分轰烈敷黔黔发一低噪声高单位增益带宽双极型运放设计倪雪梅’,成立‘,杨宁’,严鸣’,凌新“,周洋‘江苏大学电气与信息工程学院,江苏镇江镇江市国道管理站江苏镇江摘要设计了一款低噪声、高单位增益带宽的运放电路。该款电路基于拼双极工艺,采用三级级联的形式,输入级选取多个双极型晶体管并联,用作差分对管,以抑制噪声中间级不但用型镜像电流源作为有源负载,而且并联多个横向型用以提升单位增益带宽输出级则设计成低电容输入和低电容输出方式,借此拓展带宽。对所设计的运放电路进行了仿真及硬件电路实验。结果表明,当电源电压为时,运放电路的实测交流开环电压增益为,开环相位裕度为,单位增益带宽为,在处的输入电压噪声密度仅为。八百王,因而可用于低噪声、高单位增益带宽的片上相位噪声测量电路和微波功率传感器等系统的设计中。关键词锗硅双极型晶体管三级级联运算放大器低噪声高单位增益带宽中图分类号文献标识码文章编号一一一··初,,,,,加艺扣‘动,加卿,。,可口咭,沪记幼口油功,,滋,一拌卜,,,,一,一嗯,一一,罗。八角王,,。。。。。一。。。一一。一一。。而一一一引言简称运放被广泛用于各类无线电接收机的高频或中频前置放大器和高灵敏度电子探测设备中。在随着国内通信事业的快速发展,运算放大器放大微弱信号场合,运放自身噪声对有用信号的干扰可能会很严重,因而运放电路的单位增益带宽基金项目国家“”计划项目半导体技术第卷第期年月倪雪梅等低噪声高单位增益带宽双极型运放设计需设计得足够高,且外来的噪声干扰要被系数抑制得足够低,这样才能达到通信系统所要求的信二,一闪一,咚噪比。在通信工程中,由于决定信噪比高低的主要因素是前端低噪声放大器,所以降低输人噪声是创式中为输人级噪声系数为中间级噪声系新性设计欲解决的关键问题之一,此为前端低噪声数。为输出级噪声系数凡,为输入级功率增放大器设计的共性问题。一般差分运放所能益瞬为中间级功率增益。若凡,,啤》,则式抑制的噪声信号范围仅为一。瓜一’,而可近似为、,因此总噪声系数主要由输只有。为了既满足提高、又降低人级噪声系数来决定,据此可重点抑制输人级噪噪声的应用要求,设计了二款新型的双极型运放电声。图为带射极恒流源的差分电路,它由两个差路。分对管和组成,用来把差动输入电压一电路描述转换成差动输出电压“一万。。利用射极恒流源可有效抑制零漂和噪声。在和完全对称的情所设计运放的结构如图所示。它主要由三部况下,基区电阻为,流过两个的发射极电流分组成差动输人级、增益放大级和输出阻抗匹配均为。二。,又由于。二,则二。,级。图中差动输人电压为一,,单端输出电压召月,式中召为的共射电流放大系数。为。为了降低噪声干扰,有效隔离外部寄生干但由于采用个差分对管组合而成,见图,且根扰信号,输人级由具有高噪声抑制能力的差动电路据并联电路的特点,基极、集电极和发射极各自并组成中间级由高增益放大器和阻容滞后补偿电路联后,基极电阻降为,基极电流变成。并联构成,以便提高运放电路的稳定性并拓展频田。根据式,噪声电压大为降低。由于带另外,为了改善高频频响性能,将输出端负载并联后增加了的基区面积,而噪声波动与电容量尽量地减小。的基区面积成反比,所以该电路有效地抑制了噪声波动。图三级基本运放框图一电路优化设计概述图基本差动输人级,优化设计思路单端集成运放的噪声电压幅值可由下式给出￡二。。叮。庄江式中为玻耳兹曼常数一,,是基区电阻。是发射区电阻是基极电流为绝对温度为双极型晶体管载运的电图改进型差动输人级子电荷量。由式可以看出,与运放的环境温度和。成正比,与、,卜和。也成正比例。如增益放大电路果设法降低这些参数,则可以有效地抑制噪声干增益放大电路部分作为差动电路的负载,必须扰“。具有输人阻抗高、输出阻抗低的特点。图为基本输入级电路增益放大电路,它作为输人级的负载,利用横向由福瑞斯公式可得三级级联放大器的总噪声型,把输入级的差分输出电压。和“。,助哪物了,肠甲倪雪梅等低噪声高单位增益带宽双极型运放设计很难满足大电流输人时获得高增益。为了克服图电路的缺点,在其基础上采用个横向晶了乞一了年体管并联,见图。由于并联分流作用,并联后的可以承受更大的电流,且增加基区面积,进一步抑制住噪声波动。并联后和的基极电阻减为原先的。而据式,。提高到原来的倍。图基本增益放大电路邵讯利用电流负反馈转换成中间级的差分输人电流和十,并且利用电流镜实现单端输出差分电流一十,和构成的镜像电流电路作为认和的有源负载。图中和吼为横向叩管,采用共集一共基连接方式。同时为增益放大电路提供合适的偏置电压。另该增益放大电路的电压增益。