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西北工业大学本科毕业设计开题报告 专业：微电子学 班级：RJ020902 姓名 孙国栋 学号 2009303597 指导教师 魏廷存 报 告 题 目 高性能低噪声运算放大器设计 题目来源（划√） 科研R 生产□ 实验室□ 其 他□ 论文类型（划√） 工程设计类R 实验研究类□ 软件开发类 其 他 □ 报 告 日 期 2013 年 3月 8 日 报告地点 西工大高科工程园6号楼109 课题背景 正电子发射断层（Positron Emission Tomography，简称为PET）成像[1, 2]是一种无创的能够再现体内生物分布的分子成像技术。它代表了现代生物医学成像的最尖端技术，在全身肿瘤和心脏等疾病的早期诊断和治疗方面有巨大的临床应用价值。 PET成像中辐射探测器的前端电子系统的性能将直接影响PET最终获得图像的质量。这是因为前端信号读出处理电路直接处理来自探测器模块的微弱电信号，要检测这样的信号需要低噪声的前端读出电路。因此，研究低噪声前端微弱信号读出电路对提升整个PET系统的性能非常必要。 随着CMOS工艺的不断发展，器件尺寸不断减小，电源电压不断降低，集成电路体现出低电压、高集成度的特点。但是，MOS晶体管自身存在很大的噪声，并且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成为衡量运放性能的主要指标之一。 文献[3]主要介绍了在医学神经领域测量微弱神经信号的放大器设计，在神经信号测量中，电极的刺激会使输出产生较大的失调电压（Offset Voltage），所以CMRR指标在该系统中非常重要，表征了对输入共模噪声的抑制能力。文中的设计采用了三级结构，分别为Gm-C前置放大级、带通滤波器（BPF）和电平转换级。Gm-C结构补偿比密勒补偿更加稳定；BPF可以过滤目标信号之外的噪声信号，达到低噪的要求；为了驱动后级电路，最后一级采用源跟随器实现，提高电压摆幅。 文献[4]提出了一种用于皮质神经假体的低噪声、低功耗放大器设计。共有三级组成，低噪声可变增益放大器作为第一级，低跨导高通滤波器为第二级，低通Gm-C放大器作为最后一级。文章提出了低噪声放大器的一些必须满足的指标：可变增益在500倍左右；极低的功耗；带宽大于1kHz；要减小输入偏压（由于放大器输入端的电极接入的阻抗不平衡导致，通常在mV级）。 生物医疗用的低噪声放大器设计通常有2种方法：Pure Analog与Dynamic Switching。前者主要由三级运放构成，功耗在mW级，并且需要滤波器件。Dynamic Switching 设计分为Chopping和Autozeroing两种。 文献[3-6]是以神经医学领域为应用背景展开研究，生物体内神经信号的探测与接收必须依赖高性能的低噪声放大器来完成，因此当前神经医学领域的发展对于低噪声、低功耗、高性能前端放大器的需求十分迫切。而在此领域的低噪声放大器设计也最具挑战性。 文献[7]提出了用双极晶体管代替MOS管来做输入级，以降低l/f 噪声。对于给定的面积，双极晶体管的l/f 噪声远小于MOS管，并且其l/f 转角频率典型值为100Hz，甚至更低。直接将双极晶体管应用于CMOS工艺下，要增加好多步骤，增加了工艺的复杂性。于是文中采用了称之为Lateral Bipolar 的双极晶体管，可以集成在现在的标准CMOS工艺下。 文献[8]应用Dynamic Threshold MOS(DTMOS)来实现较低的阈值电压。DTMOS还有低噪声、高跨导和高截止频率等几个优点。然而，DTMOS低的小信号输出阻抗限制了其应用。 文献[9]的设计将输入管偏置在亚阈值区，得到较好的噪声特性。其主要的问题在于电流的失配和失调电压的失配，同时，在亚阈值区，随着电路尺寸的减小，衬底偏置效应也会影响噪声的性能。文中分析了衬偏效应对等效输入噪声的影响，并利用Current Driving Bulk 技术实现衬底的反向偏置。 在所研究的文献中，大部分的设计采用的主电路结构为共源共栅电路和输出级电路的两级级联，在生物医学领域的应用中也会在中间加入一级带通滤波器。两级运放具有比较好的稳定性，第一级电路提供较高的增益，第二级电路提供较大的输出摆幅以驱动系统后级电路。 而低噪声的实现技术主要集中在输入管的优化或者是输入级部分电路的重新设计，例如将输入管替换成双极晶体管或者JFET、使用DTMOS做输入管和将输入管偏置在亚阈值区等。同时，合理设计各晶体管的尺寸和确定偏置电流也是降低噪声的主要方法。 二、 方案介绍 本设计的主要研究思路 PET前端读出电子微系统如图1所示。 图1 PET前端读出电路结构图 本设计主要研究应用于PET前端读