1、深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223一种 BiCMOS 工艺的 AB 类自适应偏置输出级 (1重庆邮电学院 重庆 400065；2信息产业部电子二十四所 重庆 400060) 摘要：介绍了一种采用 BiCMOS 工艺技术制造的具有较大的驱动能力、转换速率和较低的功耗的 AB 类输出级。他是利用跨导线性原理实现自适应偏
2、置的 AB 类输出级。通过对这种结构的工作原理，结构特点的分析，仿真得出电阻负载为 2k，电容负载为 100 pF 时的最大上升、下降转换速率分别为 40 V/s 和 30 V/s；在15 V 的电源下，静态功耗小于 10 mW。关键词：模拟集成电路；跨导线性原理；专用集成电路；放大器 1 引 言通常设计运算放大器的输出级时，要考虑他的驱动负载能力、输出动态幅度、输出阻抗以及频率特性。好的输出级电路应具有强的驱动能力、底的输出阻抗、大的输出幅度和较好的频率特性。在 BiCMOS 电路中，由于 BiCMOS 工艺可以很方便地制造出双极晶体管，所以常采用如图 1 所示的射极输出级电路形式，此时 M
3、1 只是用作恒流源作为 Q1 的直流偏置。他的正向驱动能力，取决于输出管的跨导，在负向输出时，M1 必须用作负向驱动管。由于负向工作的 MOSFET 同正向工作的 BJT 的传输特性不一样，输出电压的上升和下降速率是不同的，另外此类电路属于甲类状态，静态功耗较大。为了改善输出电流驱动能力的对称性还有一种常用的改进型电路如图 2 所示，他加了一级 CMOS 共源放大器，提供一定的电流增益，并将输入信号方向加到 Q1 的基极，M3 所加信号与输入信号同向，当输出电流负向变化时，输入信号正向变化，从而使 M3 的电流吸收能力得到扩展，改善了电流驱动能力的对称性，但是这种电路的输出电阻比较大，同时下拉
4、负载管 M3 在正向输出时无法关断，所以功耗较大，难以适应大电压摆幅，大电流输出的情况。针对以上情况，因此需设计新增运算网络 F，如图 3 所示，这样才能保证正、负向的传输特性一样，克服零点失真。下面来求网络 F 的运算函数，正向输出时，其传输特性为：设计 AB 类输出级的重点及难点就是设计出满足速度、功耗要求的运算网络 F，本文提出利用跨导线性原理建立运算网络 F 的一种强驱动能力的 AB 类 BiCMOS 输出级。他具有负向输出摆幅大、静态功耗小、输出效率高、建立时间短、正负向电流输出能力一致的优点。2 输出级分析与设计深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十
5、强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223在分析 AB 类 BiCMOS 输出级原理前，先来推导一个重要公式。众所周知，三极管在线性放大区工作时，若假定三极管的 1 其 VBE 与集电极 IC 的关系可表示为：其中：IS 为三极管发射极反向漏电流，且：其中：q 是电子点荷；A 是发射极面积；Dn 是基区中少数载流子的平均扩散系数；ni 是硅材料的本征载流子浓度；WB 是基区宽度；NA 是基区
6、受主杂质浓度。在包含 N 个 PN 结的闭环(简称 TL 环路)中，用某种方法使结正向导通，结电压 VBE 之和应等于 0，结合式(4)和式(5)即得：式(6)中在所有项均出现热电压 VT，可以假定所有结的 VT 都相等。考虑到 ln(1)0，且 IS，式(6)可改写为：目前任何实际电路均工作于 IE/IS1 的情况，因此，为保持积为 1，在维持合理的工作电流的同时，必需满足 2 个基本条件：(1)VBE 环内的结数必须是偶数(至少 2 个)。 (2)面向顺时针方向(Cw)和面向逆时针方向(CCw)的结数必须相等。根据对称要求，式(6)可重写为：IC/IS 正是发射极电流密度，于是式(8)可阐
7、述为：在一个包含偶数个正向偏置 BE 结的闭环中，若面向顺时针方向(Cw)和面向逆时针方向(CCw)的结数相等，则顺时针方向的发射极电流密度之积等于逆时针方向的发射极电流密度之积。此原理是电流模式模拟集成电路设计中重要的跨导线性原理(TLP)，他是设计和分析双极型 BJT 模拟集成电路的一个有力工具。应用跨导线性原理使得有可能很快鉴别相当复杂电路的性能，使分析变得简单。图 4 是一种利用跨导线性原理的 AB 类 BiCMOS 输出级电原理图，负向输出时利用 Q4 的放大作用为 M2提供栅极电压 VGS 以满足式(3)的要求。注意，该电路中的电流源 I0 不能是常数，否则负向输出时 Q2 始终有
8、一电流不能截止，从而降低输出级的效率。实用中，该电路还必需附加另外辅助电路。假定 Q1Q4 的，则常数 IC1=IC3I1=，图 4 中 Q1Q4 形成一个闭合的 BE 结环，静态时，所有 BE 结都正向导通，跟据跨导线性原理可直接写出：分别为 Q1Q4 静态时的集电极电流，A1A4 分别为 Q1Q4 发射结面积。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：
