任保佳，魏海龍，白歡利

（西安微電子技術(shù)研究所，陜西西安 710065）

近年來，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展及電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，作為電子系統(tǒng)基本單元的集成運(yùn)算放大器已經(jīng)滲透到生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]，其性能好壞通常會(huì)對(duì)整個(gè)電子系統(tǒng)的品質(zhì)有決定性作用[3-5]。在一些需要對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行采集和測(cè)量的精密領(lǐng)域，探測(cè)器輸出電流能在毫安到皮安量級(jí)進(jìn)行變化，此時(shí)運(yùn)算放大器（以下簡(jiǎn)稱運(yùn)放）的失調(diào)電流和偏置電流就成為限制探測(cè)精度的主要因素。為了應(yīng)對(duì)此類通用運(yùn)放無法解決的問題[6]，必須要設(shè)計(jì)出具有低偏置電流、低失調(diào)電流和低失調(diào)電壓等特性的高精度運(yùn)算放大器[7-8]。

文中分析了國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的高精度運(yùn)放的設(shè)計(jì)原理和有待提升的不足(偏流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)精度較低、輸入級(jí)引入失調(diào)較大等)[9-13]，提出了一款高精度運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過使用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)等方法，進(jìn)一步減小了偏置電流和輸入失調(diào)，優(yōu)化了相關(guān)的參數(shù)。

1 電路結(jié)構(gòu)分析

文中所設(shè)計(jì)的運(yùn)放主要分為輸入級(jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)三級(jí)。為了獲得低偏流、低失調(diào)等高精度運(yùn)放的關(guān)鍵參數(shù)，輸入級(jí)的電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后續(xù)的版圖布局至關(guān)重要。而中間級(jí)和輸出級(jí)主要和運(yùn)放的增益和輸出能力有關(guān)。

1.1 傳統(tǒng)輸入級(jí)

在之前的設(shè)計(jì)中，為了減小輸入級(jí)的輸入偏置電流，一般使用的方法有使用MOS 管或JFET 管作為輸入級(jí)[14]、提升輸入管電流增益（超β管）和設(shè)計(jì)偏流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)等。其中MOS管與JFET管作為輸入級(jí)工藝成本較高，失調(diào)特性較差，這里不作詳細(xì)說明。

圖1 所示為一早期的偏流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，這一設(shè)計(jì)及其相似的衍生類結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)外的高精度運(yùn)放設(shè)計(jì)中曾被廣泛使用[10-12]。補(bǔ)償原理如下：采樣管Q4 和輸入管Q2 的集電極電流大致相等，可近似得IC4=IC2，管Q7、Q8 組成的電流鏡采樣了Q4 的基極電流并返回一個(gè)近似相等的電流到Q2 的基極，從而完成偏流補(bǔ)償，減小輸入偏流。實(shí)際上，由于采樣管Q4 和輸入管Q2 的集電極電流和β并不完全匹配，再加上PNP 電流鏡基極電流和厄利效應(yīng)帶來的誤差，最終會(huì)有1/20～1/5 的基極電流未補(bǔ)償。

圖1 傳統(tǒng)偏流補(bǔ)償一

考慮基極電流時(shí)的誤差情況：

根據(jù)上式分析，由于PNP 管β較小，所以相比于采樣電路而言，PNP 電流鏡會(huì)成為更大的誤差來源。此外，這一偏流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)由于匹配性較差會(huì)導(dǎo)致失調(diào)電流的增大。失調(diào)電流變成了原始輸入管與補(bǔ)償結(jié)構(gòu)兩部分失調(diào)電流的總和。后者的大小取決于補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中晶體管尺寸和β的匹配程度。

1.2 電流鏡精度分析

通過對(duì)傳統(tǒng)偏流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的分析可知，采樣電路和電流鏡的精度決定了偏流補(bǔ)償?shù)木?，為減小電流鏡電路所帶來的誤差，以普通NPN 電流鏡(見圖2)為例進(jìn)行分析。

圖2 普通NPN電流鏡

在理想情況下，若不考慮基極電流和厄利效應(yīng)帶來的誤差，則有為電流鏡的理想電流增益。實(shí)際上，在考慮基極電流的情況下：

再加上三極管固有的厄利效應(yīng)，結(jié)合圖3 推導(dǎo)出如下公式：

圖3 Q2管的輸出特性

其中，VA為厄利電壓，βF為三極管電流增益，由公式可知，通過減小VCE2-VCE1的差值和減小基極電流等方式可以提升電流鏡精度。

1.3 改進(jìn)輸入級(jí)

