Details

Работа посвящена исследованию различных архитектур операционных усилителей и разработке энергоэффективных аналоговых схем, функционирующих при низких напряжениях питания. Цель работы – изучение и оценка различных топологий современного проектирования операционных усилителей, анализ их характеристик и особенностей в различных приложениях. Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1. Анализ существующих типов операционных усилителей и их архитектурных особенностей; 2. Моделирование выбранных схем в среде Micro-Cap с использованием SPICE; 3. Оценка характеристик усиления, полосы пропускания, фазового запаса и энергопотребления. В результате исследования проведён обзор девяти научных публикаций, посвящённых проектированию низковольтных операционных усилителей. Рассмотрены последовательные и фольговые структуры, методы повышения линейности, минимизации энергопотребления и увеличения коэффициентов подавления помех (PSRR, CMRR). В экспериментальной части смоделированы два варианта операционных усилителей на основе архитектур, представленных в литературе. Первая схема реализована на 0,12 мкм CMOS-технологии, продемонстрировала усиление 66 дБ, единичную частоту 1,59 ГГц и мощность потребления 68 мВт. Вторая схема (90 нм) достигла 100 дБ усиления, 1 МГц единичной частоты и фазового запаса 67,3°, с более низким энергопотреблением. Результаты моделирования подтвердили теоретические расчёты и показали высокую эффективность предложенных решений для низковольтных, энергоэффективных приложений, включая мобильную электронику и системы Интернета вещей (IoT). В процессе выполнения работы использовались современные информационные технологии: программное обеспечение Micro-Cap для SPICE-моделирования; поисковые и аналитические ресурсы IEEE Xplore и Google Scholar для подбора и анализа научных публикаций.

Object of study is low-voltage operational amplifiers and methods for analyzing and modeling analog circuits. The aim is to investigate and evaluate various topologies of modern operational amplifier design, analyze their characteristics, and assess their application potential. The following tasks were solved: 1. Analysis of existing types of operational amplifiers and their architectural features; 2. Modeling of selected circuits in the Micro-Cap environment using SPICE; 3. Evaluate their performance characteristics.. As a result of the study, a review of nine scientific papers on the design of low-voltage operational amplifiers was conducted. The works analyzed cascade and folded structures, methods for improving linearity, minimizing power consumption, and increasing noise rejection ratios (PSRR and CMRR). In the experimental part, two variants of operational amplifiers based on architectures from the literature were modeled. The first circuit, implemented in 0.12 μm CMOS technology, showed a gain of 66 dB, a unity-gain frequency of 1.59 GHz, and a power consumption of 68 mW. The second circuit (90 nm) achieved a gain of 100 dB, a unity-gain frequency of 1 MHz, and a phase margin of 67.3°, with lower energy consumption. The simulation results confirmed theoretical predictions and demonstrated the high efficiency of the proposed solutions for low-voltage, energy-saving applications, including mobile devices and Internet of Things (IoT) systems. Modern information technologies were used in the process, including Micro-Cap software for SPICE simulation; IEEE Xplore and Google Scholar for the selection and analysis of scientific publications.