一種基于雙極工藝的大電流高輸出電阻恒流源

李政，周文質(zhì)，包磊，陳旺云

（貴州振華風(fēng)光半導(dǎo)體有限公司，貴陽 550018）

1 引言

功率運(yùn)算放大器因具有高壓、大電流的特性，廣泛應(yīng)用于通信、汽車電子、工業(yè)控制系統(tǒng)、航空航天、武器裝備等各個(gè)領(lǐng)域。高壓大功率運(yùn)算放大器由于自身性能的要求，常需用到在精度、工作電壓和驅(qū)動(dòng)能力上較占優(yōu)勢(shì)的雙極工藝來實(shí)現(xiàn)[1]。基于雙極工藝的驅(qū)動(dòng)級(jí)往往需要運(yùn)算放大器的增益級(jí)提供較大的電流，而提供大電流與增益級(jí)負(fù)載電路的高輸出電阻特性相矛盾，同時(shí)還會(huì)面臨版圖面積增加、運(yùn)算放大器性能下降等問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于雙極工藝的恒流源，其具有在輸出大電流的情況下保持高輸出電阻的特點(diǎn)，可應(yīng)用于雙極工藝的功率運(yùn)算放大器。

2 傳統(tǒng)恒流源電路結(jié)構(gòu)

功率運(yùn)算放大器的信號(hào)通路通常分為輸入級(jí)、增益級(jí)和驅(qū)動(dòng)級(jí)[2-3]。采用傳統(tǒng)恒流源的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中VS+、VS-分別為正、負(fù)電源電壓。P1 和P2 構(gòu)成傳統(tǒng)的電流源，最終由P2 為驅(qū)動(dòng)級(jí)提供電流，其輸出電阻為

圖1 采用傳統(tǒng)恒流源的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)

式中VA為厄利電壓，即晶體管放大區(qū)輸出特性曲線的延長(zhǎng)線與集電極-基極電壓軸的交點(diǎn)[4-5]；IC為P2 的集電極電流。可以看出，若要增大電流，勢(shì)必要降低增益級(jí)輸出電阻，從而降低運(yùn)算放大器增益，同時(shí)降低密勒補(bǔ)償?shù)刃щ娙?。在原始電流一定的情況下，增益級(jí)需要提供的電流增大，P2 的面積也需要等比例放大，造成版圖面積和寄生電容增加，這種情況在需要輸出大電流的功率運(yùn)算放大器中尤為嚴(yán)重。這種情況不但會(huì)造成性能的衰退，也會(huì)造成芯片面積的增加，這與低成本、小型化的需求[6]是矛盾的。

3 改進(jìn)型恒流源電路結(jié)構(gòu)及直流分析

采用改進(jìn)型恒流源的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，用三極管Q0、Q1、Q2、電容C1和電阻R 構(gòu)成的恒流源電路取代圖1 中的P2。

圖2 采用改進(jìn)型恒流源的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)

將Q1 的集電極電流設(shè)計(jì)為遠(yuǎn)大于Q0 的集電極電流，則最終的輸出電流約等于Q1 的集電極電流IC1，

式中VBE2為Q2 的BE 結(jié)電壓。

為計(jì)算圖2 中恒流源的輸出電阻，需要將其進(jìn)行小信號(hào)等效。改進(jìn)型恒流源的小信號(hào)低頻等效電路如圖3 所示。由于是進(jìn)行低頻分析，因此忽略電容C1。圖3 中，gm1、gm2為Q1、Q2 的跨導(dǎo)，R0、R1為Q0、Q1 的輸出電阻，R2為Q2 的集電極結(jié)點(diǎn)到發(fā)射極結(jié)點(diǎn)之間的等效電阻。可以看出，在忽略C1的情況下，從Q2 集電極流向發(fā)射極的電流分為兩路：路徑一經(jīng)Q2 的集電極直接流向其發(fā)射極；路徑二流入Q1 的基極，經(jīng)Q1 的集電極從R 流向Q2 的發(fā)射極結(jié)點(diǎn)。路徑一的電流等于(V1-VO)/RO2，其中RO2為Q2 的小信號(hào)輸出電阻；路徑二的電流等于(V2-VO)/(β1R)，其中β1為Q1 的電流放大系數(shù)。計(jì)算路徑二的電流時(shí)，忽略Q1 的BE 結(jié)電壓變化，即V2≈V1，因此其電流約等于(V1-VO)/(β1R)?？梢?，兩路電流總和為(V1-VO)/RO2+(V1-VO)/ (β1R)，故R2=RO2∥(β1R)。

圖3 改進(jìn)型恒流源的小信號(hào)低頻等效電路

根據(jù)圖3，

式中VO為測(cè)試整體電路輸出電阻的測(cè)試電壓，本恒流源結(jié)構(gòu)最終的小信號(hào)輸出電阻ROUT=VO/IO。

由于此電路務(wù)求使Q1 輸出大電流，因此Q1 的集電極電流遠(yuǎn)大于Q2 的集電極電流，根據(jù)工作在放大區(qū)的三極管跨導(dǎo)與集電極電流成正比，有

VBE2≈0.7 V，故R≈0.7 V/IC1。

式中VAP和VAN分別為PNP 和NPN 的厄利電壓，IC0為Q0 和Q2 的集電極電流（兩者大約相等）。由于厄利電壓一般遠(yuǎn)大于0.7 V，且顯然β1?1，故