9、0755-26546699-223双电源工作正向输出时，随着输入电压 Vi，IC2，由式(9)可知 IC4降低，VJ 降低，Q5 逐渐开启，Q4 逐渐截止，IC5I0，Q4 截止后 M2 的栅极电压 VGM1VJVKVBE5VK07常数，通常在 M2的开启电压以下，此时输出极等效于一个普通射随器。其最大正向输出幅度 Vomax由输入电压 Vi 决定：负向输出时，随着输入电压 Vi VB1(VB2) 由式(9)可知 IC2 VBE4IC4=(I0-IC5)IC4 的增加将使得 VJ 升高，当(IC4)maxI0 时，IC2 降到最低(IC2)minKI12/I0，图 5 是用Cadence 仿真
10、所得的 VJ 和 IC4 随输出变化的 DC 扫描，当输出从正向输出变为负向输出时，IC4 开始导通、VJ 升高、下拉管 M2 打开、电流灌入。此时 Q5 截止，构成的以负载为负反馈的共射放大器，于是 VJ 随着Vi 的下降逐渐上升，负向输出电压 Vo逐渐下降，VceQ4 不断减小，当不断减小负向输出电压下降到使Q4 退出饱和状态时，输出电压 Vo降到最低(不再随 Vi 的下降而下降)。先定性分析 Vomax与负载 RL 的关系。在图 4 中，由于负载 RL 及下拉管 M2 在 Q4 构成的射级放大器中是电压(Vomax)负反馈元件，根据负反馈原理，这种电压负反馈关系可在很大负载范围内稳定输出
11、电压 Vomax，即 Vomax与负载 RL 几乎无关，只有当Vomax/RLI0 时，此时 M2 几乎截止，I0 也将因 VJ 的减小逐渐退出饱和状态而减小，这时 RL 的变化才会使Vomax的变化速率加快。若 I0 取100A，则 RL 在 240k 范围内变化时 Vomax的变化幅度不超过 10。负向输出最大时，下面大致估算负向最大输出电压 V0max。流经 Q4 和 M2 的电流分为 2 部分外部灌入电流和 Q2 的 IC2，其中 Q2 的 IC2 为：在通常情况下，负向输出时由于 Q5 趋近于截止状态，IC2 与输入灌电流相比可以忽略不计。在负向输出最大时可得出如下结论，当 Q4 退
12、出饱和状态时：仿真结果如图 6 所示，当 VJ 和 Vo 接近时，Q4 退出饱和状态负向输出达到最大值。联合式(12)和式(13)可求得： 3 电路仿真模拟结果该运放输出级采用了 6mBiCMOS 工艺，设计的目标是驱动较重电容负载(达到 100 pF)，输出摆幅10V，较大的电流输出和灌入电流(达到 5 mA)，在最大输入输出电压的情况下负载可达到 2 k，同时满足速度和功耗的要求。深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试
13、及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223利用 Cadence 仿真获得了所希望的较大的转换速率，如图 7 所示，是输入为1010 V 峰峰值方波时的输出波形。可见，在电阻负载为 2k，电容负载为 100 pF 时最大上升、下降转换速率分别可达到 40 V/s 和 30 V/s。输出级的静态和动态功耗是输出功率电路极其重要的性能指标，本文所提出的自适应偏置 AB 类输出级在这方面有着优异的表现，图 8 中所示的 2 条波形线分别是正向输出驱动管 Q3 和负向输出下拉管 M2在输出电压从10V 变化到10V 时电流输出的 DC 扫描
14、图，可以看出，在正向输出时，M2 和 Q4(见图 5)都趋近于关断，而在负向输出时，Q2 也趋近于截止，使输出效率得到极大提高。4 结 语自适应偏置 AB 类输出级同样也因正、负向和静态附近工作情况不同其频率响应也不同，主要表现在负向输出时的相移比正向输出时大，为改善负向输出的频率特性，引入了共栅 MOS 晶体管 M1，M2，这 3个共栅晶体管使该输出级的负向频率特性有了明显改善，仿真结果表明，这种自适应偏置 BiCMOSAB 类输出级带宽、静态功耗、速度及负向摆幅远远优于通常结构的 BiCMOSAB 类输出级(输出摆幅10V，静态电流300A，正、负向建立时间15S)。 参考文献 1Gray
15、 P R Meyer RG MOSoperational amplifier design - tutorial overview J. IEEE J .Solid-State Circuit 1982 (12). 2Gilbert B . Wideband negative - currentmIRrorJ Electronics Letters，1975，11(6) 3Toumazou，LidgeyC，FJHaigh，DG模拟集成电路设计电流模法M 姚玉洁， 冯军，尹洪，等译北京：高等教育出版社，19964Degrauwe M G，Rijmenants，Vittoz J，etalAdaptive biasingCMOSamplifiersJ IEEE J Solid-State Circuit，1982，(6)深圳金百泽电子科技股份有限公司（）成立于 1997 年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的 PCB 设计、 PCB 快速制造、 SMT 加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223
