益
开环增益即开环差模电压增益，是指运算放大电路正常工作，接入规定负载，无反馈情况下的直流差模增益。
开环增益与输出电压有关，通常是在规定的输出电压幅度测得的值。
现在运算放大电路的开环增益受其使用环境所控制。
一般对于集成电路而言，其增益要求就比较严格，以确保精度。
例如常用的模数转换器（ADC），其中集成的运算放大器的增益，就是由这个ADC的每一级的增益误差容限所决定。
假如整个ADC的总的误差容限为LSB/2（LSB，最小有效位），那么这个N位的ADC的运算放大电路的开环增益有：
（2-23）
（2）开环带宽
运算放大电路工作在高频环境中，工作频率变化时，其开环增益也随之发生变化。
一般表现为工作频率增加，开环增益下降。
开环带宽就是描述运算放放大器稳定工作的频率区间[9]，也称之为—3dB带宽，是指开环差模电压增益下降3dB时对应的频率。
（3）输出摆幅
输出摆幅即输出信号的幅度范围。
现在使用运放的系统要求大的电压摆幅以适应大范围的信号值[7]。
例如，能响应管弦乐队音乐的高质量的话筒可以产生的瞬时电压范围大于四个数量级。
所以对大摆幅的需求使全差分的运放使用相当普遍。
但是，由于对于运算放大电路，最大的电压摆幅与器件尺寸、偏置电流、速度之间，其性能指标是相互制约、可以互换的。
这对于运放设计而言，大的摆幅是一个很重要的课题。
（4）转换速率
转换速率是测量输出信号的最大斜率变化的量，其定义为放大电路在闭环状态下，输出为大信号（例如阶跃信号）时，放大电路输出电压对时间的最大变化率，对于一般的单端运算放大器。
但是在大信号的高速处理中，并不希望转换这种现象存在，因为在转换期间，输入．输出关系是非线性的，转换放大器的输出会表现出很大的失真。
（5）建立时间
建立时间是用来描述电路的输出信号的稳定状况，输入的信号经过工作电路后，输出信号经过一定时间内的起伏最后趋近稳定。
对于阶跃响应信号，建立时间包括建立时间和保持时间。
（6）电源抑制比
运算放大器的电源线上的噪声也会对输出信号造成影响，因此必须适当地“抑制”噪声。
而电源抑制比就是测量运算放大器抑制这种偏差的程度的量。
一般定义它为：
从输入到输出的增益除以从电源到输出的增益。
因为现在的运算放大器逐渐出趋向于低压低功耗，对供电电源的要求也越来越高。
（7）共模抑制比
共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一项技术指标，其定义为放大电路对差模信号的电压增益与对共模信号的电压增益之比的绝对值，即：
（2-24）
差模电压增益越大，共模电压增益越小，则共模抑制能力越强，放大电路的性能越优良，因此希望‰值越大越好。
共模抑制比有时也用分贝（dB）数来表示：
（2-25）
（8）功耗
由于越来越多运算放大电路应用于便携式设备以及电池电源供电，电路的功耗就值得关注了。
特别是现在的笔记本电脑，由于发热以及工作时间等问题，对电脑性能有一定的影响，也对使用者引起一些不方便。
所以减小功耗能够使得系统更加精简，也使得电源的寿命更长久，而且也能使得芯片在一个适当的温度下工作。
（9）噪声
噪声限制了电路能够正确处理的最小信号电平，所以它与功耗速度忽然线性度之间是相互制约，是一个重要的参数。
而集成电路处理的模拟信号主要会受到两重不同类型的噪声损坏：
器件噪声和“环境”噪声，环境噪声（表面上）指电路所受到的电源或地线或者衬底的随即干扰。
这里主要讨论器件噪声：
热噪声和闪烁噪声（）的概念。
热噪声：
由导体中的电子随机热运动产生，也称之为约翰逊噪声。
其表达式为：
（2-26）
其中k是波尔兹曼常数，R是热噪声等效电阻。
MOS晶体管也有热噪声，最大噪声是在沟道中产生，可以证明，对于工作在饱和区的长沟道MOS器件，可以用一个连接在漏源两端的电流源来模拟，在长沟道器件中，y一般取值为，在亚微米模型中，还有待研究。
闪烁噪声（噪声）：
是由半导体中的载流子的陷阱随机捕获或者释放载流子而形成。
在实际中，其噪声平均功率并不容易测得。
噪声一般作为一串联于晶体管栅极的电压源，在低频时起主要作用。
典型的噪声功率谱密度表达式为：
（2-27）
3运算放大器的研究
