（信号与信息处理专业论文）一种低压高精度cmos运算放大器设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着生活层次的不断提升，人们对各类微电子产品的要求也越来越高，各种 电子测试测量产品在微电子系统、汽车电子系统、医疗领域、军事航天领域得到 广泛应用，因而迫切要求采用低压、高精度c m o s 运算放大器来提高这些仪器 的精确度。由于测试、测量设备中需要对微弱信号进行放大或处理，所以需要对 高精度运算放大器进行研究。 论文基于运算放大器的基本原理，对国内外各种模拟高精度c m o s 运算放 大器做了广泛的研究，分析了其优缺点，并在吸收这些技术成果的基础上，设计 了一种低压高精度c m o s 运算放大器。在设计输入级时，采用折叠式共源一共栅 差动输入结构，同时采用p m o s 管差动输入结构并运用自举技术，主要从减小 噪声和提高增益来考虑；在中间增益级电路设计中，电流镜负载并不采用传统的 标准共源一共栅结构，而是采用适合在低压工况下的宽摆幅共源一共栅结构，从而 提高了运放的精度及工作范围；为了提高增益和降低闪烁噪声，采用p m o s 器 件共源极放大器作为增益级；为了降低随机失调，增设输出缓冲级，在输出级设 计时考虑高效率，采用了a b 类推挽共源极放大器作为输出级，输出电压摆幅基 本上达到电源电压的数值；为了保证运放的稳定性，采用带有调零电阻的密勒补 偿技术对运放进行频率补偿；为了降低系统失调，运用了斩波技术。 文中采用标准上华科技c s m c0 3 5g mc m o s 工艺参数，对整个运放电路进 行了精心设计，并通过h s p i c e 软件作出了仿真。结果表明，在1 5v 的电源电 压下输入失调电压只有1 8 7 v ，直流流开环增益、单位增益带宽积和相位裕度 分别达到了8 8d b 、2 5m h z 和8 0 0 ，主要技术指标都符合了设计要求。 关键词：低压；高精度；折叠式共源一共栅组态；c m o s 运算放大器；斩波 技术 中图分类号：t n 7 9 + 2 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e sl i f e - s t y l e ，k i n d so fe l e c t r o n i c a lp r o d u c t sh a v eb e e n r e q u i r e dm o r ea n dm o r eh a r d ，a sar e s u l to ft h ee l e c t r o n i ct e s ts u r v e yi nt h em e d i c a lf i e l d t h e a u t o m o b i l ee l e c t r o ns y s t e m t h em i l i t a r ya s t r o n a u t i c sd o m a i n sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，i t se a g e r f o rt h eu s eo ft h ec m o sl o wv o l t a g eh i 曲a c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p l i f i e rt oe n h a n c et h ea c c u r a c y o ft h ee l e c t r o n i c a lp r o d u c t s i tn e e dt om a g n i f yp r o c e s s i n gf o rt h ew e a ks i g n a li nt h et e s ts u r v e y ， t h e r e f o r ei tb e c a m en e c e s s i t yt h a tt h eh i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p l i f i e ri ss t u d i e di n e v i t a b l y ， w h i c ha d v a n c e dt h ed e v e l o p m e n to f t h eh i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h et h e s i sh a sd o n et h ew i d e s p r e a di n v e s t i g a t i o na n ds t u d yt ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g n t e c h n o l o g i e so fa n a l o g yl o wv o l t a g e ，a n da