高增益跨导运算放大器的设计及在滤波器中应用

论文摘要

随着电子技术的迅速发展，低功耗，高性能已成为电子产品尤其是便携式电子产品的竞争指标，跨导运算放大器（OTA）作为一个通用模块被广泛应用于驱动大电容负载电路，如振荡器，数据采样系统，以及LDO，DC-DC中的误差放大器。这些系统中的应用要求OTA设计时应该具有较低的静态功耗和合理的高速响应。然而，经典结构的放大器，由于其尾电流固定，难以兼顾满足静态下的低功耗高增益和大信号下的高速驱动的要求，低功耗和高速的要求是矛盾的。所以设计具有高增益，低功耗，大摆率的跨导运算放大器成为了集成电路的关键技术领域。本文系统地归纳总结了国内外跨导运算放大器研究现状和发展动态，详细介绍MOS管集成电路原理，跨导运算放大器OTA电路的基本工作原理，通过经典OTA电路模型的电路结构，根据自适应尾电流技术和电流镜分流技术设计了一种新型的OTA跨导运算放大器。本设计采用无锡华润上华公司0.5umDPTM混合信号工艺进行设计。电路中共模电平选用1.2V，负载电容CL选用30pF。绘制出新型OTA电路图，通过HSPICE对经典OTA电路和改进型OTA电路进行仿真对比，仿真结果显示改进型OTA电路低频增益62.4dB,低频带宽1.623MHZ,大信号摆率22.1V/us,版图面积为0.03mm2。同时兼顾了静态低功耗和动态快速响应的性能要求。本文后半部分是将设计的新型OTA电路应用到OTA-C滤波器设计中，根据经典的全集成OTA-C有源滤波器的设计方法，分别基于信号流程图法和级联法设计出来二阶低通滤波器和五阶低通滤波器，嵌入所设计的OTA跨导运算放大器,通过PSPICE仿真验证，设计方案正确。提出了一种可实现任意阶全集成滤波器设计方法，嵌入所设计的OTA跨导运算放大器，绘制出四阶带通滤波电路图，并进行PSPICE仿真验证，仿真结果显示滤波器各性能指标达到设计要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题的意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 MOS 管模拟集成电路基础
• 2.1 MOS 晶体管的基本结构
• 2.2 MOS 管的 I/V 特性
• 2.2.1 线性区（三级管区）
• 2.2.2 深三级管区
• 2.2.3 饱和区
• 2.3 MOS 管的小信号工作原理
• 2.4 MOS 基本电流镜
• 2.5 本章小结
• 第3章 跨导运算放大器及应用
• 3.1 概述
• 3.2 OTA 的基本概念
• 3.3 跨导运算放大器的基本应用电路研究
• 3.3.1 加法器
• 3.3.2 积分器
• 3.3.3 模拟电阻
• 3.4 本章小结
• 第4章 一种新型高性能跨导运算放大器
• 4.1 概述
• 4.2 设计的 OTA 跨导运算放大器及原理图
• 4.2.1 经典的 OTA 电路结构
• 4.2.2 设计的 OTA 电路
• 4.3 电路关键设计参数计算
• 4.3.1 完整的电路设计原理图
• 4.3.2 工艺参数计算
• 4.3.3 电路关键参数计算
• 4.3.4 参数计算值列表
• 4.4 电路参数优化及仿真结果（tt 工艺角下）
• 4.4.1 静态及交流小信号仿真结果
• 4.4.2 大信号摆率仿真结果
• 4.4.3 电源抑制比仿真结果
• 4.4.4 共模输入范围仿真结果
• 4.5 参数修调，仿真结果及性能小结
• 4.5.1 电路修调后电路原理图
• 4.5.2 电路修调后仿真电路图
• 4.5.3 电路优化后参数列表
• 4.5.4 芯片所需 PAD 定义
• 4.5.5 电阻修调范围
• 4.5.6 各工艺角下电路仿真性能列表
• 4.5.7 与经典 OTA 性能对比列表
• 4.6 版图布局及验证
• 4.6.1 芯片内核版图布局
• 4.6.2 加 PAD 后总体布局
• 4.6.3 最终版图
• 4.6.4 DRC 验证
• 4.6.5 LVS 验证
• 4.7 本章小结
• 第5章 全集成连续时间 OTA-C 有源滤波器设计
• 5.1 OTA-C 有源滤波器的性能特点
• 5.2 二阶 OTA-C 滤波器的设计
• 5.2.1 二阶函数的概念
• 5.2.2 信号流程图法设计二阶滤波器
• 5.3 高阶 OTA-C 有源滤波器的设计
• 5.3.1 级联法
• 5.4 一种新型的 OTA-C 滤波器综合设计方法
• 5.4.1 算法及电路结构
• 5.4.2 一阶、二阶低通滤波器的综合
• 5.4.3 实例与仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果