低噪声cmos运算放大器的研究与设计.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 低噪声CMOS运算放大器的研究与设计 姓名：詹昶 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：邹雪城 20070527 摘 要 CMOS 运算放大器是模拟集成电路中最重要的模块之一然而 MOS 晶体管会给 电路带来噪声，特别是随着 MOS 晶体管尺寸的减小和信号幅度的降低，电路的低频 噪声特性变得越来越重要 本论文主要研究了各种经典结构运算放大器电路的噪声特性，以及降低噪声的方 法并且研究了如何在运算放大器的噪声、功耗、电压余度和速度等性能参数之间进 行折衷本文的研究角度是：首先从分析运算放大器电路中主要的噪声来源入手，然 后结合基本的噪声理论对电路中相应的元件参数进行设计，并且在运算放大器的各项 指标要求下再对某些元件的参数进行调整 最后，本文以设计一个应用于 Sigma-Delta ADC 的调制器中的全差分运算放大器 为例子，先通过 Simulink 建模提取运放的参数，然后通过细致的手工计算得到选定结 构的运放的各个元件参数，接下来在参数验证的过程中对运算放大器的噪声特性进行 优化其中，对闪烁噪声的降低是设计的重点根据对所选用的运算放大器的闪烁噪 声谱密度表达式的分析，提出了通过建立多元函数求极值的方案，使得在尽可能小的 版图面积内使运算放大器的性能符合设计指标。

本文的研究基于“和舰 0.18 μm”的工艺，使用 HSpice 工具进行仿真，仿真结果显 示，研究设计基本获得成功 关键词关键词： 运算放大器，热噪声，闪烁噪声，谱密度，输入参考噪声电压 I Abstract CMOS Operational Amplifier (op-amp) is one of the most useful components in analog integrated circuits. But the MOS transistors are “noisy”, moreover, as MOS device sizes and signal levels are aggressively scaled down, the low frequency noise (LFN) properties become increasingly important. In this dissertation, the main research is about how to decrease the noise in op-amp with classic topology and how to make tradeoff between noise and other characters such as power and speed. It starts from seeking the dominating noise sources in op-amps, then adjusts the parameters of relevant components according to the primary theory of noise, and makes tradeoff between noise and other characters. The design of a full differencial op-amp, which is used in the modulator of a Sigma-Delta ADC, is given as an example in the end. The parameters of the op-amp are obtained by simulating in Simulink environment, and then they are transformed into actual components artificially, the optimization of the noise character is carried out by validation in the end. The decrease of flicker noise is studied as an emphasis of the design. A multivariate function is created according to the expression of the spectrum density of the 1/f noise. Then both a satisfied design of the op-amp and the minimum of the pie area could be achieved by calculating the extreme point of the multivariate fuction. The research is validated by simulating with HSpice based on the C 0.18 μm process, and the simulation results have proved the success of the design. Keywords: Operational Amplifier Thermal Noise Flicker Noise Spectral Density Equivalent Input Noise Voltage II 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保 密□，在______年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密□ (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名： 指导教师签名： 2007 年 月 日 年 月 日 1 绪 论 众所周知运算放大器是模拟集成电路中最重要的模块之一模拟电路中对小信号 的处理无处不在，电压比较器，A/D、D/A转换器，开关电容电路，误差放大器，带 隙基准中反馈回路的构成等应用中都有用到运算放大器的地方，这也使得运算放大器 成为应用最为广泛的电路单元，因此运算放大器常常被称作模拟电路中的“积木”[1]。

1.1 课题研究背景及意义 在三极管时代，对于运算放大器性能的研究主要集中在降低功耗、降低电源电压 和减小版图面积等方面，噪声并不是影响运算放大器性能的主要指标随着MOS晶体 管的诞生以及CMOS工艺的发展，低功耗、低电源电压和高集成度已经成为CMOS工 艺的一个主要特点， 然而MOS晶体管会给电路带来很大的噪声， 特别是随着MOS晶体 管尺寸的减小和信号幅度的降低，芯片的发热量对电路的影响将变得更大，而且更为 严重的是MOS器件的闪烁噪声随着栅极长度的减小会大大增加因此，在很多应用领 域降低噪声都成为设计运放的主要指标之一例如，比如在光电探测领域和光纤通讯 领域中，光敏探测器的输出信号可能只有几十毫伏甚至低至几毫伏，在系统A/D转换 器、专业音频系统和精确医疗诊断系统中，降低电路的低频噪声显得尤为重要[2]为 了使输出信号有足够的精度，应用于这些环境中的集成电路必须具有非常低的噪声才 行，因此这对处理小信号的运算放大器提出了很高的噪声要求 国外关于 CMOS 工艺下噪声的研究很多都是针对 MOS 器件的噪声模型展开的深 入的研究，关于具体电路设计中的噪声研究很少国内的很多关于运算放大器噪声的 研究都是基于某种特定的应用场合下的研究，而且这样的研究大多更关注于和运算放 大器相连的外部器件的影响，对于运算放大器自身的噪声影响则以设定值代入进行计 算。

