MEMS地震检波器中低压低功耗放大器的研究与设计

论文摘要

地球物理仪器在矿产勘探中承载着地震数据采集、数据处理、数据解释等作用,地震数据的采集是最为关键和基础的一个环节。因此,担任地震数据采集的地震检波器其各方面性能指标成为了大家持续关注的问题。MEMS无线地震检波器因其分布式无线勘探、高精度数据采集以及体积小等特点,成为常用的地震检波器。但在野外实施地震勘探的时候,对于仪器最大的要求往往就是其稳定性和最大工作时长。所以,降低MEMS地震检波器的功耗、增加工作稳定性是问题的关键。在模拟集成电路中,放大器是基本的构成单元,在很多模拟集成电路系统中也起着至关重要的作用。由此可见,仪器的低功耗设计在很大程度上就是相应放大器的低压低功耗设计,放大器电压和功耗降下来就能够保证仪器在同等供电量的情况下维持更久的工作时间,给野外施工带来巨大的优势。因此,本文设计了三款应用于MEMS地震检波器中的低压低功耗的运算跨导放大器。本文的设计思路为:使用CMOS技术中的衬底驱动技术实现低压,同时使用亚阈值技术实现电路的低电流供电,从而达到运放的低功耗的目的。在使用衬底驱动技术以及亚阈值技术的同时,针对此类运放跨导不足、带宽不够的问题提出了一些创新的电路技术,包括:提出的低压低功耗I型运放采用辅助放大器和正反馈技术,实现了随着CMOS工艺降低衬底驱动电路跨导反而提升的作用,并且这种跨导的提升还是可调节的;设计的低压低功耗的跨导提升II型运放改变了传统衬底驱动电路的输入级,提出了一个新的输入级电路结构,提高了电路的有效跨导;设计的低压低功耗的跨导提升III型运放从新的角度出发,合理有效地利用了MOS管衬底的“背栅效应”,将输入信号同时耦合到输入MOS的栅极和衬底端,有效地提高了电路的跨导,并且这种电路结构十分稳定。通过Cadence仿真软件对设计的三类低压低功耗的运放进行仿真验证和版图设计,最终成功研制一款适用于MEMS地震检波器中低压低功耗的运放芯片,实测结果表明,设计的放大器性能符合要求。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 论文主要工作及结构安排
•     1.3.1 论文主要工作及贡献
•     1.3.2 论文结构安排
• 第2章 CMOS运算跨导放大器的基本原理
•   2.1 MOS管的工作原理
•     2.1.1 MOSFET的结构
•     2.1.2 MOS管的电路符号
•     2.1.3 MOS管的伏安特性
•   2.2 CMOS运放的主要性能参数
•     2.2.1 增益
•     2.2.2 增益带宽积
•     2.2.3 相位裕度
•     2.2.4 建立时间
•     2.2.5 压摆率
•     2.2.6 输出摆幅
•     2.2.7 线性
•     2.2.8 噪声与失调
•     2.2.9 电源抑制比
•     2.2.10 共模抑制比
• 第3章 低压低功耗放大器的设计与仿真
•   3.1 常用的低压低功耗技术
•     3.1.1 辅助放大器技术
•     3.1.2 翻转电压跟随器技术
•     3.1.3 浮动栅技术
•     3.1.4 正反馈技术
•   3.2 低压低功耗的CMOS运放的设计
•     3.2.1 低压低功耗的跨导提升Ⅰ型运放
•     3.2.2 低压低功耗的跨导提升Ⅱ型运放
•     3.2.3 低压低功耗的跨导提升Ⅲ型运放
•   3.3 前仿结果
•     3.3.1 Ⅰ型运放前仿结果
•     3.3.2 Ⅱ型运放前仿结果
•     3.3.3 Ⅲ型运放前仿结果
• 第4章 低压低功耗放大器的版图设计
•   4.1 CMOS版图设计概述
•     4.1.1 MOS管版图
•     4.1.2 版图设计注意事项
•     4.1.3 版图验证工具及流程
•   4.2 三类运放的版图设计
•     4.2.1 Ⅰ型运放的版图
•     4.2.2 Ⅱ型运放的版图
•     4.2.3 Ⅲ型运放的版图
•     4.2.4 芯片完整版图
• 第5章 低压低功耗放大器的实测结果
•   5.1 芯片的封装及实物展示
•   5.2 芯片实测结果
•     5.2.1 测试所需仪器
•     5.2.2 实测结果
• 第6章 总结与展望
•   6.1 研究总结
•   6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 汪永青

导师: 赵晓,张启卯

关键词: 低压低功耗,运算跨导放大器,版图设计,芯片设计

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 中国地质大学(北京)

分类号: P631.436

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.001276

总页数: 76

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