本文档属于类型a，即报告了一项原创研究。以下是对该研究的学术报告：

主要作者与机构

本研究由邓鸿添、蔡佳奎、徐铫峰、金豫浙共同完成，他们均来自扬州大学广陵学院机械电子工程系。该研究发表于《中国集成电路》（China Integrated Circuit）杂志2024年7月刊（总第302期）。

学术背景

本研究的主要科学领域为模拟集成电路设计，特别是高性能CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）运算放大器的设计。运算放大器是模拟集成电路中最重要的模块之一，广泛应用于ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）、DAC（Digital-to-Analog Converter，数模转换器）和LDO（Low Dropout Regulator，低压差线性稳压器）等电路中。随着人工智能、电子通信和汽车等领域的迅速发展，对电路速度和精度的要求越来越高。然而，高精度和高速度通常难以同时实现，因为它们对电路设计的要求相互制约。本研究旨在设计一款高性能的二级运算放大器，通过优化电路结构实现高增益、高带宽和高压摆率（Slew Rate，压摆率）的目标。

研究流程

本研究分为以下几个步骤：

1. 输入级设计
   输入级采用PMOS差分对输入的折叠式共源共栅结构（Folded-Cascode Structure，折叠式共源共栅结构）。这种结构具有较高的输入共模电压范围和较大的输入电压摆幅。设计过程中，通过密勒补偿电容（Miller Compensation Capacitor，密勒补偿电容）和偏置电流的优化，确保压摆率大于30V/μs，单位增益带宽（Gain Bandwidth，单位增益带宽）大于70MHz。输入级的增益通过共源共栅结构实现，增益表达式为：
   ( A{v1} = g{m1} \cdot (g{m7} \cdot r{o5} \cdot r{o7} \parallel g{m9} \cdot r{o9} \cdot r{o1} \parallel r{o11}) )
   其中，( g{m} )为跨导，( r_{o} )为输出电阻。

2. 输出级设计
   输出级采用共源级结构（Common-Source Structure，共源级结构），与输入级级联实现双端输入单端输出。输出级的差模增益表达式为：
   ( A{v2} = g{m12} \cdot (r{o12} \parallel r{o13}) )
   通过密勒补偿电容和调零电阻（Zero-Resistor，调零电阻）的优化，确保相位裕度（Phase Margin，相位裕度）达到60°以上，从而保证系统的频率稳定性。

3. 带隙基准设计
   带隙基准源（Bandgap Reference，带隙基准源）为电路提供稳定的偏置电流。本研究采用Banba带隙基准结构，通过调节电阻大小和比例，生成与电源电压无关的PTAT（Proportional To Absolute Temperature，与绝对温度成正比）电流。带隙基准源中的运放采用两级结构，确保高增益和低功耗。

4. 电流镜设计
   电流镜（Current Mirror，电流镜）用于将基准电流复制到电路的各个模块，提供稳定的电流偏置。本研究采用低压共源共栅电流镜（Low-Voltage Cascode Current Mirror，低压共源共栅电流镜），确保电流复制的精度和抗干扰能力。

5. 电路版图设计与仿真
   基于0.18μm标准CMOS工艺，使用Aether软件进行电路版图设计和仿真。仿真结果表明，该运算放大器在1.8V工作电压下，静态功耗为1.37mW，开环直流增益为117.36dB，相位裕度为77.73°，单位增益带宽为100.4MHz（负载电容为2pF），压摆率为51.24V/μs，共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio，共模抑制比）为109.41dB，负电源抑制比（Negative Power Supply Rejection Ratio，负电源抑制比）为123.58dB。

主要结果

1. 输入级性能
   输入级的设计实现了较大的输入共模电压范围和较高的增益，压摆率达到了51.24V/μs，单位增益带宽为100.4MHz。

2. 输出级性能
   输出级的设计确保了轨到轨输出（Rail-to-Rail Output，轨到轨输出），并通过密勒补偿和调零电阻优化了相位裕度，达到了77.73°。

3. 带隙基准与电流镜性能
   带隙基准源和电流镜的设计为电路提供了稳定的偏置电流，确保了电路的稳定性和低功耗。

4. 整体电路性能
   仿真结果表明，该运算放大器具有高增益、高带宽、高压摆率和良好的频率稳定性，整体性能优于相关文献中的同类设计。

结论

本研究设计了一款高性能的二级CMOS运算放大器，通过优化输入级和输出级的结构，实现了高增益、高带宽和高压摆率的目标。带隙基准源和电流镜的设计为电路提供了稳定的偏置电流，确保了电路的稳定性和低功耗。仿真结果表明，该运算放大器在多项性能参数上具有明显优势，适用于高精度和高速度的模拟集成电路应用。

研究亮点

1. 高性能电路设计
   本研究通过折叠式共源共栅结构和密勒补偿技术，实现了高增益和高带宽的优化，同时通过调零电阻改善了相位裕度。

2. 稳定的偏置设计
   带隙基准源和低压共源共栅电流镜的设计为电路提供了稳定的偏置电流，确保了电路的稳定性和低功耗。

3. 仿真验证
   基于0.18μm标准CMOS工艺的仿真验证表明，该运算放大器在多项性能参数上优于相关文献中的同类设计，具有较高的应用价值。

其他有价值的内容

本研究的版图设计采用了对称排版的方式，有效降低了连线长度，减少了器件的失配，版图总面积为180μm×253.5μm。后仿结果表明，尽管部分信号线的寄生电容影响了单位增益带宽和压摆率，但整体性能仍符合预期设计要求。