一種寬帶、高速運算放大器的設(shè)計
[導(dǎo)讀]本文介紹了一種基于雙極工藝的高速寬帶運算放大器的設(shè)計, 從電路結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)論述了電路的寬帶設(shè)計、高速設(shè)計等設(shè)計思路, 將該電路通過計算機(jī)模擬, 給出了仿真和測試結(jié)果。
摘 要: 本文介紹了一種基于雙極工藝的高速寬帶運算放大器的設(shè)計, 從電路結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)論述了電路的寬帶設(shè)計、高速設(shè)計等設(shè)計思路, 將該電路通過計算機(jī)模擬, 給出了仿真和測試結(jié)果。經(jīng)過投片驗證, 設(shè)計出的運算放大器滿足預(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(jìn)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)電壓小(< 2 mV )、輸入失調(diào)電流小(< 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(jìn)型達(dá)林頓復(fù)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(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(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(dāng)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(rèn)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(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(jìn)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(fù)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(bǔ)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(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(dāng)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(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
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(bǔ)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(fù)載代替有源負(fù)載, 可以減小限制頻率的因素。另外, 該電路輸入動態(tài)范圍大, 設(shè)有5個補(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 軟件對電路進(jìn)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(dá)到了設(shè)計指標(biāo), 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(jī)模擬結(jié)果較好地吻合, 達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)的要求。
關(guān)鍵詞: 高速運算放大器; 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(jìn)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)電壓小(< 2 mV )、輸入失調(diào)電流小(< 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(jìn)型達(dá)林頓復(fù)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(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(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(dāng)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(rèn)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(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(jìn)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(fù)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(bǔ)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(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(dāng)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(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
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(bǔ)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(fù)載代替有源負(fù)載, 可以減小限制頻率的因素。另外, 該電路輸入動態(tài)范圍大, 設(shè)有5個補(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 軟件對電路進(jìn)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(dá)到了設(shè)計指標(biāo), 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(jī)模擬結(jié)果較好地吻合, 達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)的要求。
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