n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so fw o r k ，m e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h e s et e c h n o l o g i e s i td e s i g n sah i g ha c c u r a c yo p e r a t i o n a la m p l i f i e r t h i sa r t i c l e m a i n l ya i ma tr e d u c e st h ei n p u to f f s e tv o l t a g et ol a u n c ht h er e s e a r c ha n dd e s i g no p e r a t i o n a l a m p l i f i e r t h es t r u c t u r eo fi n p u ts t a g ea d o p t e df o l d e d - c a s c o d e i no r d e r t or e d u c et h et w i n k l en o i s e ， t h ei n p u td i f f e r e n t i a ls t a g eu s e dp m o st u b e s i m u l t a n e o u s l yt h eb i a sc u r r e n tm i r r o rl o a do f f o l d e d c a s c o d ed i f f e r e n t i a li n p u ts t a g ew a so f f e r e db yt h ew i d es w i n gc a s c o d ew h i c hc a nr u n u n d e rl o wv o l t a g en o r m a l l y t h ep m o st u b ec o m m o ns o u r c ea m p l i f i e rw a sa d o p t e di nt h eg a i n s t a g ef o rt h es a k eo fr e d u c i n gt h et w i n k l en o i s e w h e nd e s i g n i n go u t p u ts t a g e ，i no r d e r t oe n h a n c e t h ee f f i c i e n c y , i tu s e st h ep u s h - p u l lc o m m o ns o u r c es t a g ea m p l i f i e ra st h eo u t p u ts t a g e ，t h eo u t p u t v o l t a g es w i n gb a s i c a l l yr e a c h e dt h es u p p l yv o l t a g e t h en o r m a ls o u r c eo ft h et h e s i sa d o p t e du s e t h et r a d i t i o n a ln o r m a lc u r r e n ts o u r c eb a s e do nt h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i no r d e rt ow o r ks t a b i l i t y t h ea m p l i f i e ru s e st h em i l l e rc o m p e n s a t et e c h n o l o g yw i t ha l la d j u s t i n gz e r or e s i s t a n c et o c o m p e n s a t et h eo p e r a t i o n a la m p l i f i e r i no r d e rt or e d u c et h eo f f s e tv o l t a g e ，c h o p p i n gt e c h n o l o g y h a sb e e na d o p t e d t h ec i r c u i td e s i g ni sr e a l i z e di nc s m c0 35u mc m o st e c h n o l o g ya n dh s p i c e s i m u l a t i o nr e s u l t so fc m o si n d i c a t et h a ti t so f f s e tv o l t a g eo n l y18 7u v ，a c h i e v e st h e d eo