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面向声学芯片的三阶反比例级联运放设计与仿真OA

Design and simulation of third-order inverse proportional cascade operational amplifier for acoustic chip

中文摘要英文摘要

集成运算放大器作为声表面波传感系统的核心信号调理单元,其增益和带宽特性将直接影响系统性能.针对315 MHz延迟线型声表面波传感系统,为了突破现有集成运算放大器增益不足、带宽受限的技术瓶颈,文中提出一种基于CMOS工艺的高性能两级运算放大器改进设计方案,通过三阶反比例级联提升增益和带宽,并采用多级密勒补偿技术优化运放电路系统传递函数中的零极点位置,以增加相位裕度,并提升系统的稳定性.实验结果表明,所设计运放的直流增益为127.8 dB,单位增益带宽为906.7 MHz,功耗为20.2 μW,其相位裕度可达108.7°,并在315 MHz工作频率处具有37 dB增益,可满足400 MHz频率以下声表面波延迟线型传感系统振荡环路的设计需求.该设计不仅为声学传感系统的集成化与高性能提供关键技术支撑,还可拓展应用于无线传感网络、生物医学检测和工业物联网终端等高频率及低功耗场景,具有显著的工程应用价值.

As the core signal conditioning unit in surface acoustic wave(SAW)sensing systems,integrated operational amplifiers critically determine system performance by their gain and bandwidth characteristics.Targeting the limitations of conventional designs for 315 MHz delay-line SAW sensors,this work proposes a high-performance two-stage CMOS operational amplifier leveraging a third-order inverse proportional cascade structure to enhance gain and bandwidth.A multi-stage Miller compensation scheme is implemented to reshape the zero-pole configuration in the operational amplifier's transfer function,achieving enhanced phase margin and robust system stability.Experimental results show that the designed operational amplifier has a DC gain of 127.8 dB,a unity gain bandwidth of 906.7 MHz,and a power consumption of 20.2 μW,and its phase margin can reach 108.7°.The design achieves 37 dB gain at 315 MHz,meeting the oscillation loop requirements for SAW delay-line sensors below 400 MHz.This design not only provides key technical support for the integration and high performance of acoustic sensing system,but also can be extended to high-frequency and low-power scenarios such as wireless sensor network(WSN),biomedical detection and industrial Internet of Things(IoT)terminals,so it has significant engineering application value.

绳先闯;张涛;姜峰;鲁永志;赵新杰;李子豪

西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710600西安科技大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710600西安科技大学 理学院,陕西 西安 710600西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710600西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710600西安科技大学 通信与信息工程学院,陕西 西安 710600

信息技术与安全科学

CMOS放大器反比例级联频率补偿高增益SAW传感系统

CMOSamplifierinverse proportion cascadefrequency compensationhigh gainSAW sensing system

《现代电子技术》 2026 (3)

163-168,6

国家自然科学基金项目(52174151)国家自然科学基金项目(12474468)国家自然科学基金项目(12075189)陕西省联合基金重点项目(2021JML-05)榆林市科技计划项目(2024-CXY-165)

10.16652/j.issn.1004-373x.2026.03.024

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