為改善之前的電路設(shè)計(jì)，提高偏流補(bǔ)償?shù)木炔p小輸入失調(diào)，文中從電路結(jié)構(gòu)和電路器件兩方面進(jìn)行了改進(jìn)，提升了運(yùn)放的精度。圖4 為所設(shè)計(jì)高精度運(yùn)放的輸入結(jié)構(gòu)。

圖4 改進(jìn)后的輸入結(jié)構(gòu)

為了獲得低的偏置電流和失調(diào)電流，電路采用了超β管作為輸入管，為解決超β管BC 結(jié)發(fā)生擊穿的問題，使用Q20 和Q22 對(duì)輸入級(jí)進(jìn)行電壓鉗位，使得從Q5、Q6 的基極到Q1、Q2 的發(fā)射極只有大概兩個(gè)二極管的壓降，保證Q1、Q2 的BC 結(jié)接近零偏，不發(fā)生擊穿。此外，電路使用了一種新的偏流補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對(duì)輸入管基極電流進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償原理如下：

Q12、Q13 完全相同，電阻R3、R4阻值相等，所以兩支路電流近似相等IC12=IC13。對(duì)于Q17、Q18 和Q19組成的電流鏡而言，由于電阻R8、R9、R10、R11阻值相等，可列出下列等式：

而三極管Q19 的發(fā)射極尺寸是Q17 的三倍，即:

結(jié)合式（4）、（5）可得：

因?yàn)镼17 電流近似等于Q13 電流IC17=IC13，所以可以近似列出等式IC19=3IC12，又因?yàn)镼3 集電極電流基本等于Q12集電極電流，輸入管Q1、Q2所在兩支路完全對(duì)稱——平分剩余電流，所以可近似得出結(jié)論Q1、Q2和Q3所在三支路電流相等

因?yàn)镼9、Q10、Q11 三管尺寸完全相同，所以發(fā)射結(jié)壓降也相同，可得：

且IC11=IB3，避免了PNP 電流鏡基極電流的影響，所以基本補(bǔ)償了Q1、Q2 輸入管的基極電流。

圖4 中，采樣管Q3 和輸入管Q1、Q2 的器件類型、尺寸和工作狀態(tài)基本相同，保證了采樣的精確性。Q18 管的存在使得Q17～Q19 電流鏡的基極電流誤差基本可以忽略。為降低電流鏡中厄利電壓對(duì)鏡像精度的影響，上下兩個(gè)電流鏡都采用了射極負(fù)反饋電阻。此外，由圖4 可知，Q12 的集電極電位等于Q11基極電位加Q11 發(fā)射結(jié)壓降，Q13 的集電極電位等于Q11 的基極電位加Q15 發(fā)射結(jié)壓降，因此Q12、Q13 集電極電位近似相等，進(jìn)一步降低了厄利電壓的影響，提高了電流鏡鏡像精度。

為更精確地保證采樣管與輸入管的電流比例關(guān)系，提高采樣精度，使PNP 電流鏡工作在相同的狀態(tài)下并規(guī)避基極電流的影響，提高電流鏡的鏡像精度，文中所設(shè)計(jì)的輸入級(jí)結(jié)構(gòu)大大提升了偏流補(bǔ)償?shù)奶匦?，使補(bǔ)償更加精確，仿真結(jié)果顯示最終偏置電流只有皮安量級(jí)。

在輸入失調(diào)方面，為減小系統(tǒng)失調(diào)，使輸入級(jí)完全對(duì)稱，同時(shí)輸入級(jí)采用共射共基結(jié)構(gòu)提供較高增益。電路的雙轉(zhuǎn)單在中間級(jí)完成，由此后兩級(jí)固有的不對(duì)稱對(duì)失調(diào)電壓的影響等效到輸入級(jí)時(shí)都應(yīng)除以輸入級(jí)較高的增益，因此降低了電路的失調(diào)。

1.4 中間級(jí)和輸出級(jí)