p e ng a i no f 8 8d b ，u n i t y - g a i nf r e q u e n c yo f2 5m h z ，a n dt h ep h a s em a r g i no f8 0 0 i n1 5vp o w e rs u p p l y t h em a i np r e d e f i n e ds p e c i f i c a t i o n sa l es a t i s f i e dw i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：l o wv o l t a g e ；h i g ha c c u r a c y ；f o l d e d - c a s c o d e ；c m o so p e r a t i o n a l a m p l i f i e r s ；c h o p p i n g i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈。 学位论文作者签名：涨两 导师繇蝴盖 签字日期：沙f 。年舌月 日签字日期：旦d 【o 年弓月兀 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张雷 日期：d i o 年6 月 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1c m o s 集成电路的发展历史及其意义 由于集成技术和大规模系统设计的飞速进步，电子工业在过去的几十年里取 得了惊人的发展【m 1 。集成电路在高性能计算、通信和消费电子领域中的应用飞 快发展。事实上，正是这些应用所需求的计算和信息处理能力成为电子领域快速 发展的驱动力。当前的前沿技术已经为终端用户提供了一定的处理能力和便捷 性，人们希望对这种超大规模集成电路( v l s i ) 系统设计具有重大影响的趋势 延续下去。对高性能处理能力和带宽不断增加的需求是信息业务最重要的特征之 一。另一个重要特征是信息业务更趋向个人化，这意味着信息处理设备必须更加 智能化，具有便携性。因此，便携式成为系统集成的主要驱动力之一。随着各种 数据处理和通信设备功能越来越复杂，将众多功能集成在- d , 块芯片之上的需求 一直在增加。集成度是用单片新品上逻辑门的数量来衡量的。由于工艺技术和互 连技术的快速进步，过去几十年来芯片的集成度一直在稳步提高。在c m o s - v 艺 日益发展的今天，采用c m o s 技术制造的低电压、高精度模拟电路的设计过程已 经成为人们的研究热点之一。 1 9 4 7 年，美国贝尔实验室发明了半导体点接触式晶体管，从而开创了人类的 硅文明时代。当时出现了金属氧化物半导体( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ：m o s ) 场效应晶体管( f i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ：f e t ) 的概念。而真正引起半导体工业的 变革的是在2 0 世纪6 0 年代中期发明的互补m o s ( c m o s ) 器件。c m o s 技术以其 无可比拟的优势迅速占领了数字市场，紧接着c m o s 技术又应用于模拟电路的设 计中。较低的制造成本和在同一芯片上同时包含模拟和数字电路，以改善整体性 能和降低封装成本使得c m o s 技术极具吸引力。 美国德州仪器( t i ) 于1 9 5 8 年试制了世界上第一块集成电路( i c ) 。1 9 6 0 年小规模集成电路( s s i c ) 开始批量生产。作为微电子技术的集成电路行业， 经过多年的发展，i c 技术不仅实现了产业化，而且经历了小规模、中规模、超大 规模和特大规模集成电路( m s i c 、v l s i ca n du l s i c ) 的发展阶段。正如i n t e l 公司的创始人之一的戈登摩尔( g o r d o nm o r e ) 在2 0 世纪7 0 年代初期所预言的那 样，每个芯片上晶体管的数量大约每1 8 个月翻一番。同时，晶体管的最小尺寸也 从1 9 6 0 年的2 5 肛m 下降到现在的超深亚微米阶段，特征线宽可达到0 0 6 5l x m ，甚 江苏大学硕士学位论文 至更小，而硅晶圆的直径达到了1 2i n ( 1i n - - 2 5 4c m ) 【3 j 。i c 设计技术今年来有 了长足的发展，系统芯片( s y s t e mo n ac h i p ：s o c ) 设计技术已经成为v l s i 设计 的主流技术之一。i c 技术的进步以及电子系统集成的迫切需求( 即希望单个芯片 上集成尽可能多的信号处理功能) ，为模拟集成电路设计开辟了广阔的天地。 运算放大器( o p e r a t i o n a la m p l i f i e ro p a m p s ) 简称运放，作为i c 芯片中应用 最广泛的单元电路，其性能的改善能够使整个集成电路系统的性能上一个台阶， 同时它也是许多模拟系统和数模混合信号系统中的一个组成部分。