已知gm1=IC1/VT，其中VT為熱電壓，且常溫下VT≈26 mV，則

故而gm1R?1。

最后，由于厄利電壓遠(yuǎn)大于0.026 V，故有g(shù)m1R1和gm2R2均遠(yuǎn)大于1。

根據(jù)以上近似，可推導(dǎo)得出

這一結(jié)果可以通過直觀分析進(jìn)行解釋。在圖3 所示的電路中，由于Q1 和Q2 的BE 結(jié)電壓幾乎不變，故有V1≈VO，當(dāng)VO產(chǎn)生一個(gè)小信號(hào)變化量ΔVO時(shí)，Q0 的電流會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化量

忽略Q1 的基極電流變化量，則Q2 的集電極電流變化量同樣也是IC0，則Q2 的BE 結(jié)電壓必然有相應(yīng)的變化量

這會(huì)導(dǎo)致R 上相應(yīng)的電流變化（同時(shí)也是Q1 集電極電流的變化），

最終的輸出電流變化量就是IC0+IC1?？梢钥闯?，最終ROUT等于R0與gm2RR0的并聯(lián)電阻，即

與式（12）的計(jì)算結(jié)果相符?？梢钥闯?，如果gm2R?1，則ROUT≈R0?？梢姶撕懔髟吹妮敵鲭娮鑼?duì)其輸出電流不敏感，可以在增加輸出電流的同時(shí)不至于使輸出電阻衰減。相比之下，式（2）所示的傳統(tǒng)恒流源輸出電阻與輸出電流成反比，在輸出大電流的情況下會(huì)造成輸出電阻的嚴(yán)重降低。

4 改進(jìn)恒流源結(jié)構(gòu)的環(huán)路分析

為保證穩(wěn)定性，需要分析環(huán)路中的零極點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和仿真的過程中有針對(duì)性地進(jìn)行調(diào)整，并通過仿真保證相位裕度[7-8]。包含主環(huán)路的改進(jìn)型恒流源的小信號(hào)高頻等效電路如圖4 所示。恒流源部分除加入電容之外，其余與圖3 一致。Z 為運(yùn)算放大器主環(huán)路的等效阻抗。

圖4 包含主環(huán)路的改進(jìn)型恒流源的小信號(hào)高頻等效電路

根據(jù)圖4，經(jīng)工程估算可得

式中s 為傳遞函數(shù)。從恒流源看進(jìn)去，運(yùn)算放大器環(huán)路的負(fù)載等效電路如圖5 所示：第一級(jí)為輸入級(jí)，跨導(dǎo)和輸出電阻分別為Gm1和Ro1；第二級(jí)為增益級(jí)，跨導(dǎo)的絕對(duì)值和輸出電阻分別為Gm2和Ro2；第三級(jí)為輸出驅(qū)動(dòng)，增益估算為1；C 為主極點(diǎn)的密勒電容。圖5 中的Gm1、Gm2、Ro1、Ro2、C 均包含在圖4 的運(yùn)放“控制部分”中。為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略除了C 以外的其他電容。

圖5 運(yùn)算放大器環(huán)路的負(fù)載等效電路

根據(jù)圖5，經(jīng)工程估算可得

將式（18）代入式（17），并根據(jù)實(shí)際參數(shù)的大小關(guān)系將s 的同次冪系數(shù)忽略掉小一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的參數(shù)，得到如下結(jié)果：

從式（19）可以看出，傳輸函數(shù)包含兩個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)，設(shè)兩個(gè)零點(diǎn)為z1、z2，兩個(gè)極點(diǎn)為p1、p2，并假設(shè)z1?z2，p1?p2，則有

則

5 實(shí)際應(yīng)用

將圖2 所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于某最大工作電壓為±30 V 的功率放大器，采用6 μm、80 V 雙極工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，功率放大器版圖如圖6 所示。

圖6 功率放大器版圖

仿真結(jié)果如圖7 所示，圖中不同顏色的曲線對(duì)應(yīng)不同的工藝角。從圖7 可以看出，增益最小約為114dB。短路電流在典型情況下約為500 mA；在極限情況下，上拉電流最小約為260 mA，最大約為860 mA；下拉電流最小約為330 mA，最大約為711 mA。常溫（25 ℃）下靜態(tài)電流約為7.0 mA，高溫（125 ℃）下約為5.1 mA，低溫（-55 ℃）下約為9.6 mA。

圖7 仿真結(jié)果

10 只樣品的常溫測(cè)試結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯觯瑴y(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合。電源電壓取±30 V，輸出電壓約為28 V，輸出電流取200 mA，靜態(tài)電流約為7.5 mA，則輸出功率為5.6 W，靜態(tài)功耗為0.45 W，輸出功率與靜態(tài)功耗之比約為12.4。作為比較，參考文獻(xiàn)[9]的輸出功率為0.15 W，靜態(tài)功耗為32.5 mW，輸出功率與靜態(tài)功耗之比約為4.6?？梢钥闯?，本文設(shè)計(jì)的芯片輸出功率與靜態(tài)功耗之比更大，即在同樣的靜態(tài)電流下，本文所述的放大器能提供更大的輸出功率。新結(jié)構(gòu)的使用可使功率放大器產(chǎn)品獲得大輸出電流、低靜態(tài)電流和高開環(huán)增益。

表1 10 只樣品的常溫測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款基于雙極工藝的恒流源，該恒流源的特點(diǎn)是能夠在大輸出電流的情況下保持其輸出電阻不衰減，在需要輸出大電流的功率放大器中有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用本恒流源的實(shí)際功率運(yùn)算放大器靜態(tài)電流可達(dá)7.5 mA、短路電流約為500 mA、電壓增益超過110 dB，輸出功率與靜態(tài)功耗之比約為近期同類產(chǎn)品的3 倍，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。