除輸入級(jí)提供的部分增益外，大部分增益需由中間級(jí)提供，圖5 為中間級(jí)和輸出級(jí)的簡(jiǎn)圖。中間級(jí)由一個(gè)差分電壓放大器和M6 組成，M6 作為射級(jí)輸出器連接到輸出級(jí)，同時(shí)通過將M6 的發(fā)射極連到M4 的發(fā)射極組成自舉電路，這一結(jié)構(gòu)自舉了M4 的輸出阻抗ro4，因此僅有輸入PNP 的輸出阻抗對(duì)增益起了作用，輸入PNP 管是橫向器件，輸出電阻可以根據(jù)需要做得足夠大。

圖5 中間級(jí)和輸出級(jí)

根據(jù)文獻(xiàn)推導(dǎo)，中間級(jí)增益表達(dá)式為：

M9、M10組成class AB 形式的互補(bǔ)輸出級(jí)[15]，M7、M8 的存在避免了交越失真。為增強(qiáng)M10 電流沉的能力，設(shè)計(jì)了一個(gè)電流增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使用M13 采樣M10的電流并通過由M11、M12 組成的電流鏡連接回M10 的基極，這樣M12 就可以持續(xù)為M10 提供足夠的驅(qū)動(dòng)，保證了M10 電流沉的能力。

2 版圖設(shè)計(jì)

對(duì)于高精度運(yùn)算放大器而言，良好的版圖設(shè)計(jì)是降低失調(diào)電壓[16]、失調(diào)電流和相應(yīng)溫漂以及提升共模抑制比必不可少的部分。為了降低工藝變化率對(duì)器件匹配的影響，需要將輸入超β對(duì)管分為四份并以同質(zhì)心布局交叉連接發(fā)射區(qū)，使用這種連接方式還可以獲得較低的1/f噪聲并抑制熱反饋對(duì)輸入級(jí)漂移的影響。在排版方面，輸入級(jí)的輸入管、負(fù)載管以及中間級(jí)的輸入管和負(fù)載電流鏡都與輸出級(jí)分別對(duì)稱分布在芯片中線上下，從而降低輸出級(jí)產(chǎn)熱對(duì)輸入級(jí)、中間級(jí)的影響，最大化直流增益。

如圖6 所示，虛線右邊為互補(bǔ)輸出級(jí)的NPN 與PNP 管，虛線左邊為輸入級(jí)和中間級(jí)，兩邊都對(duì)稱分布在芯片中線上下。

圖6 運(yùn)放排版的部分截圖

3 仿真分析

文中所設(shè)計(jì)的高精度運(yùn)算放大器基于西岳有限公司標(biāo)準(zhǔn)雙極工藝進(jìn)行仿真分析，表1 為文中設(shè)計(jì)運(yùn)放與國(guó)內(nèi)外同類運(yùn)放關(guān)鍵參數(shù)的比較（25°正常工作條件下）。

通過表1 數(shù)據(jù)可知，文中所設(shè)計(jì)運(yùn)放的偏置電流、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)與國(guó)內(nèi)外其他高精度運(yùn)放的相應(yīng)參數(shù)相比都較為優(yōu)秀，可以較好地滿足高精度運(yùn)放的設(shè)計(jì)要求。表2 為運(yùn)放的其他主要性能參數(shù)（25°正常工作條件下）。

表1 文中電路與相關(guān)文獻(xiàn)同類電路

表2 運(yùn)放的其他性能參數(shù)

圖7 為運(yùn)放的開環(huán)頻率特性，仿真條件為溫度25 ℃，供電電壓±15 V，負(fù)載為20 pF 電容和1 MΩ電阻。結(jié)果表明，運(yùn)放直流開環(huán)增益可達(dá)130 dB，單位增益帶寬983.29 kHz，相位裕度60.91°。

圖7 運(yùn)放的開環(huán)頻率特性

4 結(jié)束語

文中提出了一種低偏流、低失調(diào)的高精度運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，分析了傳統(tǒng)電路的原理和不足，通過對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件等方面的改進(jìn)，保證在正常工作情況下運(yùn)放的偏置電流、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等性能都有較大提升，尤其在失調(diào)電流和偏置電流方面達(dá)到皮安量級(jí)，優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類高精度運(yùn)放。運(yùn)放中間級(jí)采用自舉結(jié)構(gòu)，僅使用少量器件就提供了90 dB 的低頻增益，輸出級(jí)在保證線性度和低失真的前提下，提供了較大的輸出擺幅和驅(qū)動(dòng)能力，且所需功耗較小。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于許多微弱信號(hào)的精密檢測(cè)和處理，如高精度穩(wěn)壓電源等。