高速低功耗放大器设计文献综述

 2022-10-28 10:10

文献综述(或调研报告):

如今,集成电路工艺尺寸已经发展至90nm、60nm、28nm等,芯片的集成度不断提高,芯片的速度、功耗却逐渐成为IC设计中的重要指标[1]。这些因素直接影响着芯片的实际工作性能及可靠性。所以,在IC设计过程中,提高芯片的速度、降低芯片的功耗已经成为最突出的问题。

而运算放大器是模拟电路中最重要的模块之一,作为线性单元电路,被广泛应用与SoC中,很大程度上决定了系统的精度和速度性能。各种机构与复杂性各异的运放也可以被用来实现各种各样的功能[2]:从产生偏置到滤波或放大。

放大器种类繁多,性能多变,常见的运算放大器主要有以下几种经典结构:

1)二级运放,作为最经典的结构广泛应用于各种电路各种应用中,各种优化和频率补偿理论[3]都已经趋于成熟。五管差分对作为第一级,第二级一般采用单管CS放大和恒流源负载来提高增益。然而它的缺点也很明显,所能达到的性能指标也不高,包括共模输入范围受限,增益不高,带负载能力差和摆率低大信号响应速度慢等,还需要加入一些复杂的改进结构或者第三级如CD结构来提高它的带负载能力;

2)套筒式运放[4],灵活运用了Cascode结构[5],使输出阻抗倍增从而显著提高单级放大电路增益。缺点也很明显,由于单支路串联的晶体管比较多,所以导致输入输出摆幅比较小。在工艺越来越先进,电源电压不断降低的今天,过小的输出摆幅成为限制套筒式应用的主要原因;

3)折叠式共源共栅放大器[6]。通过将差分对分离出形成另外一个支路,来提高输入输出共模范围,但与此同时带来的问题是,支路数增加导致功耗会略有增加;有些研究对此设计做出了改进,使其实现轨到轨[7]输入共模范围。

4)电流镜运放。通过电流镜比例传输注入差分对的电流到输出支路,差分对输入电压,输出电流,又被称为跨导放大器[8](OTA:Operational Transconductance Amplifier)。主极点位于输出点,理论上来说,大负载不会影响整体系统的稳定性。具有静态功耗低,带负载能力强等优点,可以作缓冲器在电路中使用。并且有相对于套筒式运放和折叠式共源共栅运放小的输出阻抗。基于以上优点,选取电流镜放大器为主要应用和研究的放大器类型。

根据电路理论[9],运放开环增益AV决定了模拟信号处理的精度、环路单位增益带宽GBW决定了交流小信号条件下的动态响应速度、电压摆率SR决定了大信号下瞬态响应的速度,小信号与大信号响应特性的配合共同决定了信号瞬态下的建立保持时间。

传统放大器的一些参数彼此之间互相牵制,例如功耗和摆幅、输入/输出阻抗和增益、线性和速率,在此研究方案内主要考虑功耗与速度之间的矛盾[10]。在低功耗的限制下,静态电流要小,提高电路的动态性能,考虑使用Class AB结构[11]在不提高静态功耗的前提下大幅提升电路的交流特性,主要针对单位增益带宽和摆率进行优化。

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