一種寬帶、高速運算放大器的設計

　　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計, 從電路結構方面詳細論述了電路的寬帶設計、高速設計等設計思路, 將該電路通過計算機模擬, 給出了仿真和測試結果。經(jīng)過投片驗證, 設計出的運算放大器滿足預期指標,取得了比較滿意的結果。該電路在視頻放大器、有源濾波器、高速數(shù)據(jù)轉換器等電子系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。

　　關鍵詞: 高速運算放大器; 模擬集成電路; 寬帶; 雙極工藝

　　隨著微電子技術的發(fā)展, 運算放大器在科研應用中起著越來越重要的作用。高速運算放大器已廣泛應用于A/D與D/A 轉換器、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)化設計, 兼顧工藝制造, 才能設計出更加高性能的運算放大器。

　　1　電路設計

　　電路結構框圖如圖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　電路結構框圖

　　1.1　差分輸入級

　　在設計輸入級時, 應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構, 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。因此這種復合結構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　寬帶設計

　　輸入級采用共射—共基電路輸入結構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)對應不同的頻率響應。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是由于歐拉效應引起的輸出阻抗, Ccs是集電極—襯底結電容。

　　圖3　雙極晶體管的基本混合P型模型

　　一般模擬設計中采用共發(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, - 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。

　　密勒效應對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, 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, 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　關于高速的設計

　　轉換速率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:

　　轉換速率的大小與許多因素有關, 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。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, 設有5個補償端, 采用外加補償電容的方法來提高轉換速率。

　　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性能曲線, 其中直流掃描特性和交流響應波形如圖9, 圖10 所示。

　　圖10　交流響應的增益和相位波形

　　3　測試結果

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

　　4　結　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計過程。經(jīng)過試投片, 該運放的電參數(shù)測試結果與理論計算值和計算機模擬結果較好地吻合, 達到了設計指標的要求。