随着上世纪6 0 年代第一块运算放大器p a 7 0 9 【4 】的诞生，集成运放被广泛运用到几乎各种电子系 统之中，成为各种模拟信号处理和测试设备中的基本元件。 集成运放的发展大概可分为四个阶段【5 堋。第一阶段基本上是按分立元件电 路的设计思想制造的，但在改善输入电阻、开环增益、失调电压及温漂等项指标 方面都有所提高( 如国产的f c 3 、5 g 2 3 等) ；第二二阶段的产品特点主要是普遍采 用了有源负载，而且与第一阶段产品相比，其产品的开环增益有所提高，又由于 电路比较简单、性能指标比较符合要求，这一类产品得到了广泛的应用( 如f 0 0 7 、 b g 3 0 5 ) ；第三阶段的产品主要特点是采用了超口管作为输入级，并在版图设计 中考虑热效应的影响，所以其失调电压、失调电流、开环增益、共模抑制比和温 漂等方面都有所改善( 如国内的f 0 3 0 和国外的a d 5 0 8 ) ；第四阶段产品的主要特 点是电路中包含了斩波自动稳零放大电路，并开始在大规模线性集成电路中投 产。前三阶段运放通称为参数补偿式运放，而第四阶段则称为斩波稳零式运放。 它们的工作原理不一样，但具体使用却没有多大的区别。 1 - 2c m o s 运算放大器的整体结构 如图1 1 所示，c m o s 运算放大器主要由差分跨导级、高增益级、轨对轨输 图1 1 运放的整体结构框图 2 江苏大学硕士学位论文 出级、密勒补偿电路和偏置电路构成。差分跨导级和高增益级可以视为第级电 路，输出级视为第二级电路。一般的c m o s 运放都做成二级放大结构。每部分 电路有其具体的电路拓扑【7 卅。 差分跨导级由差分电路组成。主要作用是放大差模输入信号，并将其变 为单端信号传给下一级。利用它的对称性可以提高整个电路的共模抑制比，改善 噪声和失调性能。 高增益级这一级的主要作用是提高电压增益。 轨对轨输出级主要作用是降低输出电阻，维持大的信号摆幅。 偏置电路主要用于为每只晶体管建立适当的静态工作点。 密勒补偿电路在运算放大器在加负反馈时，保持整个电路的工作稳定 性。 1 3c m o s 高精度运算放大器的现状 高精度集成运放一般指运放输出电压信号的精准度，是以偏移电压为判定标 准，n s ( 美国国家半导体) 定义偏移电压低于1m v 且f l 属高精度运放，而t i ( 德 州仪器) 把偏移电压低于0 5m v 才算是高精度运放。目前用于降低放大器低频噪 声( 主要是1 艨声) 和失调电压的技术主要有三种：自动调零( a z ) 、相关双 采样技术( cds ) 和斩波技术( c h s ) 1 0 - 1 2 】。 尽管双极型运算放大器的技术发展的己经比较成熟，其应用也比较广泛，但 随着c m o s 集成电路技术的不断进步，人们仍在不断探索着用c m o s 技术来设计 高性能的线性集成电路，特别是各种高性能的专用运算放大器。从最初的p m o s 到后来的n m o s 技术，特别是c m o s 超大规模集成电路技术的发展，使得m o s 集成运算放大器的性能不断提高，应用不断扩大。在数模混合超大规模集成电 路中更是不可缺少的一个部分。 首先，与双极型运放电路相比较，虽然c m o s 运放电路在增益、失调、速度 等方面得性能略差，但是c m o s 运放电路能在比较宽的输入电压范围内工作，并 且在输入阻抗和静态功耗等方面有着巨大的优越性；其次，c m o s 运放电路占用 的芯片面积只是同等功能双极型运算放大器的1 3 1 5 。所以，c m o s 模拟i c 在现 代线性电路中占有的比重越来越大，应用也是越来越广泛【1 3 1 4 1 。 一般运放存在着增益低、高失调电压和高失调电流等的问题，这样就不能满 江苏大学硕士学位论文 足工业中在信号检测、信号采集、信号测量上对微弱信号的精密模拟和准确计算 的需要，于是出现了许多高精度、低失调运放电路。 高精度集成运放主要是指漂移和噪声非常低、高增益和高共模抑制比的集成 运放。人们有时也称它们为低漂移集成运放和低噪声集成运放。所谓低漂移，主 要是指输入失调电压和失调电流随温度、时间和电源电压改变而漂移很小的集成 运放。它们综合起来对集成运放构成直流输入误差信号。而低噪声集成运放主要 是指噪声很低的集成运放f 1 5 6 1 。 在国外，最早的高精度低失调运算放大器是g a 7 2 5 。它的输入失调电压为0 5 m v ，失调电流为2 0n a ，输入偏置电流为4 2n a ，差模开环增益为1 3 0d b ，共模 抑制比为1 2 0d b ，静态功耗为8 0m w 。这些指标比普通运算放大器至少高一个数 量级。1 9 7 5 年，精密单片公司推出了o p 0 7 ，该运放是一种结合了使输入失调电 压和输入偏置电流都减至最小的在片电阻微调和偏置电流抵消技术的范例。它的 输入失调电压为0 0 7m v ，失调电流为0 4n a ，输入偏置电流为4n a ，差模开环 增益为3 0 0v m v ，共模抑制比为1 0 6d b ，静态功耗为5 0m w 。