一种低噪声CMOS运算放大器的研究与设计

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CMOS运算放大器作为模拟集成电路的最基本、最重要的功能模块,无论是在消费电子领域,还是在军用电子系统领域,都有着举足轻重的作用。近几年来,深亚微米技术的发展步步为营且前景可观,集成电路系统的供电电源的电压越来越低,严重恶化了CMOS运算放大器的信噪比,所以必须在电路设计时周全考虑才能使运放的噪声性能保持稳定。CMOS运放的噪声主要包括沟道热噪声和闪烁噪声。沟道热噪声可以通过增大器件的跨导和W/L的值来抑制,闪烁噪声主要可以通过使用CMOS工艺下的横向双极型晶体管和DTMOS来抑制。本文使用了横向双极型晶体管作为运放的差分输入对,并且使用PMOS管而不是NMOS管作为cascode结构的共栅放大,这样可以有效的改善CMOS运放的噪声特性。运放由四部分组成,分别为提供静态电流的偏置电路、横向双极型晶体管为输入管的差分输入级,二极管连接的MOS管为负载的共源放大级,有源MOS管做负载的功率输出级。本文设计的低噪声CMOS运算放大器采用的是台积电半导体(TSMC)的0.18um CMOS工艺,电路设计软件为candence IC 610,仿真软件为Spectre。通过对所设计的电路进行仿真验证,得到运放在1HZ时的等效输入噪声电压密度为9.6nV/(?),在1KHZ时的等效输入噪声电压密度为7.5nV/(?)。这样的噪声性能基本满足了一个CMOS运算放大器的对于低噪声的要求。运放的输入失调电压为14.6uV,增益带宽积为0.5MHz,相位裕度为65°,以上运放指标均满足了一个运放的基本要求,符合预期。
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