本课题的研究目的在于如何在设计运算放大器的过程中降低其自身的噪声因 此，本文首先针对几种最常用的拓扑结构的运算放大器进行了噪声研究，通过它们的 1 噪声特性表达式指出了适用的场合，并总结了相应的降低噪声的办法；然后本文在一 个典型的对噪声要求很高的系统应用环境中举例说明了低噪声运算放大器的设计方 法，以及在运算放大器其他性能参数之间的折衷尤其是在减小版图面积方面，本文 提出了一种全新的优化方案，对设计低噪声运算放大器来说非常实用 1.2 运算放大器中存在的噪声类型 1.2.1 热噪声 热噪声是由导体内部载流子(电子或空穴)的随机运动产生的，因此热噪声是与绝 对温度成正比的白噪声，它存在于所有无源电阻型材料中 电阻热噪声电阻热噪声 电阻中的热噪声可以等效为一个与理想电阻串联的电压噪声源，也可以等效为一 个与理想电阻并联的电流噪声源，如图 1-1 所示，电压噪声源和电流噪声源的单边谱 密度分别为 2 n V 2 n I (a) (b) 图图 1-1 电阻的热噪声模型 (a)噪声电压源模型 (b)噪声电流源模型 kTRVn4 2 = (1-1) R kTIn 1 4 2 = (1-2) 式中是玻尔兹曼常数，T 是绝对温度，R 为电阻阻值。

K/J1038 . 1 23− ×=k 2 n V单位是 ，Hz/V2 2 n I的单位是式(1-1)和(1-2)分别表示在1 Hz带宽内的噪声功率电压 均方值和电流均方值 Hz/A2 因为噪声是一个随机量，因此图1-1中使用的电压源的极性是不重要的不过， 一旦选定极性，在整个电路分析中都必须保持不便，以便得到一致的结果[3] 2 MOS 晶体管热噪声晶体管热噪声 MOS晶体管中最大的热噪声源是在沟道中产生的对于工作在饱和区的长沟道 MOS器件的沟道噪声可以用一个连接在漏源两端的电流源来模拟[4]，如图1-2所示， 其谱密度为 2 n I 图图 1-2 MOSFET 的热噪声模型 mn gkTIγ4 2 = (1-3) 其中的系数γ(和体效应系数不同)：对于长沟道晶体管可由推导得到，等于2/3；而对 于亚微米MOS晶体管，γ可能需要一个更大的值来代替[5] MOS晶体管的欧姆区也有热噪声例如，栅、源和漏的材料都有一定的电阻值， 因此会产生噪声然而，这些噪声可以通过合理的版图布局来减小其对电路性能的影 响 1.2.2 闪烁噪声 闪烁噪声存在于一切有源器件中，产生的机理各有不同。

与热噪声不同，闪烁噪 声的平均功率不容易预测[3]由于闪烁噪声产生在MOS晶体管的栅氧化层和硅衬底的 界面处，闪烁噪声可以更容易的用一个与栅极串联的电压源来模拟，如图1-3所示， 其近似均方值为 2 n V 图图 1-3 MOSFET 的闪烁噪声模型 fWLC K V OX n 1 2 = (1-4) 式中K为一个与工艺有关的常数，数量级为；CFV10 225− OX为单位面积的栅氧化层电 3 容，其取值与氧化层厚度tOX成反比，数量级为；WL为器件的面积由(1-4)可 以直观的看出，闪烁噪声的谱密度与频率成反比，也就是说在低频时闪烁噪声的功率 更高因此，闪烁噪声常常又被称作噪声 2 mfF/μ f/1 从式(1-4)中还可以看出，减小闪烁噪声的方法就是增加器件的面积，但是增加器 件面积又会增加器件的寄生电容，因此必须在二者之间进行折衷，。