跟着微电子技能的开展， 运算扩大器在科研运用中起着越来越重要的效果。高速运算扩大器已广泛运用于A/D与D/A 转化器、有源滤波器、积分器、精细比较器、波形发生器和视频扩大器等各种电路中， 这些电路不只要求进步运放的频带宽度、转化速率和电压增益， 一起还要下降其输入失调电压和电流以及温度漂移。为此， 需求对电路进行优化规划， 统筹工艺制作， 才干规划出愈加高功能的运算扩大器。
1、电路规划
电路结构框图如图1 所示， 分为差分输入级、中心扩大级、输出级3 部分。该运放具有高转化速率（100 V/Ls）、快速树立时刻（800ns）、宽带（75MHz）、共模按捺比高（》 90 dB）、输入失调电压小（《 2 mV ）、输入失调电流小（《 1 μA ） 等特色。下面别离从各部分介绍电路组成和功能。
图1 电路结构框图
1.1 差分输入级
在规划输入级时， 应使之具有零点漂移低，共模按捺才能高， 对称性好， 输入阻抗高以及偏置电流小等特色。为此，规划如图2所示的差分输入级， 选用改进型达林顿复合差分输入级结构， T1， T2 管的基极电流明显比根本双极差分输入级的基极电流小得多， 简直只要1/β。因而这种复合结构能够很大程度地减小输入偏置电流和输入失调电流， 并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 宽带规划
输入级选用共射—共基电路输入结构能够有效地进步带宽。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 别离组成共基—共射扩大器， 减小了密勒效应对带宽的影响。T5， T6 的输入阻抗别离充当了T3， T4 的集电极负载。晶体管的不同组态对应不同的频率呼应。为了研讨晶体管的不同组态对频率特性的影响， 参阅晶体管的高频小信号模型。图3为双极晶体管的根本混合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是因为欧拉效应引起的输出阻抗， Ccs是集电极—衬底结电容。
图3 双极晶体管的根本混合P型模型
一般模仿规划中选用共发射极增益级， 能够一起取得电流和电压扩大。图4为根本共发射极电路， 既可用来描绘单端倒相扩大级， 又能够用于差分增益级的差模半电路。其频率呼应能够用图5 所示的选用密勒近似的混合P型模型近似。
图4 根本共发射级电路
图5 选用密勒近似的混合P型模型
图5 中， C′为密勒电容， 表明如下：
明显此电路只要一个极点， 简单求出极点P 1 和电压扩大倍数A V ：
关于单极点呼应， – 3dB带宽ωdB等于P1的模值， 即：
从公式（3） 和（4） 能够看出， 当RL增大时，会使电压增益A V 增大， 但一起也使得密勒电容C′增大， 然后下降了ωdB的值。能够这样以为， 在共发射级增益级中， 电压增益与ωdB相对立。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定使ωdB下降; 反之， 要取得较宽的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， 因而， 需求减小gmRL ′。依据公式（3） ， 这又会使电压增益AV 减小。但AV 的减小能够通往后级增益级补偿， 因而， 选用图2 所示的共、射— 共基扩大器。因为T5作业在共基态， 其输入阻抗很小， 近似等于1/gm ，与T3 的输出阻抗不匹配，然后使T3的密勒电容C′= Cπ+CC （1+gmRL ′）=Cπ+ CC（1 +gm3/ gm5） 很小。［page］
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扩大器， 挑选恰当的R 1即可取得电压输出。依据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， 因而， T5 不只在输入输出之间供给了杰出的阻隔， 并且具有较宽的带宽。可是T5， T6 的存在会给整个电路添加附加节点， 使电路出现相位滞后，这将在中心级处理。
1.3 中心级的效果
如图6 所示， 中心级包含差分扩大级和共集扩大级2部分， 能够取得很高的增益。
图6 差分扩大级电路
该电路选用NPN管， 直流电平从输入至输出不断升高， 为了完成零输入/零输出直流电平的要求， 在中心级设置直流电平的位移电路， 下降直流作业点， 并起到双端变单端的效果。T11， T12组成的差分扩大器进一步扩大信号， 并使输入级所发生的失调对后级影响削弱。单端输出后接阻抗改换电路， 他是由一个射极跟从器T22和T14组成， 进步输入阻抗， 然后进步差分扩大器的增益。R24和电容C并联， 起到电平移动的效果， 一起调整电路的相位， 减小输入级中T5， T6引起的相位滞后。
共集扩大级首要进步电压增益， 等效电路如图7， 他由T15和R27组成， 共集扩大电路的电压增益为1， 即0dB， 具有输入阻抗高， 输出阻抗低， 作业频带宽等特色。选用共集扩大电路作为中心缓冲级， 在输入级和输出级间完成阻抗改换的效果。对后级电路， 前级电路的输出电阻下降了约B倍， 因而进步了输出级的电压增益; 其次， 其输入电阻规划值比输出级输入电阻大一个数量级， 然后减小了后级电路的负载效应， 进步了输入级的电压增益。
图7 中心级共集扩大电路
1.4 输出级
如图8 所示， 该运放的输出级选用了射极输出和互补对称乙类推挽电路的方式。
图8 输出级电路
输出级的首要着眼点是具有必定的带负载才能， 因而输出电阻尽可能小， 并且有必定的电压和电流动态规模以及减小静态时的直流功耗。该输出级除具有以上特色外， 还具有2个特色： 榜首， 添加基极集电极短路的NPN 管T19， T20，相当于2个二极管， 为输出端供给静态偏置， 能够避免输出信号的交越失真; 第二， 晶体管T21规划成双发射极方式的纵向PNP管， 发射极T21A和T18管组成推挽互补输出， 发射极T21B 用于避免输出过载以及抗堵塞效果。
1.5 关于高速的规划
转化速率SR 是指扩大电路在闭环状态下， 输入为大信号（例如阶跃信号） 时， 扩大电路输出电压对时刻的最大改变速率， 即：
转化速率的巨细与许多要素有关， 其间首要与运放所加的补偿电容， 运放自身各级BJT的极间电容、杂散电容，以及扩大电路供给的充电电流等要素有关。在输入大信号瞬变的进程中， 输出电压只要在电路的电容被充电后才随输入电压做线形改变， 一般要求运放的SR大于信号变斜率的绝对值。
在电路设计时， 首要选用了增大运放的单位增益频率和进步运放的输入电流2个进程。规划电路内部均选用N PN 型管， 晶体管的f T在很大程度上决议了扩大器的带宽， 而NPN双极晶体管的高频功能优于PNP管， 所以在扩大器的信号通道中运用NPN器材。一起， 用电阻负载替代有源负载， 能够减小约束频率的要素。别的， 该电路输入动态规模大， 设有5个补偿端， 选用外加补偿电容的方法来进步转化速率。
图9 直流扫描特性曲线
2、电路仿真
在SUN 作业站上， 用Cadence 软件对电路进行仿真，得到该运算扩大器的典型技能功能曲线， 其间直流扫描特性和沟通呼应波形如图9， 图10 所示。
图10 沟通呼应的增益和相位波形
3、测验成果
如表1 所示， 测验成果表明， 各项参数均达到了规划目标， 并与规划值较好地符合。
4、结 论
本文介绍了一种依据双极工艺的宽带、高速运算扩大器的规划进程。通过试投片， 该运放的电参数测验成果与理论核算值和核算机模仿成果较好地符合， 达到了规划目标的要求。
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