可近似表示为图改进型增益放大电路。二月「尺尺」二解、。整体电路改进措施很大,并联时可忽略。但单个横向型图为所设计的运放的整体电路。石仁习如叽叽护习司,裂。』己己了牡牡己「翎比民口卜卜【川图改进型运放的整体电路利用图所示基极电流可以估算出噪声信真,并抑制干扰和噪声匡⑥由式可知,号,或通过功率谱密度仪亦能测出输人电压噪声密运放的上限、下限截止频率主要与高频和低频时的度。。为了改善整个电路抑制噪声和提高的等效电容成反比,故为了提高上限截止频率,输出性能,采取的优化措施如下①输人级由个差级设计成低电容输入、低电容输出方式。这样整个分放大电路组合而成,强有力地抑制噪声②设运放电路的频响参数为置了阻容滞后补偿电路,利用改变主极点的位几二,,置,提升闭环增益的稳定性③中间级采用镜像人二,二电流源作为有源负载,提供足够的动态阻抗④采式中介为上限截止频率人为下限截止频率用个横向型并联,抑制噪声波动,进而为高频区等效电容为低频区等效电容增大电压增益⑤通过电阻引人电压并联负反为等效输人电阻。馈,以稳定输出电压、展宽频带、减少非线性失半导体技术第卷第期年月倪雪梅等低噪声高单位增益带宽双极型运放设计续表仿真与流片测试结果元器件参数参数值。,以,曰,圈仿真测试结果,脸所设计的改进型双极型运放采用台积电田,田几玲拌双极技术,运用软件工具进行仿真,并进行了工艺流片测试,元器件参。拜数值见表。图给出电源电压峡为,流片与硬件电路实测结果温度为℃时,所设计运放的开环电压增益的幅对电路进行了工艺流片,芯片照片如图所频特性。和相频特性甲。由图可示,芯片尺寸为拼拼。对流片进行了测见,所设计运放的开环电压增益、,量,实测在江苏省电工电子学重点实验中心进行。相位裕度尸二。。图给出仿真得到的。波形测试条件和工作过程是先将芯片制作在图,可见在频率为珑处,、。呱,频率上,使用国产华博一电子电路实验设为抚处,拐角频率关二抚,。二备进行测量,再采用美国泰克八瓦数字示波器采集信号,最后经过测量,获得芯片在,这些都是较小的噪声信号等级,说明了运放设计达到了降低噪声的目标。工作电压为下的直流功耗约为。图是使用噪声测量仪测量的运放输人级的电压噪声曲田忿妙。︵一,线。由图可见在频率为比处,实测。、一币。八瓦为浅处,实测。二。一汾一才了孤。虽然田盗一出现了一些噪声干扰,但一一总的输人噪声还是得到了明显地抑制,这就验证了所一茹裔六塌试前喃补亩”设计的运放已达到低输人噪声的设计目标。刀幅频相频仿真波形图嘿·“蓦‘才·犷一茄广一喃产一协爵魔瞬鲜露露羹黝鬓黝图芯片照片脚输人电压噪声密度仿真波形图图改进型双极型运放的实验曲线断吟陌已奋话、︵表所用元件参数值几元器件参数参数值口叭净一一奋一一峨厂一、奋一,住川图实测输人电压噪声密度波形。供,。川表给出文献「一〕的运放与所设计的,口,“,“运放仿真数据及芯片实测数据的对比情况。口邵外了肠甲倪雪梅等低噪声高单位增益带宽双极型运放设计表几参数工艺“所设计的七运放拜与一运放的性能比较一·所设计运放实测数据肛运放〔,〕拜〕所设计运放仿真数据拜’。·了丽妥未做出尸未做出由表可见,所设计运放的单位增益带宽」」,,盯拌群达到运放相比,,与性能较佳的文献「」中的,,一己一一即“值增加了约倍左右。为相位裕。八厄王,仅为文献「」。的度尸。为,系统相当稳定,。为直流增益。〔仕〔」,留,一一虽然该芯片的实测性能略低于仿真数据,但相对于文献「一〕设计的运放,该芯片的、噪,一即〕一,声和稳定性指标均得以提升。,一,结语抑拓一讲而飞卿【,,拌而朋邢,么巧,伴川哭视设计了一款差动式运放电路,对其进行了仿真和硬件电路实验,并将实测数据与仿真数据进行了比较,结果表明所设计」运放在电源电压的‘‘刀,,,习过一低压下,不但实现了一珍,一一而且噪声和稳定性等指标都有所改善。究其原因,主要是在结构上作了改进输入端采用多只型差,并《刃仁〕朱正涌半导体集成电路【〕北京清华大学出版社,分对管并联,中间级并联多只横向【〕成立模拟电子技术【【南京东南大学出版社,高等模拟集成电路【采取了其他的改进措施,从而抑制住噪声干扰,提升了刀‘刀指标。因此,当工程中要求高和低董在望,李冬梅,王志华,等北京清华大学出版社,噪声的场合,例如对于便携式通信系统、蓝牙系统、卫星通信和相阵雷达等无线通信接收系统,可以采用该款差动式运放电路。作者简介倪雪梅一收稿日期一一,女,江苏盐城人,在读硕士研究生,研究方向为设计与开发技术参考文献,,,。【」一一,。群成立究方向为一,男,江苏如皋人,教授,电子信息工程系主任,研技术。‘内,,肠半导体技术第卷第期年月