周遠(yuǎn)杰,胡云蘭,范國亮
(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所,重慶 400060)
對數(shù)放大器是一種輸入輸出信號成對數(shù)關(guān)系的瞬間壓縮動態(tài)范圍的放大器[1],在中頻、射頻系統(tǒng)里應(yīng)用廣泛,常用作信號壓縮、功率檢測、AGC控制等功能??梢杂霉絹肀硎荆?/p>
式中:
VOUT—輸出電壓;
VIN—輸入信號振幅;
VY—對數(shù)斜率;
VX—截距電壓。
對數(shù)放大器的主要架構(gòu)有三種,基本對數(shù)放大器、基帶對數(shù)放大器和解調(diào)對數(shù)放大器[2]。本文介紹的大動態(tài)范圍對數(shù)放大器屬于解調(diào)對數(shù)放大器,主要單元由多級限幅放大器和整流器組成,每級限幅放大器的輸出跟隨一個整流器,將整流器輸出電流求和,并通過電阻采樣得到輸出電壓,輸出電壓與輸入信號幅度呈近似的對數(shù)關(guān)系[3]。
解調(diào)對數(shù)檢波器的對數(shù)特性來源于三極管的對數(shù)I-V特性,同時為了保證大動態(tài)范圍、高精度,高帶寬等特點(diǎn),采用互補(bǔ)雙極(complementary bipolar)工藝制作[4]?;パa(bǔ)雙極工藝的優(yōu)勢在于可以提供更高的限幅放大器的單級跨導(dǎo),使用電阻負(fù)載時可以保證限幅放大器足夠的增益,提供整體的動態(tài)范圍。同時,高性能的PNP管可以使輸出響應(yīng)時間更快。
本文基于中電24所自主開發(fā)的12 V互補(bǔ)雙極工藝設(shè)計了一款大動態(tài)范圍對數(shù)放大器。所使用工藝耐壓在12 V,NPN管截止頻率在9 GHz以上,電流增益β在150以上,PNP管截止頻率在8 GHz以上,電流增益β在50以上。同時工藝兼容多晶電阻、CNIT電容,可以滿足對數(shù)放大器的研發(fā)需求。
器件的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 電原理框圖
電路內(nèi)部包含6個限幅放大器,每級具有14.3 dB的增益和2.5 GHz的小信號帶寬,總增益量達(dá)到86 dB,-3 dB帶寬接近500 MHz。在每級限幅放大器后接入整流器,得到與輸入功率呈線性關(guān)系的差分輸出電流。將各級整流后電流相加,并通過輸出級I/V轉(zhuǎn)換,得到與輸入功率呈線性關(guān)系的輸出電壓。
限幅放大器的結(jié)構(gòu)如圖2,其本質(zhì)上是一個電阻作為負(fù)載的差分對,差模輸出電壓與差模輸入電壓關(guān)系為:
圖2 限幅放大器
當(dāng)輸入信號幅度較小時,可以近似為一個線性放大器,當(dāng)輸入信號達(dá)到閾值后輸出幅度不在隨輸入增大而增大,而是限定在一個幅度。
整流器的作用是檢測待測信號的功率信息,并輸出與之對應(yīng)的輸出差分電流。器件的整流器為共發(fā)射極差分對結(jié)構(gòu)[5],兩個差模端和共模端同時接入差分對中,整流器線路結(jié)構(gòu)圖如圖3。
圖3 整流器
由圖中的連接關(guān)系可以得到以下方程組:
由此可以推導(dǎo)出:
在設(shè)計時,選擇Q3的發(fā)射極面積為Q1和Q2發(fā)射極面積的2倍,即:
可以解出3個輸出電流的表達(dá)式:
從(10)中可以看出,每級整流器的輸出電流與輸入信號幅度呈近似指數(shù)關(guān)系。
器件輸出級的功能是將整流器的輸出差分電流轉(zhuǎn)換為電壓,其線路結(jié)構(gòu)如圖4。
IOUTP和IOUTM分別為整流器正端和負(fù)端輸出的輸出電流之和,采用了如圖4的電路結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了將差分輸出電流轉(zhuǎn)為單端電壓。
圖4中兩個電阻端電壓分別為V1和V2,可以推導(dǎo)出輸出電壓和輸出電流的關(guān)系:
圖4 輸出級
由于電流鏡的作用,I2=I1,且設(shè)計值R1=R2將兩個方程相減可得:
另一方面,從電路結(jié)構(gòu)中可以找到V1和V2的相關(guān)性:
對于電流鏡I2=I1,同時可以得到VBE4=VBE5,上式可以化為:V2=V1。
由此, (13)式化為:
因此,輸出級將整流器差分輸出電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓。
器件內(nèi)部包含6級限幅放大器,總低頻增益高達(dá)86 dB。如果在前級中出現(xiàn)工藝加工或外圍應(yīng)用失配導(dǎo)致共模電平失配,會使失配放大到輸出端,導(dǎo)致檢波不準(zhǔn)或功能異常。為了降低加工或使用中失配造成的影響,器件在內(nèi)部引入了失調(diào)調(diào)零結(jié)構(gòu),如圖5。
