基于雙極工藝的高速運算放大器的電路設(shè)計

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展， 運算放大器在科研應(yīng)用中起著越來越重要的作用。高速運算放大器已廣泛應(yīng)用于A/D與D/A 轉(zhuǎn)換器、有源濾波器、積分器、精密比較器、波形發(fā)生器和視頻放大器等各種電路中， 這些電路不僅要求提高運放的頻帶寬度、轉(zhuǎn)換速率和電壓增益， 同時還要降低其輸入失調(diào)電壓和電流以及溫度漂移。為此， 需要對電路進行優(yōu)化設(shè)計， 兼顧工藝制造， 才能設(shè)計出更加高性能的運算放大器。

1、電路設(shè)計

電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示， 分為差分輸入級、中間放大級、輸出級3 部分。該運放具有高轉(zhuǎn)換速率（100 V/Ls）、快速建立時間（800ns）、寬帶（75MHz）、共模抑制比高（》 90 dB）、輸入失調(diào)電壓?。ā?2 mV ）、輸入失調(diào)電流?。ā?1 μA ） 等特點。下面分別從各部分介紹電路組成和性能。

圖1　電路結(jié)構(gòu)框圖

1.1　差分輸入級

在設(shè)計輸入級時， 應(yīng)使之具有零點漂移低，共模抑制能力高， 對稱性好， 輸入阻抗高以及偏置電流小等特點。為此，設(shè)計如圖2所示的差分輸入級， 采用改進型達林頓復合差分輸入級結(jié)構(gòu)， T1， T2 管的基極電流顯然比基本雙極差分輸入級的基極電流小得多， 幾乎只有1/β。因此這種復合結(jié)構(gòu)可以很大程度地減小輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流， 而且對失調(diào)電壓和失調(diào)電流溫漂的減小也有很好的效果。

圖2　運放差分輸入級

1.2　寬帶設(shè)計

輸入級采用共射—共基電路輸入結(jié)構(gòu)可以有效地提高帶寬。圖2中， T1， T2作為輸入緩沖級， 減小了T3， T4密勒電容所引起的輸入端容性負載; T3 和T5， T4 和T6 分別組成共基—共射放大器， 減小了密勒效應(yīng)對帶寬的影響。T5， T6 的輸入阻抗分別充當了T3， T4 的集電極負載。晶體管的不同組態(tài)對應(yīng)不同的頻率響應(yīng)。為了研究晶體管的不同組態(tài)對頻率特性的影響， 參考晶體管的高頻小信號模型。圖3為雙極晶體管的基本混合P型小信號等效電路， 圖中， rb， rcs， cc 等都是雙極型晶體管的固有寄生量， ro是由于歐拉效應(yīng)引起的輸出阻抗， Ccs是集電極—襯底結(jié)電容。

圖3　雙極晶體管的基本混合P型模型

一般模擬設(shè)計中采用共發(fā)射極增益級， 可以同時獲得電流和電壓放大。圖4為基本共發(fā)射極電路， 既可用來描述單端倒相放大級， 又可以用于差分增益級的差模半電路。其頻率響應(yīng)可以用圖5 所示的采用密勒近似的混合P型模型近似。

圖4　基本共發(fā)射級電路

圖5　采用密勒近似的混合P型模型

圖5 中， C′為密勒電容， 表示如下：

顯然此電路只有一個極點， 容易求出極點P 1 和電壓放大倍數(shù)A V ：

對于單極點響應(yīng)， - 3dB帶寬ωdB等于P1的模值， 即：

從公式（3） 和（4） 可以看出， 當RL增大時，會使電壓增益A V 增大， 但同時也使得密勒電容C′增大， 從而降低了ωdB的值?？梢赃@樣認為， 在共發(fā)射級增益級中， 電壓增益與ωdB相矛盾。較大的電壓增益對應(yīng)較大的密勒電容，而較大的密勒電容必然使ωdB降低; 反之， 要獲得較寬的ωdB ， 則要求密勒電容C′= Cπ+ CC （1 + gmRL ′） 盡量減小，而Cπ 是晶體管的本征參數(shù)， CC 是固有寄生量， 因此， 需要減小gmRL ′。根據(jù)公式（3） ， 這又會使電壓增益AV 減小。但AV 的減小可以通過后級增益級補償， 因此， 采用圖2 所示的共、射— 共基放大器。由于T5工作在共基態(tài)， 其輸入阻抗很小， 近似等于1/gm ，與T3 的輸出阻抗不匹配，從而使T3的密勒電容C′= Cπ+CC （1+gmRL ′）=Cπ+ CC（1 +gm3/ gm5） 很小。［page］

