一种基于双极工艺的大电流高输出电阻恒流源

李政，周文质，包磊，陈旺云

（贵州振华风光半导体有限公司，贵阳 550018）

1 引言

功率运算放大器因具有高压、大电流的特性，广泛应用于通信、汽车电子、工业控制系统、航空航天、武器装备等各个领域。高压大功率运算放大器由于自身性能的要求，常需用到在精度、工作电压和驱动能力上较占优势的双极工艺来实现[1]。基于双极工艺的驱动级往往需要运算放大器的增益级提供较大的电流，而提供大电流与增益级负载电路的高输出电阻特性相矛盾，同时还会面临版图面积增加、运算放大器性能下降等问题。本文设计了一种基于双极工艺的恒流源，其具有在输出大电流的情况下保持高输出电阻的特点，可应用于双极工艺的功率运算放大器。

2 传统恒流源电路结构

功率运算放大器的信号通路通常分为输入级、增益级和驱动级[2-3]。采用传统恒流源的运算放大器结构如图1 所示，其中VS+、VS-分别为正、负电源电压。P1 和P2 构成传统的电流源，最终由P2 为驱动级提供电流，其输出电阻为

图1 采用传统恒流源的运算放大器结构

式中VA为厄利电压，即晶体管放大区输出特性曲线的延长线与集电极-基极电压轴的交点[4-5]；IC为P2 的集电极电流。可以看出，若要增大电流，势必要降低增益级输出电阻，从而降低运算放大器增益，同时降低密勒补偿等效电容。在原始电流一定的情况下，增益级需要提供的电流增大，P2 的面积也需要等比例放大，造成版图面积和寄生电容增加，这种情况在需要输出大电流的功率运算放大器中尤为严重。这种情况不但会造成性能的衰退，也会造成芯片面积的增加，这与低成本、小型化的需求[6]是矛盾的。

3 改进型恒流源电路结构及直流分析

采用改进型恒流源的运算放大器结构如图2 所示，用三极管Q0、Q1、Q2、电容C1和电阻R 构成的恒流源电路取代图1 中的P2。

图2 采用改进型恒流源的运算放大器结构

将Q1 的集电极电流设计为远大于Q0 的集电极电流，则最终的输出电流约等于Q1 的集电极电流IC1，

式中VBE2为Q2 的BE 结电压。

为计算图2 中恒流源的输出电阻，需要将其进行小信号等效。改进型恒流源的小信号低频等效电路如图3 所示。由于是进行低频分析，因此忽略电容C1。图3 中，gm1、gm2为Q1、Q2 的跨导，R0、R1为Q0、Q1 的输出电阻，R2为Q2 的集电极结点到发射极结点之间的等效电阻。可以看出，在忽略C1的情况下，从Q2 集电极流向发射极的电流分为两路：路径一经Q2 的集电极直接流向其发射极；路径二流入Q1 的基极，经Q1 的集电极从R 流向Q2 的发射极结点。路径一的电流等于(V1-VO)/RO2，其中RO2为Q2 的小信号输出电阻；路径二的电流等于(V2-VO)/(β1R)，其中β1为Q1 的电流放大系数。计算路径二的电流时，忽略Q1 的BE 结电压变化，即V2≈V1，因此其电流约等于(V1-VO)/(β1R)。可见，两路电流总和为(V1-VO)/RO2+(V1-VO)/ (β1R)，故R2=RO2∥(β1R)。

图3 改进型恒流源的小信号低频等效电路

根据图3，

式中VO为测试整体电路输出电阻的测试电压，本恒流源结构最终的小信号输出电阻ROUT=VO/IO。

由于此电路务求使Q1 输出大电流，因此Q1 的集电极电流远大于Q2 的集电极电流，根据工作在放大区的三极管跨导与集电极电流成正比，有

VBE2≈0.7 V，故R≈0.7 V/IC1。

式中VAP和VAN分别为PNP 和NPN 的厄利电压，IC0为Q0 和Q2 的集电极电流（两者大约相等）。由于厄利电压一般远大于0.7 V，且显然β1≫1，故

已知gm1=IC1/VT，其中VT为热电压，且常温下VT≈26 mV，则

故而gm1R≫1。

最后，由于厄利电压远大于0.026 V，故有gm1R1和gm2R2均远大于1。

根据以上近似，可推导得出

这一结果可以通过直观分析进行解释。在图3 所示的电路中，由于Q1 和Q2 的BE 结电压几乎不变，故有V1≈VO，当VO产生一个小信号变化量ΔVO时，Q0 的电流会产生相应变化量

