1. 研究目的与意义
随着现代科技越来越深入我们的生活，便携式电子产品如手机，笔记本电脑等已经成为人们消费的主流。作为便携式设备，其续航性自然成为人们关注的重点。为了延长所用电池的寿命，IC产品不断朝着低压低功耗的方向发展，同时为了提高集成度，降低成本，晶体管的尺寸也在不断的降低。所有这些使得电源电压变的越来越低，而晶体管的闭值电压却并没有发生变化，结果就是对模数混合信号系统中的模拟电路设计提出了极大的挑战。
其中运算放大器是模拟电路设计中用途最广最重要的部件，大量的具有不同复杂程度的运放被用来实现各种功能，从直流偏置的产生到高速放大或滤波，不一而足，可以说应用广泛。所以论及设计低压低功耗的模拟电路设计，一种低压低功耗的运放设计是相当重要的。
2. 课题关键问题和重难点
运算放大器作为大多数模拟系统中最基本的模块，必须要在低压情况下具有高增益和宽带宽，也就是说，不仅是要实现运放的低压低功耗，还要保证运放的性能不致因此受影响。这次设计的关键问题以及难点就是在设计低压低功耗运放的过程中，必须考虑电路主要性能的实现。因为供压的下降必将影响电路的性能，只是实现低压低功耗而不实现良好的性能显然是不可取的。
为了提高增益，传统的共源共栅结构由于其摆幅的降低已不再适合低压设计，这样只能通过增加级联的增益级数目来达到高增益目的，因此这里采用了两级运放来提高增益。但是由于出现了两个极点，也使得两级运放面临环路稳定性问题。基于米勒补偿方法，采用有源反馈频率补偿方法不仅可以保证环路的稳定性，而且因此出现一个左半平面零点，增加了相位裕度，降低了补偿电容尺寸，达到了拓宽带宽的目的，也提高了转换速率。当然，除此以外，也可以设计具有恒定跨导和输出电流Rail-to-Rail输入级，这样就保证在整个共模输入范围内，增益，带宽和转换速率是恒定的，同时也降低了补偿的难度。相对于内部米勒补偿方法，该方法只需输出跨导和输入跨导处于同一个数量级即可，大大保证了稳定性。
3. 国内外研究现状（文献综述）
对于模拟电路，由于噪声和失调的限制不能使用最小尺寸器件，因此对于特征尺寸的缩小受益很少，此外，电源电压的降低迫使模拟电路单元在动态范围和电路速度等方面的性能大大降低，因而使得电路设计更加复杂化。运放是模拟电路最重要的电路单元，广泛应用于许多混合信号处理电路，因此低压低功耗运放的结构设计就成为设计低功耗模拟系统最基本的工作，特别是在SOC的模拟电路中。由于晶体管的阈值电压并不随着特征尺寸的减小而线性减小，所以在低电源电压环境下，CMOS运算放大器的输入输出信号的动态范围大大减小，为了提高低压低功耗运放的性能，增大输入输出信号的动态范围，最好能达到整个电源电压范围，即轨到轨，必须对运放的差分输入级和输出级进行改进设计。
在低压低功耗运放的研究中，设计恒跨导的R2R输入级是国内外一个曾经的热门研究方向，其中一些恒跨导实现方法，如基于电流的一倍电流镜法，三倍电流镜法，其原理就是在整个共模电压范围内，通过控制互补输入差分对工作时的尾电流来实现跨导恒定，以及对于基于电压的二级管跨导控制，电子齐纳管跨导控制，通过控制互补输入差分对工作时的栅源电压来实现跨导恒定。同时，国内有在对这些方法进行了研究后经过改进的相关设计，即输入级由带电压补偿差分对跨导控制电路的互补输入差分来实现，并由两个低压共源共栅电流镜完成差分输入到单端输出的转换。这种方法具有面积小，噪声低的优点。同时，其输出级采用带有前馈AB类控制的推挽输出电路来实现，这样可以显著提高电源效率和减小失真，使输出电压摆幅基本上达到了R2R，此方法还改进了传统的基于运放的基准源设计，采用了独立于电源电压的自举基准，给运放提供稳定的基准电流和基准电压，并采用密勒补偿技术对运放进行了频率补偿。经过测试，这样的方法完全满足了设计要求。
近些年来，由于国外具有先进半导体制造业和雄厚的技术基础，推出了性能极佳的运算放大器。尤其是美国国家半导体公司采用自己专有的全新VIP50工艺技术，成功的开发了在准确度，功耗及电压噪音等方面都有大幅度改善的运算放大器，预计这些最新开发的芯片在满足工业应用，医疗设备及汽车电子系统等产品市场需求方面没有任何问题。这几款芯片除了在上述几方面有大幅改进之外，所采用的封装也极为小巧，因此也很适合便携式电子产品采用。以12MHz单位增益带宽的LMV651放大器为例来说，这款放大器比采用了SOT及SC70封装技术的主要竞争产品节省多达90%的用电，其他的产品也各有自己的优点。相对于国外运放的研究程度，国内研究还有很大的追赶空间。由于没有先进半导体制造工艺提供研究平台，再加上国内微电子起步较晚，技术力量比较单薄，而CMOS低压低功耗特别是微功耗运放的研发方面才刚刚开始，结果就是国内在放大器设计方面做的还不够理想。不过，在政府的大力支持下，再借助于国外的成功经验，相信国内的运放设计水平会很快赶上世界先进水平。
4. 研究方案
基于现有的工艺库文件，结合电路的整体性能，设计一个电源电压为2.5的低压低功耗两级运算放大器，研究如何采用不同的电路结构来实现低压两级运放的输入输出达到全摆幅，以及如何实现输入级跨导稳定和提高电源利用率，最终利用speetre仿真工具来进行全仿真，检验设计效果。
以下为设计指标：
电源电压=2.5V
5. 工作计划
第1周---第3周：认真研究课题的背景与意义，并通过网络与图书馆查阅相关资料，对运放的发展应用及国内外研究现状做调研。同时，提出初步的方案，对课题研究全过程进行安排，在第三周底之前完成开题报告。
第4周---第5周：大量查阅相关资料，复习运放理论设计的基础知识，同时了解运放各种性能指标和基本的结构框架。在此基础之上对运放的偏置电路，Rail-to-Rail输入级电路，增益级和各种输出级电路进行详细的分析与设计，通过对比各种设计结构，最终完成本次设计的电路结构。并在第五周末接受中期检查。
第6周---第11周：对运放的整体电路进行幅频特性分析，从运放的小信号等效电路到传输函数计算，再到电路的稳定性和频率补偿进行详细的分析。然后根据三阶butterworth多项式，设计运放的各个参数，用仿真软件进行仿真，检验设计成果，分析实验数据。
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