前面我们介绍了电路的一些指标，这里对具体的电路进行分析。
主要介绍当前的一些运放的结构，主要是基本的差分结构、折叠式和套筒式的运算放大电路结构，介绍其性能特性以及详细的电路分析。
3.1差分式运算放大电路
（1）基本结构
图3.1基本全差分运放的结构
如图3.1所示的运放是一种最简单全差分运放电路，它是由PMOS管作为输入管，NMOS管作为负载管组成。
这种运算放大电路的最大优点就是能够提供大的输出摆幅。
通过计算有：
（3-1）
（2）性能分析
这种结构虽然能够提供高的输出摆幅，但是其开环增益有限[13]，分析其小信号增益有：
（3-2）
用器件的尺寸表示有：
（3-3）
公式（3-3）虽然说明了在一定工艺下晶体管参数对其的影响，但是实际中因为从输出管的漏端看到的输入阻抗最大只能达到100K欧姆，如果该电路的输入跨导只有5mS，那么这种结构能够提供的最大增益就只有40dB了。
3.2折叠式运算放大电路
（1）折叠运放的拓扑结构
图3.2折叠结构的拓扑图
如图3.2所示，这种结构主要的优点在于对电压电平的选择[10]，它在输入管上端并不“层叠”（stack）一个共源共栅管。
所以输出摆幅的最小值为（，，），最大值为（，，），输出摆幅为（，）。
（2）增益的计算
利用图3.3所示的小信号图，利用，我们分别计算出和。
在图3.3中，电路的输出电流约等于晶体管Ml的漏电流，并且从晶体管M3看到的阻抗大大地低于即：
（3-4）
则有：
（3-5）
选择计算：
图3.3折叠结构的分析图
在图3.4中，
（3-6）
那么有：
（3-7）
所以
（3-8）
在如图3.4的折叠式共源共栅运放结构，采用的是PMOS管对作为输入管，而相对于NMOS管对而言，它的跨导是比较低的，并且在图3.4中，晶体管M5和M1并联，减小了输出阻抗，特别是流过M5的电流既有流经输入管的，也有流经共源共栅管的，所以对电路的性能也有影响。
而且相对于下面将要介绍的套筒式结构运放而言，折叠运放的开环增益要小到。
图3.4折叠结构的等效分析图
3.3套筒式运算放大电路
（1）电路的拓扑结构
电路的拓扑结构如图3.5，这种结构相对于基本的全差分对结构，如上文提到的第一种结构而言，式采用共源共栅来增大PMOS和NMOS的输出阻抗，还是一种共源共栅的差动形式，但是极大的提高了电路的差动增益[11]。
这种电路虽然能够极大的提高增益，但其代价是要消耗更多的电压余度，这表现在输出端为电路的输出摆幅相对与相同条件下的折叠式结构来讲，其值要小一些。
对于现在的低压电路而言，这种缺点就表现得尤为要紧。
套筒结构还有一个最大的问题就是输出不能直接反馈到输入端，而且必须使用共模反馈以确保电路的稳定性。
这个我们在后面对共模反馈结构进行了具体的研究，在设计中也采用了其中的一种结构来保证性能。
图3.5套筒结构的拓扑图
（2）增益的计算
对电路的性能做一个简要的分析，增益值的表达式为：
（3-9）
和可以表示为：
（3-10）
（3-11）
假设有，化简上述两式，有
（3-12）
（3-13）
则，增益可以详细的表示为：
（3-14）
（3）套筒式运放电路的噪声分析
由于电源电压比较低，就必须考虑噪声因素的影响。
前面提到的几种噪声，在这里作一个具体的分析。
如图3.6所示，晶体管M1的噪声电流和负载上的电流流经负载，这时，这两个器件所产生的噪声可以量化位一个噪声可以忽略的共源级电路。
则其噪声的表达式为：
（3-15）
（3-16）
图3.6套筒结构的噪声等效分析图
在相当的频率工作状况下，套筒结构中共源共栅产生的噪声相对于M1、M2、M7、M8这四个晶体管而言，是可以忽略的，因为这四个晶体管是主要的噪声源。
利用的表达式，则总的噪声我们可以表示为：
（3-17）
4运算放大器的发展趋势
运算放大器历经数十年的发展，从早期的真空管演变为现在的集成电路，根据不同的应用需求主要分化出通用型、低电压/低功耗型、高速型、高精度型四大类运放产品。
一般而言,高速运放主要用于通信设备、视频系统以及测试与测量仪表等产品；低电压/低功耗运放主要面向手机、PDA等以电池供电的
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