【《电荷放大器跨导效率与功耗的折中优化》13000字】.docx

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电荷放大器跨导效率与功耗的折中优化

目录

第一章：绪论 2

1.1选题背景和意义 2

1.2研究现状及发展趋势 2

第二章：电荷放大器设计方法的基本理论 3

2.1传统设计方法简述 3

2.2折中与优化 3

第三章：gm/Id设计方法的提出 5

3.1EKV模型理论 5

3.2gm/Id设计方法综述 5

3.3gm/Id设计方法背景 MOS管工作特性…………6

3.4gm/Id设计方法的具体实现 11

3.5gm/Id曲线的电路仿真图 19

第四章：电荷放大器原理及利用gm/Id设计方法设计电荷放大器 22

4.1电荷放大器的原理 22

4.2电路分析 24

4.3仿真分析 24

第五章：版图设计 28

5.1版图设计需要考虑因素 28

5.2版图设计中需要注意事项 29

5.3整体版图绘制 30

第六章：总结 31

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第一章：绪论

1.1选题背景和意义

在非电学物理量(例如，振动、压力声强等)的测量和采集过程中，输入信号大多是微小的振动，在现实生活中，这类微小输入通常使用压电加速度传感器采集，由获得的加速度来衡量。压电加速度传感器的输出想要用于后续的放大、处理等流程，就必须经过电荷放大器进行转换。由于压电式加速度传感器在各个领域的测量和控制技术中得到大量应用，所以作为与压电加速度传感器相匹配的二次仪表设备，电荷放大器的设计对于实际测量应用是至关重要的。

1.2研究现状及发展趋势

在压电式加速度传感器中，输出电荷量难以检测，以至于对整个测量电路的测量精度要求比较严格。一般来说，测量电路的输入阻抗很小，因此电荷在流经测量电路时，会极快地被泄露出去，后续电路无法检测到输入，从而产生误差，这将限制压电式加速度传感器的应用。因此，其中体现出对其测量电路的研究是十分重要的。

在测试传感器的系统中，先后有两种类型的测量电路，即电荷放大器和电压放大器，由于后者的电压随距离的变化迅速反应，从而存在的测量上的弊端，从20世纪60年代起基本被前者取代。电荷放大器的测量结果不受电缆分布电容的变化的影响，即在测量数据和确定尺寸时，缆线类型和尺寸的改变，不影响仪器的灵敏度。因此据此优势，电荷放大器可以适用于各种改变电缆长度的情况，尤其是在实际生活中长达数千米的测量中非常实用。

当下，随着科学的发展，这在某种程度上揭示出电荷放大器的研究已经走向超低频范围。目前，几乎所有应用于实际电路的电荷放大器都是国外测试设备制造商的产品，但价格昂贵，但是市面上国内产品基本不符合参数要求。如今，相关电路理论已经完善，性能参数也相应得到了提高，其价格阻挡压电式加速度传感器的大范围应用。

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第二章：电荷放大器设计方法的基本理论

2.1传统设计方法简述

模拟集成电路设计的传统方法主要分为两个步骤，即基本电路结构的设计和直流电流遴选以及各个晶体管尺寸参数的确定。此处不详细论述所设计基本电路的结构，这在一定层面上证实了但关于直流电流的选择和每个晶体管尺寸的确定，在传统设计模式中，电路设计人员将随意地选择一个电路支路的偏置电流，由此开始设计，并根据被选定的偏置电流和与其有关的工艺参数来确定晶体管尺寸(李晨昊，张雨婷，2022)。但是在设计过程中，根据参数计算出的MOS管尺寸往往与最终值偏差很大，在此情况下，设计人员不可避免需要反复调整电流值和器件尺寸大小，经过多次迭代计算以期符合设计规范。但多次迭代计算的结果，基本上由设计人员在过往工作中积累的经验决定，要竭力避免这种对电路性能优劣取决于个人的经验和能力的偶然性(王思博，刘晓彤，2023)。

然而，随着晶体管中沟道长度不断减少，这在某个角度上证明了短沟道效应的所带来的影响逐渐不可忽视，原本在长沟道中符合实际的平方律模型存在极大误差。此外，当晶体管偏置在弱反型区和强反型区之间的过渡区：中等反型区时，此时的漏极电流图像幅值范围极大，平方律模型和指数模型均作废。中等反型区为高效率和低电压结构设计，提供了最佳折衷结果，因此在现代设计中越来越为人们所重视。

2.2折中与优化

在实际操作中，为了获得高跨导和低输入等效热噪声电压值，使用偏置在中等反型层的晶体管，这在某种程度上象征可以对直流和交流性能优势进行协调，来满足低功耗设计的各项要求和发展趋势。跨导效率和速度饱和效应等都将会随MOS晶体管的反型层级别增加而减小，所以中等反型层的发展逐渐成为重中之重。在传统的BJT电路设计中，一旦集电极电流确定，其余参数都确定，但在晶体管设计过程中，尺寸参数以及漏极电流等各项参