该电路采用NPN管, 直流电平从输入至输出不断升高, 为了实现零输入/零输出直流电平的要求, 在中间级设置直流电平的位移电路, 降低直流工作点, 并起到双端变单端的作用。T11, T12组成的差分放大器进一步放大信号, 并使输入级所产生的失调对后级影响减弱。单端输出后接阻抗变换电路, 他是由一个射极跟随器T22和T14组成, 提高输入阻抗, 从而提高差分放大器的增益。R24和电容C并联, 起到电平移动的作用, 同时调整电路的相位, 减小输入级中T5, T6引起的相位滞后。
共集放大级主要提高电压增益, 等效电路如图7, 他由T15和R27组成, 共集放大电路的电压增益为1, 即0dB, 具有输入阻抗高, 输出阻抗低, 工作频带宽等特点。选用共集放大电路作为中间缓冲级, 在输入级和输出级间实现阻抗变换的作用。对后级电路, 前级电路的输出电阻降低了约B倍, 因而提高了输出级的电压增益; 其次, 其输入电阻设计值比输出级输入电阻大一个数量级, 从而减小了后级电路的负载效应, 提高了输入级的电压增益。
图7 中间级共集放大电路
1.4 输出级
如图8 所示, 该运放的输出级采用了射极输出和互补对称乙类推挽电路的形式。
图8 输出级电路
输出级的主要着眼点是具有一定的带负载能力, 因此输出电阻尽可能小, 并且有一定的电压和电流动态范围以及减小静态时的直流功耗。该输出级除具有以上特点外, 还具有2个特点: 第一, 增加基极集电极短路的NPN 管T19, T20,相当于2个二极管, 为输出端提供静态偏置, 可以避免输出信号的交越失真; 第二, 晶体管T21设计成双发射极形式的纵向PNP管, 发射极T21A和T18管组成推挽互补输出, 发射极T21B 用于防止输出过载以及抗阻塞作用。
1.5 关于高速的设计
转换速率SR 是指放大电路在闭环状态下, 输入为大信号(例如阶跃信号) 时, 放大电路输出电压对时间的最大变化速率, 即:
转换速率的大小与许多因素有关, 其中主要与运放所加的补偿电容, 运放本身各级BJT的极间电容、杂散电容,以及放大电路提供的充电电流等因素有关。在输入大信号瞬变的过程中, 输出电压只有在电路的电容被充电后才随输入电压做线形变化, 通常要求运放的SR大于信号变斜率的绝对值。
在电路设计时, 主要采用了增大运放的单位增益频率和提高运放的输入电流2个步骤。设计电路内部均采用N PN 型管, 晶体管的f T在很大程度上决定了放大器的带宽, 而NPN双极晶体管的高频性能优于PNP管, 所以在放大器的信号通道中使用NPN器件。同时, 用电阻负载代替有源负载, 可以减小限制频率的因素。另外, 该电路输入动态范围大, 设有5个补偿端, 采用外加补偿电容的方法来提高转换速率。
图9 直流扫描特性曲线
2 电路仿真
在SUN 工作站上, 用Cadence 软件对电路进行仿真,得到该运算放大器的典型技术性能曲线, 其中直流扫描特性和交流响应波形如图9, 图10 所示。
图10 交流响应的增益和相位波形
3 测试结果
如表1 所示, 测试结果表明, 各项参数均达到了设计指标, 并与设计值较好地吻合。
4 结 论
本文介绍了一种基于双极工艺的宽带、高速运算放大器的设计过程。经过试投片, 该运放的电参数测试结果与理论计算值和计算机模拟结果较好地吻合, 达到了设计指标的要求。