忽略Q1 的基极电流变化量，则Q2 的集电极电流变化量同样也是IC0，则Q2 的BE 结电压必然有相应的变化量

这会导致R 上相应的电流变化（同时也是Q1 集电极电流的变化），

最终的输出电流变化量就是IC0+IC1。可以看出，最终ROUT等于R0与gm2RR0的并联电阻，即

与式（12）的计算结果相符。可以看出，如果gm2R≫1，则ROUT≈R0。可见此恒流源的输出电阻对其输出电流不敏感，可以在增加输出电流的同时不至于使输出电阻衰减。相比之下，式（2）所示的传统恒流源输出电阻与输出电流成反比，在输出大电流的情况下会造成输出电阻的严重降低。

4 改进恒流源结构的环路分析

为保证稳定性，需要分析环路中的零极点，在设计和仿真的过程中有针对性地进行调整，并通过仿真保证相位裕度[7-8]。包含主环路的改进型恒流源的小信号高频等效电路如图4 所示。恒流源部分除加入电容之外，其余与图3 一致。Z 为运算放大器主环路的等效阻抗。

图4 包含主环路的改进型恒流源的小信号高频等效电路

根据图4，经工程估算可得

式中s 为传递函数。从恒流源看进去，运算放大器环路的负载等效电路如图5 所示：第一级为输入级，跨导和输出电阻分别为Gm1和Ro1；第二级为增益级，跨导的绝对值和输出电阻分别为Gm2和Ro2；第三级为输出驱动，增益估算为1；C 为主极点的密勒电容。图5 中的Gm1、Gm2、Ro1、Ro2、C 均包含在图4 的运放“控制部分”中。为简化计算，忽略除了C 以外的其他电容。

图5 运算放大器环路的负载等效电路

根据图5，经工程估算可得

将式（18）代入式（17），并根据实际参数的大小关系将s 的同次幂系数忽略掉小一个数量级以上的参数，得到如下结果：

从式（19）可以看出，传输函数包含两个零点和两个极点，设两个零点为z1、z2，两个极点为p1、p2，并假设z1≪z2，p1≪p2，则有

则

5 实际应用

将图2 所示的结构应用于某最大工作电压为±30 V 的功率放大器，采用6 μm、80 V 双极工艺进行设计，功率放大器版图如图6 所示。

图6 功率放大器版图

仿真结果如图7 所示，图中不同颜色的曲线对应不同的工艺角。从图7 可以看出，增益最小约为114dB。短路电流在典型情况下约为500 mA；在极限情况下，上拉电流最小约为260 mA，最大约为860 mA；下拉电流最小约为330 mA，最大约为711 mA。常温（25 ℃）下静态电流约为7.0 mA，高温（125 ℃）下约为5.1 mA，低温（-55 ℃）下约为9.6 mA。

图7 仿真结果

10 只样品的常温测试结果如表1 所示。可以看出，测试结果与仿真结果吻合。电源电压取±30 V，输出电压约为28 V，输出电流取200 mA，静态电流约为7.5 mA，则输出功率为5.6 W，静态功耗为0.45 W，输出功率与静态功耗之比约为12.4。作为比较，参考文献[9]的输出功率为0.15 W，静态功耗为32.5 mW，输出功率与静态功耗之比约为4.6。可以看出，本文设计的芯片输出功率与静态功耗之比更大，即在同样的静态电流下，本文所述的放大器能提供更大的输出功率。新结构的使用可使功率放大器产品获得大输出电流、低静态电流和高开环增益。

表1 10 只样品的常温测试结果

6 结论

本文设计了一款基于双极工艺的恒流源，该恒流源的特点是能够在大输出电流的情况下保持其输出电阻不衰减，在需要输出大电流的功率放大器中有相当大的优势。应用本恒流源的实际功率运算放大器静态电流可达7.5 mA、短路电流约为500 mA、电压增益超过110 dB，输出功率与静态功耗之比约为近期同类产品的3 倍，具有很强的实用价值。