1 9 8 0 年，模拟器 件公司推出o p 2 7 ，标志着国外在高精度低失调运放的研制技术方面日臻成熟。 o p 2 7 是一种调制型的自动稳零放大器，可以获得更低的温度系数( 0 1 | l v ) 。 进入2 l 世纪后，大量高精度产品应运而生o p - 1 7 7 a 、o p l 7 7 a e 、o p 一7 7 e 、 o p a 7 7 e 、o p 一5 0 、l h 0 0 4 4 等【1 7 1 引。据查，迄今最高精度单片集成运放有现阶段 由德州仪器( t i ) 推出采用e t r i m 技术达到高精度运放o p a 7 2 7 、o p a 7 2 8 、 o p a 2 7 2 7 、o p a 4 7 2 7 等。 而在国内，目前已经出现的产品有f c 7 2 、f c 7 4 、f 7 2 5 、f 0 3 2 、f 0 3 3 、f 0 3 4 、 f 7 1 4 等。其中，f c 7 2 的各项技术指标为：输入失调电压为lm v ，失调电流为1 0n a ， 输入偏置电流为3 0n a ，差模开环增益为1 2 0d b ，共模抑制比为1 2 0d b ，静态功 耗为1 2 0m w 。可以看出，国内设计的高精度运放与国外相比还是有一定的差距。 f 7 1 4 是国内在高精度低失调运放设计领域中比较优秀的一种，它采用了多种技术 使失调电压和失调电流降至很小，增益也比较高。它的输入失调电压为1 0 v ， 失调电流为2n a ，差模开环增益为5 x1 0 5v m v ，已经接近国际水平。但总的来 说，国内设计的高精度低失调运放水平较低，采用的工艺基本上都是双极型器件 工艺，因此在器件尺寸上也是比较大，不利于微型商用产品电路集成，而且许多 4 江苏大学硕士学位论文 产品还处于实验室阶段，多数产品未生产出批量产品投放市场。 在此次设计中对c m o s 高精度运放电路的结构进行了全面的分析、研究、 并参考了大量国内外最新有关类型运放的论文报道及国外相关产品的设计，进行 了实际产品的设计，争取达到国外同类产品相同的性能，以满足市场的需要。 1 4 论文章节安排 论文的主要工作是针对前面所涉及的问题来设计低压、高精度运放，按照如 下内容构思论文。 第一章是绪论。介绍了课题的历史发展、现状和意义以及面临的问题。 第二章简要介绍了c m o s 器件的模型和工作特性，这是设计c m o s 模拟集 成电路的基础，并且介绍了m o s 器件对精度的影响。 第三章阐述了c m o s 运算放大器的基本结构与性能指标，以及c m o s 高精 度运算放大器的性能指标。 第四章给出具体的电路设计方案、详细的参数计算过程。 第五章使用h s p i c e 进行了仿真，并对仿真结果进行了分析和总结。 最后在结论中给出对c m o s 运算放大器设计的结论及成果，对文中所做的 工作进行了总结。 江苏大字硕士学位- 仑文 第二章c m o s 放大器的设计基础 第二章将讨论c m o s 运算放大器的基础知识。首先简要论述运放设计中使 用的m o s 器件构造和基本特性；然后介绍运放的一些基本情况及应用；最后讨 论m o s 管对高精度运放设计的影响。 2 1m o s 器件的构造和基本特性 在设计模拟i c 之前，必须充分地掌握半导体器件的基本知识。在数字i c 设 计中，设计工程师们着重考虑的是电路的速度和功耗，使用晶体管的一级模型就 可以较为精确地仿真数字电路的性能。而在模拟电路的设计中，晶体管的许多二 级效应直接影响到电路的性能，设计工程师要考虑更多的因素，如增益、噪声、 电压摆幅和线性度等。因此，深入了解器件的工作情况对模拟设计而言是非常有 益的【1 8 _ 1 9 1 。 2 1 1m o s 管的结构和i - v 特性 结合所用的标准上华科技( c s m c ) 模型参数，扼要介绍m o s 场效应管的 结构以及i v 特性。图2 1 和图2 2 分别是n 沟增强型m o s 管的剖面图及其输 出特性曲线。 0l u d s 图2 1 低s 和强反型层n m o s 管剖面图 图2 2n m o s 管的i v 特性 m o s 管的输出特性的经典描述就是萨氏饱和方程。不考虑二级效应， n m o s 管导通时的萨氏饱和方程为： 毛= 从c o x t ( u o 。一坼h ) 。一互1u u 2 。】 ( 2 1 ) 令 6 江苏大学硕士学位论文 k ：i 1 以了i f ( 2 2 ) 则式( 2 1 ) 变为： 毛= k 2 ( 。一h ) s 一。】 ( 2 3 ) 低压运放的设计中主要涉及的电学特性就是栅一源电压s ，该电压决定了 c m o s 电路能正常工作的最小电源电压值。式中s u t h 为m o s 管的“过驱 动电压 ，可记为d ，其中u r n 为器件的阈值电压( 即开启电压) ；l 为沟道有 效长度；彬为宽长比；k n 为n m o s 管的导电因子。