0.18μm CMOS工艺的低功耗轨对轨运放设计与仿真

本文主要探讨了在现代电子设备中，特别是在便携式电子产品中广泛应用的低功耗轨对轨运算放大器的设计与优化。基于SMIC 0.18m CMOS混合信号工艺，研究人员设计了一种新型运算放大器，其核心目标是在低电压（3.3V）环境下实现高效的模拟信号处理。 首先，文章介绍了引言部分，强调了在低电压环境中，为了提升便携设备的性能，如信噪比、宽广的输入共模电压范围以及更大动态输出能力，轨对轨运放的必要性。传统的运放设计在输入端实现轨对轨较为复杂，通常需要采用折叠式共源共栅结构，通过电流控制技术来确保输入信号可以覆盖电源电压范围。 本文的核心部分详细阐述了输入级的设计。采用了电流控制的三倍电流镜方法，通过这样的结构，输入级的跨导在整个输入共模电压范围内保持恒定，这有助于提高共模抑制比，减少失真，并简化后续的频率补偿工作。恒跨导的设计显著提升了运放的线性性能，同时降低了电路的功耗，减少了对芯片面积的需求。 输出级则采用浮动电流源控制的前馈甲乙类输出级，这一设计有效地解决了将轨对轨输入级与求和电路和输出级连接时可能带来的问题，提升了放大器的增益稳定性，确保输出管的静态电流不受电源电压和输入共模电压变化的影响，进一步降低了功耗。 仿真方面，作者使用Spectre仿真器对运放的多种性能参数进行了详尽的评估，包括直流开环增益高达99dB，单位增益带宽达到3.2MHz，相位裕度为59°，即使在10pF负载电容下也能保持良好的稳定性。此外，整个放大器的功耗控制在极低水平，仅为0.55mW，充分体现了设计的低功耗特性。 这篇文章深入剖析了在模拟技术领域中如何通过精心设计的轨对轨运算放大器，结合先进的CMOS工艺，实现高性能、低功耗的信号处理解决方案，对于电子设计工程师理解和应用此类技术具有重要意义。