高压大功率集成运算放大器研究

发布时间：2020-06-18 13:22

【摘要】：高压功率集成运算放大器除具有对信号的采集、比较、放大和运算等通常的模拟芯片特性功能外,由于其高压大电流的特点,非常适用于需要小体积、大输出功率的场合,广泛应用于一切末级需要大功率输出的电子装置中,在工业控制系统、通讯、汽车电子、轨道交通、新能源节能、军/民用航空航天、武器装备等各个领域都有广泛的应用,如工业控制系统和民用航天的电机驱动和陀螺驱动、汽车电子的音频放大和点火装置、轨道交通的电源变换、机车的电源阵列等,同时是各种武器装备中的关键核心器件。由于高压功率集成运算放大器在军民产品中都得到广泛应用,所以对该方面的研究具有非常重要的意义。高压功率集成运算放大器具有很大的功率输出,较高的工作电压和较大的工作电流,该类芯片都会具有较大的体积和较高的功率消耗。本课题设计的芯片将会围绕单片、高压和大功率三个方面进行研究,整个单片高压功率运算放大器将采用单芯片集成,无需任何外围辅助电路即可实现高电源电压工作和大电流输出,而不是采用通常的多个芯片和外围辅助电路混合集成或者模块来实现,体积更小且可靠性更高。本文研究的单片高压大功率集成运算放大器,采用6μm/80V兼容P-JFET的功率双极型工艺平台,依次完成了电路设计、电路仿真、版图设计以及版图验证等工作。在输入级的设计中选择了JFET差分对输入结构,有效降低了电路的输入失调参数;而中间级电路选择了共集-公射输入结构,实现了较高的电压增益;而输出级电路采用了双端输入的达林顿结构,实现了输出3A电流的目标;在功率模块设计中选择了热检测和自散热的电路结构,能自动调节基片温度。完成了功率运放整体电路的仿真分析,各项指标都满足预期的设计要求,输出功率值达到了38.25W。根据整体电路的设计结构,完成了整体电路的版图设计,并且通过了DRC验证。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN722
【图文】：

集成运放,基本结构,差分输入级

2.1 功率集成运放电路基本结构集成运算放大器是模拟集成电路的重要组成部分，根据各行各业的不同需求，诞生了很多种不同电路结构的集成运放，但其基本组成结构和基本构成原则在宏观上基本都是一致的。集成运放的基本结构形式如图 2-1 所示，常规的运放电路都是由输入级、中间级、输出级和偏置电路四部组成，而高压大功率集成运放还需要加入保护电路模块（过压保护、过流保护和过温保护等，可根据不同需求进行选择）[6] [7]。集成运放输入级的主要作用是放大差模输入信号（V:V;）和抑制共模信号（V:V:），并将其改变为单端信号传输至下一级。在集成运放中，常规的输入级结构包括[8]：共射差分输入级、共集共基差分输入级、共射共基差分输入级、达林顿差分输入级和场效应管差分输入级。中间级电路则由频率补偿电路和恒流源偏置电路构成，一般采用一级或二级放大结构对电路电压进行当大。而常用的输出级电路包括：单管射随器输出级、推挽输出级和互补输出级等，用来针对电路的输出级电流进行放大。

结构框图,功率集成,运放,结构框图

图 2-2 功率集成运放的结构框图本课题所设计的单片高压功率运放，具有电源电压高、电源电压范围宽及输出电流大等特点，对各级电路的选择具有较高的要求。对输入级要求：高输入阻抗、低输入电流、高输出阻抗及无米勒效应等特点；对中间增益级要求：采用有源负载实现高输出阻抗，提供足够大的电压放大能力，加入米勒电容实现频率补偿；对输出级要求：足够高的电流放大倍数，可以实现足够大的输出电流。因此，在进行整体电路的设计时，可以根据运放各级的需求来选择合适的电路结构。2.2 输入级电路结构在直接耦合的电路中，第一级输出的误差会直接输入到第二级的输入端，经过第二级的放大之后，再送到第三级的输入端，这将在最终的输出引起相当大的误差，我们称之为零点漂移。引起这种误差的原因有很多种，其中温度偏移是最常见的，那么主要通过以下三种方法减小温漂：引入直流负反馈以减小温漂；采用热敏元件抵消温[8] [9]

【参考文献】