基于0.5μmCDMOS工艺大电流功率运算放大器的研究与设计

发布时间：2020-09-27 14:19

　　随着集成市场对高集成度、微小型化便携式电子设备需求的不断增加,使得低压供电电路系统的需求也不断增长。大电流线性驱动功率运算放大器作为电子设备驱动电路的重要组成部分,其市场需求巨大。国内运算放大器芯片电路设计大多集中在射频功率放大器、音频功率放大器及一些通用类运算放大器的设计上,较少涉及大电流输出的功率运算放大器电路的设计。本文将研究高输出电流功率运算放大器电路设计,为大电流线性驱动功率运放提供设计参考。本文基于0.5μm 5V CDMOS工艺,研究并设计了一款低压大电流输出的功率运算放大器,其最大交流不失真输出电流为390mA。主运放第一级电路采用NMOS对管输入的折叠式共源共栅结构来获得足够的增益,采用Sooch级联的镜像电流源为负载,简化了电路结构,输出级采用共漏配置的Class-AB输出级电路,获得轨对轨满摆幅输出(Rail-to-Rail输出)。优化基于V_T设计的基准源电路传统结构,提高其电源抑制比(PSRR),并增加补偿电路进一步提高基准电流稳定性。基于线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO)电路中限流电路的设计思路,实现了具有800mA限流功能的大电流功率运放的限流保护电路。另外,该芯片具有由外部高低逻辑电平控制芯片输出关断与开启的功能,使得该设计可以满足更多应用场景的需要。过温保护电路模块使得芯片能够工作在-40℃~125℃的温度范围内,即满足工业温度范围标准,其增强型设计也可以满足-55℃~150℃的军用工作温度范围要求;鉴于其输出的线性驱动能力及稳定性,该设计可以应用于智能手机、摄像机、天文望远镜等系统中,用于驱动音圈电感实现系统对焦的功能。市面上390mA左右输出电流的功率类芯片大多采用BJT、BCD、FET等工艺,设计相对复杂,附加成本高。与之相比,本设计具有成本优势和更高的静电防护能力。本设计最终实现两次流片和封装测试验证,从测试结果来看芯片基本达到了设计要求,有望实现量产。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN722.77
【部分图文】：

功率运算放大器,领域

研究背景路产业是信息技术产业的核心。近年来，随着我国对集策实施，我国 IC 产业得到了迅速发展。在信息化、智能路的应用已经渗透到我们生活的方方面面。高度集成化、天文望远镜等电子产品日益成为人们青睐的对象。对正常工作需要各功能单元之间的协同配合才能完成，其输、处理的重要单元，在信息通讯中起着至关重要的作大器是模拟集成电路基本的构成部分，用于对模拟信号应用工业控制、电子通讯、汽车电子、航空航天、消费据其运算放大器的参数分类可分为：通用类、精密类、类等，其中通用型运算放大器应用最为广泛[1]。功率运中重要的组成部分，在电子通信领域起着关键作用。图大器广泛的应用领域。

应用场,输出范围,容性负载

湘潭大学硕士学位论文些优点使得其成为在模拟电子系统中应用最为广泛的一种输出级结构[2-6]。开关类功率放大如 D 类、E 类、F 类等输出信号的失真较为严重，多用于射频功率放大电路系统中[7-12]。在线性驱动电路中如驱动音圈电感、感应式负载、电机等，往往要求输出有较好的线性度，因此在该部分使用的功率放大器多采用 AB 类输出级[13-22]。国内外市场上，作为线性驱动的功率运算放大器占有相当大的份额，是驱动电路中不可或缺的组成部分。但是，国产大电流功率运算放大器芯片相对较少，因此对其作为研究对象，设计出稳定性好、输出电流大、抗干扰能力强的大电流功率运算放大器已成为必要。大电流输出功率运算放大器的应用场景：用于驱动容性负载如图 1.2（a）所示；作为 DAC（数/模转换）的输出级扩展输出如图 1.2（b）所示，还可以接成单位负反馈结构构成电流缓冲器等。在实际应用中，可以用于手机摄像机或者天文望远镜等系统电路中，用来驱动音圈电感实现图像的对焦[23]。图 1.3 为天文望远镜系统中驱动电路工作原理。

天文望远镜,驱动电路,工作原理,容性负载

算放大器已成为必要。输出功率运算放大器的应用场景：用于驱动容性负载如图AC（数/模转换）的输出级扩展输出如图 1.2（b）所示，结构构成电流缓冲器等。在实际应用中，可以用于手机摄系统电路中，用来驱动音圈电感实现图像的对焦[23]。图驱动电路工作原理。(a) (b) 1.2 应用场景 (a) 驱动容性负载；(b) 连接 DAC 扩展输出范

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