关于高精度轨至轨输入输出运算放大器的设计与研究.pdf

简介：
本文档探讨了高精度轨至轨输入输出运算放大器的设计原理及优化策略，旨在提升其在各种电子应用中的性能表现。 运算放大器是一种广泛应用在模拟电路中的基础元件，它具备高增益及电压控制电压的特点。随着技术的进步，在CMOS工艺下器件尺寸逐渐缩小，导致工作电压随之降低，这使得运算放大器所能处理的最大信号幅度减小且信噪比下降。为了适应一些特殊的应用场景，如输入电压变化范围大的跟随器电路等需求，运算放大器需要具备轨到轨（rail-to-rail）的输入输出特性——即其输入和输出电压能够从一个供电端口接近至另一个供电端口。 然而传统的运算放大器通常难以同时满足轨到轨特性和高精度的要求。因此研究开发高性能、具有轨到轨功能的运算放大器显得尤为重要。 本段落的研究重点在于提升运算放大器的轨到轨性能，同时保持其高精度特性。通过对CMOS与BJT（双极型晶体管）器件噪声及失配情况分析发现：在低噪音和较低失配方面，BJT具有优势。论文深入探讨了运放信号参数、小信号模型设计以及PVT稳定性等问题，并提供了通用架构及其优化方法。 为了实现轨到轨输入输出特性，文中详细阐述了几种不同的技术方案包括交叉导通法、1倍电流镜技术和恒定跨导的溢出电流补偿等。同时介绍了AB类输出级的设计策略。在偏置电路设计中采用不对称BJT结构产生正温度系数电流以确保增益带宽随温度变化保持稳定；输入部分使用两对互补差分放大器来实现轨到轨共模电压，并通过1倍电流镜方法维持恒定跨导特性；增益级则运用折叠式共基-共射管架构，利用电流叠加技术完成从差分信号向单端输出的转换。此外还设计了AB类输出电路以支持单端输入/输出模式。 当运算放大器发生短路情况时，其内部结构能够提供限流保护机制；另外通过优化电压钳位拓扑可以显著降低失调电压并提高共模抑制比。基于国内某研究所提供的WC40S双极工艺，在Cadence Spectre仿真平台上完成了对轨到轨运放的各项性能测试验证。 最终设计的高精度运算放大器具备广泛的适用性，能够满足宽输出范围传感器应用、缓冲器等需求；同时适用于便携式通信设备及电源控制与保护等领域。版图完成后，四通道芯片尺寸为1.68mm x 3.16mm。 关键词：放大器、轨到轨输入特性、轨到轨输出功能、高精度设计 本段落通过系统的方法和实践案例展示了高性能运算放大器的研究进展，并推动了此类器件在实际应用中的进一步发展。