鄒序武，丁召，楊發(fā)順，劉嬌

（貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與電子信息學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025）

傳統(tǒng)集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一般依賴于元件參數(shù)值之間的匹配或它們的的比值，而不依賴于元件參數(shù)值本身；并且盡可能在電路中用晶體管取代電阻，電容等無(wú)源元件；如果某種復(fù)合結(jié)構(gòu)的電路比簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)效果更好的話，就采用復(fù)合結(jié)構(gòu)[1]。但與此同時(shí)，在電路的選擇及構(gòu)成形式上又受到集成電路工藝條件的嚴(yán)格制約。而如今JEFT與雙極型器件相結(jié)合，已成為新型專用集成運(yùn)算放大器的主要發(fā)展方向之一[2]，本論文研究正是在此背景下，對(duì)741型通用集成運(yùn)放，以短接JEFT柵源級(jí)成恒流二級(jí)管（CRD），對(duì)741集成運(yùn)放中做為恒流功能和有源負(fù)載電流源的雙極型器件（BJT）進(jìn)行替代[3]，并對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以減少芯片中元器件個(gè)數(shù)，從而達(dá)到減小芯片面積，降低靜態(tài)工作電流，以實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步的低功耗。

1 理論分析

1）恒流二極管（CRD）電路符號(hào)及特性如圖1所示。

圖1 CRD電路符號(hào)及伏安特性Fig.1 The circuit symbols and volt-ampere characteristic of CRD

恒流二極管[4]（CRD）是以JEFT柵源（GS）級(jí)短接在一起的恒流器件（CRD），其工作原理:當(dāng)器件兩端電壓大于開(kāi)啟電壓Vs時(shí)，隨著電壓繼續(xù)增大，電流增加緩慢，可以認(rèn)為電流值恒定在IH。

2）恒流二極管（CRD）對(duì)741運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)思路

本文基于741型通用集成運(yùn)放的基本原理，并通過(guò)對(duì)其他已有運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)做廣泛學(xué)習(xí)與研究，提出一種基于恒流二極管的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)[5]思想。研究?jī)?nèi)容主要從以下三方面進(jìn)行：

①CRD代替雙極型基本恒流源；②CRD做有源負(fù)；③改進(jìn)原有的運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)。

2 改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)及仿真與分析

1）基于恒流二極管（CRD）偏置電路圖如圖2～圖4所示。

圖2 常見(jiàn)雙極型偏置電路Fig.2 Bipolar bias circuit

圖3 改進(jìn)型偏置電路1Fig.3 Modified bias circuit 1

圖4 改進(jìn)型偏置電路2Fig.4 Modified bias circuit 2

2）改變電源電壓，分別對(duì)以上偏置電流進(jìn)行電流測(cè)量，所得電流示數(shù)如表1所示。

表1 改進(jìn)電路電流對(duì)比Tab.1 An improved circuit current

3 改進(jìn)電路

基于恒流二極管雙極型集成運(yùn)算放大器差分電路輸入級(jí)結(jié)改進(jìn)電路如圖5、圖6所示。

圖5 基于恒流二極管輸入級(jí)Fig.5 Based on the CRD input stage

1）當(dāng)輸入電壓信號(hào)源恒定80 mV，50 Hz，改變電源電壓值，從1 V到33 V，每4 V取一個(gè)電流值，用Multisim 10進(jìn)行仿真，測(cè)得電流值如表2所示。

圖6 傳統(tǒng)輸入級(jí)Fig.6 Traditional input stage

表2 輸入信號(hào)源恒定，改變電源電壓Tab.2 Input signal source constant，change the power supply voltage

總結(jié)以上圖表，恒流二極管的差分輸入級(jí)電路[7]，當(dāng)電源電壓改變時(shí)，電流恒定在0.239 mA到0.244 mA之間，相對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)算放大器輸入級(jí)，電流變化只有0.005 mA.更適合在低電源條件下做恒流源。

2）當(dāng)正電源電壓值恒定在15 V，負(fù)電源電壓值恒定在-15 V，輸入信號(hào)源電壓從100 mV至1 V，每100 mV取測(cè)試電流，用Multisim 10進(jìn)行仿真，測(cè)得電流值如表3所示。

總結(jié)以上圖表，相對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)算放大器輸入電流1.894 mA，基于恒流二極管（CRD）的輸入級(jí)電流只有0.361 mA，更能實(shí)現(xiàn)低功耗的要求。

4 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)以恒流二極管（CRD）替代741雙極型集成運(yùn)算放大器輸入級(jí)中的有源負(fù)載雙極型器件，及以CRD替代雙極型恒流源，并通過(guò)Multisim 10和Cadence軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。結(jié)果表明，使用CRD做為恒流器件，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)算放大器更低靜態(tài)電流。當(dāng)以CRD改進(jìn)雙級(jí)型偏置電路，當(dāng)電源電壓恒定在13 V時(shí)，雙極型集成運(yùn)算放大器偏置電流達(dá)到0.739 mA，是基于CRD偏置電路電流0.222 mA的3倍以上。當(dāng)電源電壓改變時(shí)，雙極型運(yùn)算放大器輸入級(jí)電流在0.290 mA到0.433 mA變化，而基于CRD的差分輸入級(jí)電流約降低一半，電流恒定在0.239 mA到0.244 mA之間，并且電流變化只有0.005 mA。

表3 輸入電源電壓恒定，改變信號(hào)源Tab.3 Input voltage constant，change the signal source

[1] 白丁.運(yùn)算放大器的發(fā)展概況[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1989，11（44）:1-3.BAI Ding.The development of operational amplifiers[J].Journal of Microelectronics and Computers，1989，11（44）:1-3.

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