0.8V低功耗CMOS轨至轨运算放大器设计与性能
本文主要探讨了唐欣、王勇等人基于中芯国际0.18微米CMOS工艺研发的一种新型低电源电压rail-to-rail运算放大器。该设计的目标是在0.8伏的低电压环境下实现高性能运算放大器,特别注重降低静态功耗。 首先,rail-to-rail运算放大器因其能够提供从电源电压下限到上限的完整信号处理范围,具有显著的优势,特别是在低功耗应用中,如个人通信设备、TFT LCD的电压参考缓冲器、无线局域网设备以及采样ADC/DAC中的放大器。它们的特点是动态范围大,适合于各种电压条件下的信号处理。 文章的核心部分是设计了运算放大器的输入级。为了实现rail-to-rail特性,设计者采用了NMOS和PMOS管的互补差分对结构。NMOS管负责正向共模输入,能达到正电源电压,而PMOS管则处理负向共模,能延伸到负电源电压。图1展示了这种基本的rail-to-rail输入级的设计,通过M1和M2的NMOS对以及M3和M4的PMOS对实现了输入电压的全面覆盖。 在输入级的设计中,作者强调了偏置策略,将输入级置于弱反型区,以进一步减少静态功耗。此外,输出级采用甲乙类共源输出级,目的是为了实现全摆幅输出,确保放大器在输出端也能达到rail-to-rail的特性。 在性能指标方面,该运算放大器的直流开环增益达到64分贝,单位增益带宽(GBW)为1兆赫兹,相位裕度为60度,这表明其在信号处理速度和稳定性上表现出色。令人关注的是,尽管追求高效率,该放大器的功耗控制在了极低的水平,仅为0.88毫瓦,这对于低功耗应用来说是一个重要的突破。 这篇论文详细介绍了如何利用先进的CMOS工艺设计出能在低电源电压下实现rail-to-rail特性的运算放大器,旨在为电子设备的低功耗设计提供一个创新的解决方案。通过优化输入级和输出级结构,以及考虑功耗控制,该研究对于推动CMOS技术在低功耗电子系统中的应用具有重要意义。
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