随着微电子技术的发展, 运算放大器在科研应用中起着越来越重要的作用。高速运算放大器已广泛应用于A/D与D/A 转换器、有源滤波器、积分器、精密比较器、波形发生器和视频放大器等各种电路中, 这些电路不仅要求提高运放的频带宽度、转换速率和电压增益, 同时还要降低其输入失调电压和电流以及温度漂移。为此, 需要对电路进行优化设计, 兼顾工艺制造, 才能设计出更加高性能的运算放大器。
1 电路设计
电路结构框图如图1 所示, 分为差分输入级、中间放大级、输出级3 部分。该运放具有高转换速率(100 V/Ls)、快速建立时间(800ns)、宽带(75MHz)、共模抑制比高(> 90 dB)、输入失调电压小(< 2 mV )、输入失调电流小(< 1 μA ) 等特点。下面分别从各部分介绍电路组成和性能。
图1 电路结构框图
1.1 差分输入级
在设计输入级时, 应使之具有零点漂移低,共模抑制能力高, 对称性好, 输入阻抗高以及偏置电流小等特点。为此,设计如图2所示的差分输入级, 采用改进型达林顿复合差分输入级结构, T1, T2 管的基极电流显然比基本双极差分输入级的基极电流小得多, 几乎只有1/β。因此这种复合结构可以很大程度地减小输入偏置电流和输入失调电流, 而且对失调电压和失调电流温漂的减小也有很好的效果。
图2 运放差分输入级
1.2 宽带设计
输入级采用共射—共基电路输入结构可以有效地提高带宽。图2中, T1, T2作为输入缓冲级, 减小了T3, T4密勒电容所引起的输入端容性负载; T3 和T5, T4 和T6 分别组成共基—共射放大器, 减小了密勒效应对带宽的影响。T5, T6 的输入阻抗分别充当了T3, T4 的集电极负载。晶体管的不同组态对应不同的频率响应。为了研究晶体管的不同组态对频率特性的影响, 参考晶体管的高频小信号模型。图3为双极晶体管的基本混合P型小信号等效电路, 图中, rb, rcs, cc 等都是双极型晶体管的固有寄生量, ro是由于欧拉效应引起的输出阻抗, Ccs是集电极—衬底结电容。
图3 双极晶体管的基本混合P型模型
一般模拟设计中采用共发射极增益级, 可以同时获得电流和电压放大。图4为基本共发射极电路, 既可用来描述单端倒相放大级, 又可以用于差分增益级的差模半电路。其频率响应可以用图5 所示的采用密勒近似的混合P型模型近似。
图4 基本共发射级电路
图5 采用密勒近似的混合P型模型
图5 中, C′为密勒电容, 表示如下:
显然此电路只有一个极点, 容易求出极点P 1 和电压放大倍数A V :
对于单极点响应, - 3dB带宽ωdB等于P1的模值, 即:
从公式(3) 和(4) 可以看出, 当RL增大时,会使电压增益A V 增大, 但同时也使得密勒电容C′增大, 从而降低了ωdB的值。可以这样认为, 在共发射级增益级中, 电压增益与ωdB相矛盾。较大的电压增益对应较大的密勒电容,而较大的密勒电容必然使ωdB降低; 反之, 要获得较宽的ωdB , 则要求密勒电容C′= Cπ+ CC (1 + gmRL ′) 尽量减小,而Cπ 是晶体管的本征参数, CC 是固有寄生量, 因此, 需要减小gmRL ′。根据公式(3) , 这又会使电压增益AV 减小。但AV 的减小可以通过后级增益级补偿, 因此, 采用图2 所示的共、射— 共基放大器。由于T5工作在共基态, 其输入阻抗很小, 近似等于1/gm ,与T3 的输出阻抗不匹配,从而使T3的密勒电容C′= Cπ+CC (1+gmRL ′)=Cπ+ CC(1 +gm3/ gm5) 很小。
密勒效应对T3 带宽的影响很小, T5 相当于具有单位增益带宽的共集电流放大器, 选择适当的R 1即可获得电压输出。根据T5的混合P型模型, CC 跨接在输出端与地之间, 不存在密勒效应, 因此, T5 不仅在输入输出之间提供了良好的隔离, 而且具有较宽的带宽。但是T5, T6 的存在会给整个电路添加附加节点, 使电路呈现相位滞后,这将在中间级解决。
1.3 中间级的作用
如图6 所示, 中间级包括差分放大级和共集放大级2部分, 可以获得很高的增益。
图6 差分放大级电路