密勒效應(yīng)對T3 帶寬的影響很小， T5 相當于具有單位增益帶寬的共集電流放大器， 選擇適當?shù)腞 1即可獲得電壓輸出。根據(jù)T5的混合P型模型， CC 跨接在輸出端與地之間， 不存在密勒效應(yīng)， 因此， T5 不僅在輸入輸出之間提供了良好的隔離， 而且具有較寬的帶寬。但是T5， T6 的存在會給整個電路添加附加節(jié)點， 使電路呈現(xiàn)相位滯后，這將在中間級解決。

1.3　中間級的作用

如圖6 所示， 中間級包括差分放大級和共集放大級2部分， 可以獲得很高的增益。

圖6　差分放大級電路

該電路采用NPN管， 直流電平從輸入至輸出不斷升高， 為了實現(xiàn)零輸入/零輸出直流電平的要求， 在中間級設(shè)置直流電平的位移電路， 降低直流工作點， 并起到雙端變單端的作用。T11， T12組成的差分放大器進一步放大信號， 并使輸入級所產(chǎn)生的失調(diào)對后級影響減弱。單端輸出后接阻抗變換電路， 他是由一個射極跟隨器T22和T14組成， 提高輸入阻抗， 從而提高差分放大器的增益。R24和電容C并聯(lián)， 起到電平移動的作用， 同時調(diào)整電路的相位， 減小輸入級中T5， T6引起的相位滯后。

共集放大級主要提高電壓增益， 等效電路如圖7， 他由T15和R27組成， 共集放大電路的電壓增益為1， 即0dB， 具有輸入阻抗高， 輸出阻抗低， 工作頻帶寬等特點。選用共集放大電路作為中間緩沖級， 在輸入級和輸出級間實現(xiàn)阻抗變換的作用。對后級電路， 前級電路的輸出電阻降低了約B倍， 因而提高了輸出級的電壓增益; 其次， 其輸入電阻設(shè)計值比輸出級輸入電阻大一個數(shù)量級， 從而減小了后級電路的負載效應(yīng)， 提高了輸入級的電壓增益。

圖7　中間級共集放大電路

1.4　輸出級

如圖8 所示， 該運放的輸出級采用了射極輸出和互補對稱乙類推挽電路的形式。

圖8　輸出級電路

輸出級的主要著眼點是具有一定的帶負載能力， 因此輸出電阻盡可能小， 并且有一定的電壓和電流動態(tài)范圍以及減小靜態(tài)時的直流功耗。該輸出級除具有以上特點外， 還具有2個特點： 第一， 增加基極集電極短路的NPN 管T19， T20，相當于2個二極管， 為輸出端提供靜態(tài)偏置， 可以避免輸出信號的交越失真; 第二， 晶體管T21設(shè)計成雙發(fā)射極形式的縱向PNP管， 發(fā)射極T21A和T18管組成推挽互補輸出， 發(fā)射極T21B 用于防止輸出過載以及抗阻塞作用。

1.5　關(guān)于高速的設(shè)計

轉(zhuǎn)換速率SR 是指放大電路在閉環(huán)狀態(tài)下， 輸入為大信號（例如階躍信號） 時， 放大電路輸出電壓對時間的最大變化速率， 即：

轉(zhuǎn)換速率的大小與許多因素有關(guān)， 其中主要與運放所加的補償電容， 運放本身各級BJT的極間電容、雜散電容，以及放大電路提供的充電電流等因素有關(guān)。在輸入大信號瞬變的過程中， 輸出電壓只有在電路的電容被充電后才隨輸入電壓做線形變化， 通常要求運放的SR大于信號變斜率的絕對值。

在電路設(shè)計時， 主要采用了增大運放的單位增益頻率和提高運放的輸入電流2個步驟。設(shè)計電路內(nèi)部均采用N PN 型管， 晶體管的f T在很大程度上決定了放大器的帶寬， 而NPN雙極晶體管的高頻性能優(yōu)于PNP管， 所以在放大器的信號通道中使用NPN器件。同時， 用電阻負載代替有源負載， 可以減小限制頻率的因素。另外， 該電路輸入動態(tài)范圍大， 設(shè)有5個補償端， 采用外加補償電容的方法來提高轉(zhuǎn)換速率。

圖9　直流掃描特性曲線

2、電路仿真

在SUN 工作站上， 用Cadence 軟件對電路進行仿真，得到該運算放大器的典型技術(shù)性能曲線， 其中直流掃描特性和交流響應(yīng)波形如圖9， 圖10 所示。

圖10　交流響應(yīng)的增益和相位波形

3、測試結(jié)果

如表1 所示， 測試結(jié)果表明， 各項參數(shù)均達到了設(shè)計指標， 并與設(shè)計值較好地吻合。

4、結(jié)　論

本文介紹了一種基于雙極工藝的寬帶、高速運算放大器的設(shè)計過程。經(jīng)過試投片， 該運放的電參數(shù)測試結(jié)果與理論計算值和計算機模擬結(jié)果較好地吻合， 達到了設(shè)計指標的要求。

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