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        一種高阻抗、低功耗前置放大器的設(shè)計與分析

        2020-12-29 07:57:02劉德狀程海嶸
        機電信息 2020年36期
        關(guān)鍵詞:結(jié)型場效應(yīng)管恒流源

        劉德狀 程海嶸

        (華東光電集成器件研究所,安徽蚌埠233042)

        1 功能分析

        隨著武器裝備向高精度、大視距、智能化方向發(fā)展,所需探測的信號也越來越微弱,這對武器系統(tǒng)的“眼睛”——探測器及其對應(yīng)的放大器提出了更高要求。

        本文設(shè)計了一種高阻抗前置放大器,它具有增益高、功耗小等特點,特別適用于微小信號的檢測。該放大器電路是由P溝道結(jié)型場效應(yīng)晶體管、NPN晶體管、橫向PNP晶體管等構(gòu)成,下面著重對直流偏置電路、輸入級放大電路、中間級放大電路進行分析和討論。

        1.1 電路基本結(jié)構(gòu)

        本電路由信號輸入級、放大級、輸出級、內(nèi)部恒流源基準(zhǔn)和補償電路等部分組成。為了提高電路的動態(tài)特性,整個電路采用正負電源供電。

        1.2 電路原理圖

        電路原理圖如圖1所示。

        1.3 單元電路塊

        1.3.1 信號輸入級

        作為前置放大器的輸入級,本電路采用P溝道結(jié)型場效應(yīng)管來接收信號,充分利用了場效應(yīng)管高輸入阻抗的特性。

        1.3.2 信號放大級

        這一級包括信號的主增益放大級和次級放大級,主增益放大級由一級隔離和一級主放大電路組成,隔離級同時具有放大和電平移動的作用,主放大電路有較高的增益。次級放大級由一個NPN管和一個PNP管及它們的有源負載組成,在完成信號再放大的同時,為推挽輸出級提供合適的控制信號。

        這是影響增益和通頻帶的中心環(huán)節(jié)。在電路實現(xiàn)上,引入了密勒電容滯后補償,以提高放大器的上限頻率,展寬通頻帶。

        1.3.3 電路輸出級的反饋

        電路輸出級采用推挽方式,輸出動態(tài)范圍大,并有輸出保護。輸出端有交流通道將信號反饋回輸入端。

        1.3.4 內(nèi)部恒流源基準(zhǔn)

        建立內(nèi)部恒流源時引入P型場效應(yīng)管和PN結(jié)特性,具有一定的抗干擾特性,為電路放大級和輸出級提供良好的基準(zhǔn)環(huán)境。

        2 直流工作點估算

        2.1 偏置電路的電流

        圖1中,Q3、Q9、Q11、J5、J8、R2等構(gòu)成了多輸出恒流偏置電路。其中P溝道結(jié)型場效應(yīng)管J3的源、柵短接,VGS3=0,因此偏置電路的參考電流Ir等于J3管的IDSS3。由于Ir的大小影響著電路各極靜態(tài)工作電流,所以控制好夾斷電壓Vp,使偏置電路的參考電流Ir滿足設(shè)計要求,就成為工藝控制的關(guān)鍵。

        在板圖設(shè)計中,Q3、Q11的發(fā)射區(qū)面積為Q9發(fā)射區(qū)面積的2倍,根據(jù)電路原理可知:

        圖1 電路原理圖

        其中,Ic3=Ic11=2Ic9。

        根據(jù)電路技術(shù)指標(biāo)要求,并結(jié)合工藝能力取Ir=0.3 mA。

        在圖1中,Ic3的一部分提供V5的基極電流,一部分經(jīng)R1分流,由圖1可得:

        2.2 輸入級靜態(tài)工作電流

        輸入級由Q1、J1、J2、Q2等構(gòu)成,J1、J2均為P溝道結(jié)型場效應(yīng)管,其中J1工作于飽和區(qū),J2為源跟隨器。J1、J2工作于串聯(lián)狀態(tài),故有:

        偏置電路中的J3管,VGS=0,IDSS3=Ir=0.3 mA。J1、J2、J3工藝參數(shù)相同,即Vp1=Vp2=Vp3=Vp,由晶體管原理可得:

        在電路的板圖結(jié)構(gòu)中,J1、J3的溝道寬長比為:

        2.3 輸出級靜態(tài)工作電流

        在圖1所示電路中,利用Q8、Q12的eb結(jié)正向壓降作為輸出級的輸入偏置,由圖1可得:

        3 放大器增益

        由以上分析可知:p溝道結(jié)型場效應(yīng)管的夾斷電壓對電路的功耗有影響,不僅如此,它也對電路的增益、帶寬有影響。圖2所示分別是夾斷電壓為2 V、2.5 V、3 V時的交流響應(yīng),增益與頻率曲線如圖3所示。

        圖2 夾斷電壓為2 V、2.5 V、3 V時的交流響應(yīng)

        圖3 增益與頻率曲線

        4 結(jié)語

        本設(shè)計通過合理選擇電路結(jié)構(gòu)及器件類型,實現(xiàn)了高阻抗;設(shè)計中引入密勒補償,改善了電路頻率特性;合理設(shè)置恒流源,提高抗干擾能力;同時通過理論推導(dǎo),選擇電路工作點,找出影響電流等電路性能參數(shù)的關(guān)鍵因素,給出了工藝控制的方向。仿真結(jié)果表明,電路的各項主要參數(shù)滿足微弱信號檢測的要求。

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