一種寬帶、高速運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

　　摘　要: 本文介紹了一種基于雙極工藝的高速寬帶運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì), 從電路結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)論述了電路的寬帶設(shè)計(jì)、高速設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)思路, 將該電路通過計(jì)算機(jī)模擬, 給出了仿真和測(cè)試結(jié)果。經(jīng)過投片驗(yàn)證, 設(shè)計(jì)出的運(yùn)算放大器滿足預(yù)期指標(biāo),取得了比較滿意的結(jié)果。該電路在視頻放大器、有源濾波器、高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等電子系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞: 高速運(yùn)算放大器; 模擬集成電路; 寬帶; 雙極工藝

　　隨著微電子技術(shù)的發(fā)展, 運(yùn)算放大器在科研應(yīng)用中起著越來越重要的作用。高速運(yùn)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(yùn)放的頻帶寬度、轉(zhuǎn)換速率和電壓增益, 同時(shí)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(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 兼顧工藝制造, 才能設(shè)計(jì)出更加高性能的運(yùn)算放大器。

　　1　電路設(shè)計(jì)

　　電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示, 分為差分輸入級(jí)、中間放大級(jí)、輸出級(jí)3 部分。該運(yùn)放具有高轉(zhuǎn)換速率(100 V/Ls)、快速建立時(shí)間(800ns)、寬帶(75MHz)、共模抑制比高(> 90 dB)、輸入失調(diào)電壓小(< 2 mV )、輸入失調(diào)電流小(< 1 μA ) 等特點(diǎn)。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(jí)

　　在設(shè)計(jì)輸入級(jí)時(shí), 應(yīng)使之具有零點(diǎn)漂移低,共模抑制能力高, 對(duì)稱性好, 輸入阻抗高以及偏置電流小等特點(diǎn)。為此,設(shè)計(jì)如圖2所示的差分輸入級(jí), 采用改進(jìn)型達(dá)林頓復(fù)合差分輸入級(jí)結(jié)構(gòu), T1, T2 管的基極電流顯然比基本雙極差分輸入級(jí)的基極電流小得多, 幾乎只有1/β。因此這種復(fù)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(duì)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(yùn)放差分輸入級(jí)

　　1.2　寬帶設(shè)計(jì)

　　輸入級(jí)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(jí), 減小了T3, T4密勒電容所引起的輸入端容性負(fù)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(duì)帶寬的影響。T5, T6 的輸入阻抗分別充當(dāng)了T3, T4 的集電極負(fù)載。晶體管的不同組態(tài)對(duì)應(yīng)不同的頻率響應(yīng)。為了研究晶體管的不同組態(tài)對(duì)頻率特性的影響, 參考晶體管的高頻小信號(hào)模型。圖3為雙極晶體管的基本混合P型小信號(hào)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(jì)中采用共發(fā)射極增益級(jí), 可以同時(shí)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(jí), 又可以用于差分增益級(jí)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(jí)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(gè)極點(diǎn), 容易求出極點(diǎn)P 1 和電壓放大倍數(shù)A V :

　　對(duì)于單極點(diǎn)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(dāng)RL增大時(shí),會(huì)使電壓增益A V 增大, 但同時(shí)也使得密勒電容C′增大, 從而降低了ωdB的值。可以這樣認(rèn)為, 在共發(fā)射級(jí)增益級(jí)中, 電壓增益與ωdB相矛盾。較大的電壓增益對(duì)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(huì)使電壓增益AV 減小。但AV 的減小可以通過后級(jí)增益級(jí)補(bǔ)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。

　　密勒效應(yīng)對(duì)T3 帶寬的影響很小, T5 相當(dāng)于具有單位增益帶寬的共集電流放大器, 選擇適當(dāng)?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(huì)給整個(gè)電路添加附加節(jié)點(diǎn), 使電路呈現(xiàn)相位滯后,這將在中間級(jí)解決。

　　1.3　中間級(jí)的作用

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

　　圖6　差分放大級(jí)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(shí)現(xiàn)零輸入/零輸出直流電平的要求, 在中間級(jí)設(shè)置直流電平的位移電路, 降低直流工作點(diǎn), 并起到雙端變單端的作用。T11, T12組成的差分放大器進(jìn)一步放大信號(hào), 并使輸入級(jí)所產(chǎn)生的失調(diào)對(duì)后級(jí)影響減弱。單端輸出后接阻抗變換電路, 他是由一個(gè)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(dòng)的作用, 同時(shí)調(diào)整電路的相位, 減小輸入級(jí)中T5, T6引起的相位滯后。

　　共集放大級(jí)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(diǎn)。選用共集放大電路作為中間緩沖級(jí), 在輸入級(jí)和輸出級(jí)間實(shí)現(xiàn)阻抗變換的作用。對(duì)后級(jí)電路, 前級(jí)電路的輸出電阻降低了約B倍, 因而提高了輸出級(jí)的電壓增益; 其次, 其輸入電阻設(shè)計(jì)值比輸出級(jí)輸入電阻大一個(gè)數(shù)量級(jí), 從而減小了后級(jí)電路的負(fù)載效應(yīng), 提高了輸入級(jí)的電壓增益。

　　圖7　中間級(jí)共集放大電路

　　1.4　輸出級(jí)

　　如圖8 所示, 該運(yùn)放的輸出級(jí)采用了射極輸出和互補(bǔ)對(duì)稱乙類推挽電路的形式。

　　圖8　輸出級(jí)電路

　　輸出級(jí)的主要著眼點(diǎn)是具有一定的帶負(fù)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(dòng)態(tài)范圍以及減小靜態(tài)時(shí)的直流功耗。該輸出級(jí)除具有以上特點(diǎn)外, 還具有2個(gè)特點(diǎn): 第一, 增加基極集電極短路的NPN 管T19, T20,相當(dāng)于2個(gè)二極管, 為輸出端提供靜態(tài)偏置, 可以避免輸出信號(hào)的交越失真; 第二, 晶體管T21設(shè)計(jì)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(bǔ)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(jì)

　　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(hào)(例如階躍信號(hào)) 時(shí), 放大電路輸出電壓對(duì)時(shí)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(yùn)放所加的補(bǔ)償電容, 運(yùn)放本身各級(jí)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(hào)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(yùn)放的SR大于信號(hào)變斜率的絕對(duì)值。

　　在電路設(shè)計(jì)時(shí), 主要采用了增大運(yùn)放的單位增益頻率和提高運(yùn)放的輸入電流2個(gè)步驟。設(shè)計(jì)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(hào)通道中使用NPN器件。同時(shí), 用電阻負(fù)載代替有源負(fù)載, 可以減小限制頻率的因素。另外, 該電路輸入動(dòng)態(tài)范圍大, 設(shè)有5個(gè)補(bǔ)償端, 采用外加補(bǔ)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(duì)電路進(jìn)行仿真,得到該運(yùn)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(cè)試結(jié)果

　　如表1 所示, 測(cè)試結(jié)果表明, 各項(xiàng)參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo), 并與設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)過程。經(jīng)過試投片, 該運(yùn)放的電參數(shù)測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值和計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果較好地吻合, 達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。