一种低压低功耗两级运放的分析与设计开题报告

1. 研究目的与意义

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。

2. 课题关键问题和重难点

运算放大器是模拟集成电路中最基本的组成部分之一,其性能好坏影响着整个电路系统的性能表现。随着便携式电子产品的逐渐普及,低电压、低功耗运算放大器成为模拟电路领域的一个研究热点。由于较低的电源电压和电源电流会降低运放的动态范围和噪声性能,使得低电压、低功耗系统对运算放大器提出了更高的要求。为了得到最大化的动态范围,需要对传统运放结构进行改进,使运放能够处理负电源轨到正电源轨的电压信号。因此对低功耗轨到轨运算放大器的研究具有重要意义。 运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果,设计一个比较理想的运算放大器，首先是根据所要求的性能指标，来选择适合自己的电路模块，这些模块必须从宏观理论上可以实现性能指标的要求。

难点:

1.输入信号的幅度是多少?为确保因输入信号而产生的错误最小化.微小输入信号需要高精度(例如低偏置电压)的放大器,以确保放大器输出电压范围含盖了所需的放大输出信号范围。

3. 国内外研究现状（文献综述）

运放的低压低功耗设计技术作为一个富有挑战性的研究方向，已经成为微电子领域研究的一个热点，具有重要的理论研究意义和实用价值。尤其是近些年来热受消费者欢迎的便携式电子产品的出现，引起了电子行业界专业人士在低压低功耗方面设计的高度关注。

运算放大器(operational amplifier,简称op、opa、opamp)是一种直流耦合﹐差模(差动模式)输入、通常为单端输出(differential-in, single-ended output)的高增益(gain)电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。一个理想的运算放大器必须具备下列特性:无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。最基本的运算放大器。一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(op_p)、一个负输入端(op_n)和一个输出端(op_o)。通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端(inverting input node)连接，形成一负反馈(negative feedback)组态。原因是运算放大器的电压增益非常大，范围从数百至数万倍不等，使用负反馈方可保证电路的稳定运作。^[1][2]

低压、低功耗模拟集成电路设计受到多种因素的制约。围绕这些制约因素 ,回顾了国内外在模拟集成电路低压、低功耗设计领域的方法和技术的发展现状,主要涉及:轨对轨设计技术、亚阈值工作区技术、阈值电压降低技术、组合晶体管技术、横向bjt技术、soi技术等。分析并比较了各种设计方法的优劣;并对模拟电路低压低功耗设计技术的发展趋势进行了展望 。^[3][4][5]

4. 研究方案

本课题要求在参考国内外研究成果的基础上，根据现有的工艺库文件，结合电路的整体性能，设计一个电源电压为1.5v的低压低功耗运算放大器，研究如何实现低压运放的输入输出电压达到全摆幅，以及如何实现输入级跨导恒定和提高电源利用率。课题设计要求采用cadence仿真工具和csmc 0.5工艺，得到输入输出达到全摆幅的低压低功耗运算放大器。

设计通过下述技术方案实现：

1.运算放大器的模块分析与设计:

5. 工作计划

2022-2022-1学期：

第15-16周：完成选题，查阅相关中英文资料。

第17周：与导师沟通进行课题总体规划。