圖5 失調(diào)調(diào)零
當(dāng)輸出電壓VO1>VO2,IC9>IC11,IC9-IC11為電容C1充電,VFB提高,使Q5集電極電流IFB增大,多級限幅放大器的輸入端電壓VI1減小,經(jīng)過多級限幅放大器放大后,使VO1減小,VO2增大,直到VO1=VO2,VFB保持恒定,直流電壓穩(wěn)定。同理當(dāng)輸出電壓VO1<VO2,IC9<IC11,IC11-IC9為電容C1放電,VFB降低,使Q5集電極電流IFB減小,多級限幅放大器的輸入端電壓VI1增大,經(jīng)過多級限幅放大器放大后,使VO1增大,VO2減小,直到VO1=VO2。
因此,引入失調(diào)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)后,可以使直流輸出電壓VO1=VO2,保持限幅放大器的直流工作點(diǎn)穩(wěn)定。
器件采用多級限幅放大器串聯(lián),在每一級限幅放大器輸出端加入整流器,將各級整流器輸出電流相加后通過跨阻輸出級轉(zhuǎn)化為輸出電壓[6]。器件top結(jié)構(gòu)如圖6。
圖6 器件top結(jié)構(gòu)
1)輸入信號功率很小時,各級限幅放大器處于線性放大區(qū),且輸出信號小,未達(dá)到限幅狀態(tài),輸出電壓隨輸入功率無明顯變化。
2)隨著輸入功率增大,限幅放大器6輸出端信號明顯增大。整流器6的輸出電流隨輸入功率變化明顯,限幅放大器6和整流器6的組合開始呈現(xiàn)近似的對數(shù)特性。隨著輸入功率繼續(xù)增大,使限幅放大器6接近限幅,限幅放大器1-5和整流器1-5分段進(jìn)入對數(shù)工作區(qū),直到限幅放大器1限幅,對數(shù)特性消失。
本文提出的大動態(tài)范圍對數(shù)放大器基于自主12 V互補(bǔ)雙極工藝,利用Spectre仿真器對電路進(jìn)行了仿真驗證。
圖7給出了器件對數(shù)響應(yīng)、對數(shù)誤差、動態(tài)范圍和響應(yīng)時間的仿真曲線。
圖7對數(shù)響應(yīng)仿真圖,仿真了30 MHz、100 MHz、300 MHz等三個頻率下器件的對數(shù)響應(yīng)圖,從圖中可以看出,在各個頻率下,器件的±1 dB對數(shù)精度大于88 dB。
圖7 各頻率下對數(shù)響應(yīng)仿真圖
圖8是器件的芯片圖,將電源和地線環(huán)繞版圖四周,確保每個引腳的ESD管泄放路徑最短,便于各個單元的布線,也有利于提高對數(shù)放大器電路的抗靜電能力。地盡可能的與襯底連接,確保襯底電位均勻且始終保持在最低電位。
圖8 芯片圖
本文提出的對數(shù)放大器進(jìn)行了流片,封裝采用8引線陶瓷扁平管殼,在5 V電源條件下最終參數(shù)測試結(jié)果見表1。
表1 測試結(jié)果(VS=5 V,25 ℃)
器件實測值同預(yù)期的結(jié)果基本一致,滿足對數(shù)放大器設(shè)計要求。
本文電路與國外同類產(chǎn)品AD8309和AD8310參數(shù)指標(biāo)對比情況如表2。
從表2中可以看出,本文介紹的器件在動態(tài)范圍與國外同類產(chǎn)品相當(dāng),工作頻率優(yōu)于國外同類產(chǎn)品,響應(yīng)時間比國外同類產(chǎn)品差。
表2 參數(shù)對比(25 ℃)
本文設(shè)計了一款基于互補(bǔ)雙極工藝的單片大動態(tài)范圍對數(shù)放大器電路,重點(diǎn)分析了各級線路結(jié)構(gòu)設(shè)計、對數(shù)放大器的實現(xiàn)等。采用自主互補(bǔ)雙極工藝,利用Spectre仿真器對電路進(jìn)行了仿真驗證,并進(jìn)行了流片。測試結(jié)果表明,該器件在5 V工作電壓條件下,工作頻率DC-500 MHz;對數(shù)斜率23~27 mV/dB;對數(shù)截距-87~-77 dBm;輸入失調(diào)電壓≤500 μV;電源電流≤14 mA;在對數(shù)精度±1 dB要求下,動態(tài)范圍可達(dá)到80 dB以上;在對數(shù)精度±3 dB要求下,動態(tài)范圍可達(dá)到88 dB以上;響應(yīng)時間≤600 ns。
本文提出的大動態(tài)范圍對數(shù)放大器的輸出級采用差分電流檢測,輸出單端電壓,可復(fù)用于高速運(yùn)算放大器、同類對數(shù)放大器的輸出結(jié)構(gòu)。器件的失調(diào)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可用于多級限幅放大器的失調(diào)補(bǔ)償,可復(fù)用于同類中頻放大器、對數(shù)放大器中。因此本文研制的對數(shù)放大器對自主互補(bǔ)雙極工藝的發(fā)展和應(yīng)用具有促進(jìn)作用。