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低功耗折叠级联运算放大器及带隙基准电路设计与分析

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发布时间: 2025-08-29 10:39:02 阅读量: 14 订阅数: 19 AIGC
# 低功耗折叠级联运算放大器及带隙基准电路设计与分析 ## 1. 带隙基准电路概述 带隙基准电路（BGR）能够产生不受温度、工艺和电源变化影响的直流电流或电压。在BGR电路中，参考电压是通过将正斜率电流（与绝对温度成正比，PTAT）和负斜率电流（与绝对温度互补，CTAT）通过电阻产生的。电流的产生通常以运算放大器为基本模块。这里设计了一种使用低功耗循环折叠级联运算放大器（RFC OTA）的带隙基准电路。 ## 2. 折叠级联运算放大器（FC OTA） ### 2.1 电路结构 传统的折叠级联放大器具有差分输入和单端输出。p沟道MOSFET（pMOS）MP0和MP1构成输入差分对，n沟道MOSFET（nMOS）MN2和MN3形成折叠结构，MN0和MN1是尾电流源，MP2 - MP5构成级联电流镜负载。 ### 2.2 性能参数计算 - 小信号跨导\(Gm = gmp0\)，其中\(gmp0\)是输入MOSFET MP0（或MP1）的跨导。 - 输出电阻\(Rout = gmn3rdsn3(rdsn1rdsp1)gmp3rdsp3rdsp5\)。 - 小信号差分电压增益\(Av = \frac{vout}{vin} = gm1Rout\)。 - 对于负载电容\(CL\)，放大器的主极点位于\(\frac{1}{RoutCL}\)。 - 单位增益带宽\(UGB = \frac{Av}{RoutCL}\)。 - 当在差分输入施加较大信号时，压摆率\(SlewRate = \frac{2IB}{CL}\)。 ### 2.3 折叠结构优势及改进思路 折叠结构使得输入和输出端子短路，并且由于堆叠的MOSFET数量较少，增加了输出摆幅。然而，MN0和MN1的使用仅限于电流吸收器件。为了提高MN0和MN1的利用率，引入了电流回收的概念，以改善放大器的性能。 ## 3. 循环折叠级联运算放大器（RFC OTA） ### 3.1 小信号分析 RFC OTA的基本思想是为小信号电流的流动创建多条路径。将输入MOSFET分为两个，使分支电流从\(IB\)降低到\(\frac{IB}{2}\)。每个空闲尾晶体管（MN0和MN1）按1:K的比例划分，K值选择为3以确保FC和RFC运算放大器的功耗相同。交叉连接确保在小信号分析期间MN2和MN3源极的电流同相相加。 - 小信号短路电流\(isc = gmp0a(1 + K)Vin\)。 - 跨导\(Gm = gmp0a(1 + K)\)，是FC运算放大器跨导的两倍。 - 小信号输出电阻\(Rout = gmn3rdsn3(rdsn1ards p1a)gmp3rdsp3rdsp5\)，由于MN1a和MP1a承载的电流增加，输出电阻增大，从而提高了低频增益，预计增益提高8 - 10 dB。主极点也位于\(\frac{1}{RoutCL}\)，输出电阻的增加使主极点左移，提高了单位增益带宽和共模抑制比（CMRR）。 ### 3.2 大信号分析 在不同的输入信号转换情况下，RFC OTA的电流流动情况不同。其压摆率\(SlewRate = \frac{2KIB}{CL}\)，是FC OTA压摆率的K倍。 ### 3.3 仿真结果 使用SCL 180 nm技术，在Cadence Virtuoso工具中设计了低功耗FC和RFC OTA电路，电源电压为1.8 V，负载电容\(CL\)为0.5 pF，偏置电流为3 µA。 | Devices | FC OTA | RFC OTA | | ---- | ---- | ---- | | MP0/MP1 | 6.3/3 | – | | MP0a/MP0b/MP1a/MP1b | – | 3.2/3 | | MN0/MN1 | 2/3 | – | | MN0a/MN1a | – | 1.5/3 | | MN0b/MN1b | – | 0.5/3 | | MN2/MN3 | 2.2/3 | 2.2/3 | | MP2/MP3 | 3.3/3 | 3.3/3 | | MP4/MP5 | 3.3/3 | 3.3/3 | | MN4/MN5 | – | 1.1/3 | 仿真结果表明： - RFC OTA的开环增益为75 dB，比FC OTA的63.5 dB提高了11.5 dB。 - 单位增益带宽RFC为8.3 MHz，几乎是FC的4.4 MHz的两倍。 - 压摆率RFC为10.3 V/µs，是FC的4.1 V/µs的两倍多。 - 共模抑制比RFC为123.86 dB，比FC的104.9 dB提高了18.96 dB。 此外，还对RFC OTA在不同工艺角（如TT、FF、FS、SF、SS）和不同温度（-40、27和60 °C）下进行了仿真。随着温度升高，放大器的输出电阻增加，跨导减小，导致开环增益和CMRR降低，单位增益带宽减小，3 dB频率增加。 以下是不同温度下RFC OTA在各工艺角的性能参数表： #### -40 °C | Parameters | TT | FF | SS | FS | SF | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | --
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物联网_赵伟杰

物联网专家
12年毕业于人民大学计算机专业，有超过7年工作经验的物联网及硬件开发专家，曾就职于多家知名科技公司，并在其中担任重要技术职位。有丰富的物联网及硬件开发经验，擅长于嵌入式系统设计、传感器技术、无线通信以及智能硬件开发等领域。
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