由此可见f d 的取值取决于 工艺参数t n c o x 、器件尺寸形和三、s 及s 。 根据图2 2 所示曲线，可把n m o s 管的工作状态划分为以下4 个区域： ( 1 ) 截止区：u a s 弋 u - r r t 且0 u o s 弋 u a s - - u m ， j d ：以c o x 孚 ( 一) z ，瞒一吾昵。】- k , 。 2 ( u o s - 坼h ) s - - 瑶s 】( 2 4 ) 而当u o s u r h ，u o s u a s u m ， 实际上，漏极电流f d 并不是随着s 增大而无限增大的，在s 醌s u m 时，m o s 管进入饱和区：此时在沟道终端产生夹断现象。 式( 2 一1 ) 两边求导，可求出当u p s = u a s u m 时，电流有最大值，其值为： i o = i 1 “c o x 了w ( s 一坼h ) 2 ：k n ( u g s - ) z ( 2 7 ) 这就是萨斯饱和方程。饱和的m o s 管可以等效为连接在漏一源极之间的压控电 流源，且只有一端是悬浮的，其值大小是由过驱动电压决定的，这在模拟电路设 计中是非常重要的。 7 江苏大学硕士学位论文 由于m o s 管工作在饱和区时，其电流受过驱动电压控制，所以可以定义一 个性能系数来表示电压转换电流的能力。更准确地说，由于在处理信号的过程中， 要考虑电压和电流的变化，因此把这个性能系数定义为漏电流的变化量除以栅一 源电压的变化量。这个系数被称为“跨导 ，用g m 来表示，其表达式为： g 。：粤：从c o x 孚( s 一坼h ) ( 2 8 ) o g s l 从某种意义上来讲，g m 代表了器件的灵敏度：对于一个大的g m 来讲，醌s 的一个微小的改变将会引起而产生很大的变化。可以看到，饱和区的g m 值等于 深度线性区，o n 的倒数。g m 也可以表示为： g m 还可以表示为： =瓢2tcox w i( 2 - 9 ) g m2 丽z l d ( 2 - 1 0 ) 跨导g m 的这三个表达式在研究g m 随某一参数变化( 其它参数保持不变) 的 特性时是有用的。例如，式( 2 8 ) 表明，如果保持删三恒定，则g m 随着过驱 动电压的增加而增加，而式( 2 1 0 ) 表明，如果f d 不变的话，g m 随着过驱动电 压的增大而减小。因为m o s 器件进入线性区时，跨导将下降，所以m o s 器件 作放大应用时，应使m o s 管工作在饱和区。 ( 4 ) 亚阈值区( 弱反型区) ：4u t s b u d s ( b u i s 为m o s 管的击穿电压) 时，称为击穿区，这是 需要避免的区域。亚阈值区特性将在后面二级效应中详细说明。 2 1 2m o s 管的二级效应 至此，在分析m o s 结构和i v 特性时引入了各种简化假设，用的是理想模 型。这一节将介绍后续电路分析中不可缺少的三个二级效应即：m o s 管的衬底 效应、沟道调制效应和亚阈值导通效应。 ( 1 ) 衬底偏置效应( 体效应) 在前面的分析中没有考虑衬底电位对m o s 管性能的影响，假设所有器件的 衬底都与器件的源端相连，即u b s = o ；但在实际的模拟电路中，由于m o s 器件 江苏大学硕士学位论文 制作在同一衬底上，就不可能把所有的m o s 管的源极与公共衬底相连接，即 u b s o ，例如，在实际电路设计中n m o s 管的源极电位有时候就会高于衬底电 位( 仍能保证源极与漏极与衬底之间保持为反偏，使器件正常工作) 。 根据阈值电压的定义及m o s 管的工作原理可知，m o s 管形成沟道必须要先 中和其耗尽层的电荷，当u b s w o s u - m 0 时，器件工作在饱和区，漏极电 流相对恒定，为一常数。但是，随着s 增大，靠近漏极区的耗尽层增大，沟道 有效长度缩短，而沟道区的电压降( u o s 一) 基本不变，因而f d 将随着u d s 的增加而增加。这种现象称为“沟道长度调制效应 。因此，考虑沟道长度调制 效应后的饱和模型应变为： f d ：1 ，a c o x w ( u o s 一) 2 ( 1 + 五) ( 2 1 2 ) 式中五为沟道调制系数，参数a 表示给定的s 增量所引起的沟道长度的相对变 化量。因此，对于较长的沟道，五值较小。考虑到沟道长度调制，g m 的一些表达 式需加以修正，因此，式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 分别被修正为： 形 g 。= “c o x ( 一坼h ) ( 1 + 2 u p s ) ( 2 1 3 ) 9 ( 2 一1 4 ) 江苏大学硕_ 士_ 学位论文 而式( 2 - 1 0 ) 保持不变。 ( 3 ) 亚阈值导通效应 在分析m o s 管特性时候，一直假设：当魄s 下降到低于时器件会突然 关断，实际上，s 时，一个弱反型层仍然存在，并有一些漏一源电流，甚 至当u o s ( 3 - 4 ) 时，忽略e x p ( 一挚) 项，所以： u t 秘似x p ( 急) e x p ( _ ( 2 - 1 6 ) 式中表示m o s 管的宽长比( w l ) ，u 0 8 、u s b 、u m 分别表示栅极、源极、漏 极对衬底的电位；研为温度电压当量( 即k t q ) ，常温下蜥约为2 5m v ；m 为弱 反型区下的斜率因子，它是与衬底偏置调制系数有关的系数；d o 称为特征电流， 表示m o s 管的宽长比为l 以及各电极对衬底电位为零时的漏极电流。 的表达式为： ，d o ：2 m a c o x u t 2 ( 孚) ( 2 1 7 ) 的典型值在2i 认到2 0 0n a 之间。 值得注意的是，由于漏极电流小于特征电流，弱反型下的有效栅一源电压实 际上是一个负值。这也表明，m o s 管工作在弱反型下其栅一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。 弱反型层下m o s 管的跨导可表示为： 驴蒜( 2 - 1 8 ) 1 0 江苏大学硕士学位论文 从上式中可以看到，弱反型层下m o s 管的跨导只依赖于漏极电流。如果在设计 中为达到较好的高频性能，要求m o s 管有较大的跨导，则需增大管子的漏极电 流。然而，若漏极电流增加过大，m o s 器件将脱离弱反型区而进入强反型区。 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，增加器件尺寸将不可避免地增加m o s 管的寄 生电容。 2 1 3m o s 管的小信号模型 利用大信号模型得到静态工作点后，可以利用小信号模型简化计算工作，如 图2 3 所示。小信号模型是工作点附近的大信号模型的近似，可以通过在直流偏 置点栅电压产生的增量，计算由其引起的其他偏置参数的增量，以获得小信号模 型。小信号模型的各项参数都依赖于大信号模型参数和直流变量。 c g t , g b 讲尹 = c g b6 l 二 s 丰c s b i d d b s 图2 3m o s 器件小信号模型 在很多专著和文献中均有m o s 器件的小信号模型分析介绍【2 旧3 1 ，图2 3 列 出了手工设计时的简化等效电路模型。 图中各参数定义如下：栅一衬电容c b b 和源一衬底电容c s b ；c o b 、c c s 、栅一 漏电容c o 。；饱和区跨导g m ：磐：从c o x 了w ( s 一) ；令：。c o x 了w ，g m 砌g s ll 可以表示为： g 。= ( s u ) = 2 历d ( 2 1 9 ) 输出电阻r 0 为： ，o ：士 ( 2 2 0 ) a , i d 在简化的定性分析中，可以使用近似表达式： 江苏大学硕士学位论文 乇= g m u g s ( 2 - 2 1 ) 2 2m o s 管的噪声及其对精度的影响 在电子系统中，噪声是一个重要的问题，因为它限制了任何电子系统的测量、 计算精度以及电子方法能够处理的信号的大小。c m o s 器件中有噪声热噪声、闪 烁噪声( 1 j o 和散粒噪声等，其产生原因各不相同，噪声传播方式也不同。 2 2 1m o s 管的热噪声和等效电路 m o s 管的热噪声主要是由m o s 管的沟道造成的。工作再饱和区的长沟道 m o s 器件的沟道热噪声可以等效为跨接在漏源两端的噪声电流源，如图2 4 ( a ) 所示。 电流功率谱密度为： z - 。2 = 4 k t ? g m ( 2 2 2 ) 其中，k 为波尔兹曼常量，) ，与工 艺有关的系数，约为2 3 。当然， 由于将噪声源等效为跨接在漏一 源的电流源，也可以利用m o s 本 m h 磊 l ( a ) m o s 管热噪声模型( b ) m o s 等效模型 图2 4m o s 管热噪声分析 身的压控电流源特性将噪声化成栅上的电压源，如图2 4 ( b ) 所示，这种转化时 在分析噪声传播时的有效方法。电压噪声源的功率谱密度为： = u ：24 k 研g m ( 2 2 3 ) 从上面的分析还可以得到一个重要结论，即系统的噪声功率和系统信号的输 入位置是无关的。正如将漏源电流源等笑道m o s 管栅端一样，如果需要也可以 将该噪声源等效到电源上或是系统输出端，其效果是相同的。 2 2 2m o s 管的闪烁噪声和等效电路 m o s 管的闪烁噪声主要来源 于m o s 管的栅氧化层与硅衬底接 触面的工艺缺陷和其他原因，其功 率谱密度与频率的倒数成正比。该 噪声可以等效为一串联在栅端的电 压源，如图2 5 ( a ) 所示。 ( a ) m o s 管闪烁噪声模型( b ) 等效模型 图2 5m o s 管闪烁噪声 1 2 mr m上 一 m 一 江苏大学硕士学位论文 u ：= k f c o x w l ( 2 2 4 ) 同样，也可以转化为一个压控电流源： f - 。2 - k ( c o x w lg ：) ( 2 2 5 ) 式中，k 是与工艺相关的系数，厂表示频率值。因此，如果要减小闪烁噪声，只 有增大m o s 管面积。由于闪烁噪声和频率成反比，因此在低频情况下闪烁噪声 值可能很大。作为m o s 器件，噪 声源既有热噪声，又有闪烁噪声， 因此它的噪声谱如图2 6 ( a ) 所示。 图2 6 ( b ) 是将噪声功率谱取对数 后的谱图，其结果是两条直线相交， 更方便计算。转角频率值定义图中 的交叉点，用于度量被闪烁噪声干 扰的最大频带。 2 2 3m o s 管的散粒噪声 ( a ) m o s 管噪声功率( b ) 取对数后的谱图 谱模型 图2 6m o s 管噪声分析 近年来随着微观物理和纳米电子学对散粒噪声研究的不断深入，人们发现散 粒噪声可以很好的表征纳米器件内部电子传输特性。由于宏观电子元器件中也会 有微观或者纳米尺度的结构，例如缺陷、小孔隙和晶粒等，因而也会产生散粒噪 声，并且可能携带内部结构的信息。这使人们对宏观电子元器件中散粒噪声研究 产生了极大兴趣。另一方面，随着器件尺寸的不断缩小，m o s 器件中散粒噪声 成分也越来越显著，已经严重影响器件以及电路的噪声水平，所以必须要了解电 子元器件中散粒噪声的产生机理和特性，以便更好的抑制器件的散粒噪声，实现 器件和电路的低噪声化。 对于短沟道m o s 器件，在室温条件下，散粒噪声被其他类型的噪声所淹没， 一般在实验中很难观察到它的存在。目前国内外对于散粒噪声测试技术的研究取 得了快速的进展，但是普遍存在干扰噪声大、测试仪器价格昂贵等问题，难以实 现普及应用。经过测试，散粒噪声与流过p n 结的直流电流有关。其表达式为： 毒= 2 q i d 6 f ( 2 2 6 ) 其中：是噪声电流的均方值，g 为电子电荷量( g 1 6 1 0 1 9 c ) ，d 是p n 结 江苏大学硕士学位论文 的平均直流电流，厂是带宽，单位为h z 。噪声电流的谱密度为除以每 针对上述噪声对精度的影响，通过使用差分输入级能够抑制或减小输入级噪 声；可以通过增加缓冲级，设计适当尺寸的缓冲级m o s 管，来抵消其它m o s 管产生的噪声，减小系统失调，从而达到提高运放精度的目的。 1 4 江苏大学硕士学位论文 第三章c m o s 运算放大器的性能指标与基本结构 工程实际中，为了满足上述的某些性能，不可避免地要以牺牲其它性能为代 价，来保证c m o s 运放的主要性能指标。事实上，运算放大器各个参数之间相 互制约，相互影响。所以如今的运放设计，从一开始就认识到各个参数之间的折 中关系，这就要求在整体中进行多方面的综合考虑。下面介绍运放的一些性能指 标与结构，以及c m o s 高精度运算放大器的主要性能指标。 3 1 运算放大器 运算放大器是一种具有极高增益的电压放大器。图3 1 给出了运算放大器的 符号。标识为“+ ”和“一”符号的输入端 分别代表同相和反相输入端。坼和巩标识 同相端和反相端对地的电位，表示输出 端对地的电位。 +0 0 1 卜+ m ：堂 一 a 图3 2 理想运放的等效电路 上 陟o o + a 图3 1 运算放人器的符号 3 1 1 理想运算放大器 在理想情况下，运算放大器具 有无限大的差模电压增益、无限 大的输入电阻和零输出电阻。图 3 2 给出了理想运算放大器的等 效电路。图中，是差分输入电 压，即为两个输入端的电压差值 u d = u p u n ( 3 1 ) 爿u 是运算放大器的增益，也叫做无载增益，因为当输出不加负载时有： u o = 彳u = 彳u ( u p u n ) ( 3 - 2 ) 从图3 2 可以看出，理想的运算放大器是一个压控电压源。 3 1 2 非理性运算放大器 图3 3 给出了再理想运算放大器基础上构建的非理想运算放大器模型。首先 加入输入电阻尺l 、输入电容c 1 和输出电阻尺o ，从而引入了负载效应，使得信号 源的输出阻抗和负载的大小对运算放大器的性能都产生影响。其次加入了输入失 调电压u o s ，级运算放大器输出为零时，同相输入端和反相输入端之间的电压差。 压控电压源u p c m r r 用来表示运算放大器的共模抑制比( 锄艘) ，反映运算放 江苏大学硕士学位论文一一 u p j l m 麒u o s t l ： 企入厂、 上 o o 弋刀气5 孑uc 拇 + 一 a ：理想运算放人器 ： 图3 3 理想运算放大器的等效电路 大器的共模电平对输出电压的影响。运算放大器的噪声通过均方电压源“：和均 方电流源毫等效，单位分别是均方伏特和均方安培，因为噪声是通过能量谱计算 出来的，因此没有极性，并且假设噪声之间总是相加的。 虽然图3 2 和图3 3 所示的运算放大器模型有差别，但是在最初的系统设计 时，仍然可以使模型理想化，因为它能将设计者的注意力集中在运算放大器本身。 在实际设计中，可以通过选择电路结构，增加缓冲级等，是实际运放的电压增益、 输入电阻和输出电阻接近于理想情况。 3 2c m o s 运算放大器的基本结构 在理想情况下，运算放大器具有无穷大的差模电压增益、无穷大的输入电阻 和零输出电阻。但是，实际运算放大器的性能只能接近于这些值。多数系统中， 开环电压增益a 。o 1 2 0 0 0 就能满足应用需要。 图3 4 给出单端输出和差动输出两种最简单的结构。图3 5 给出相应的运算 放大器的符号。 (