(1.滕州市衡器管理所山东滕州277599;23.滕州市产品质量监督检验所山东滕州277599)
摘要：近年来，我国的电力系统发展迅速，在电路设计中采用有源负载电感效应技术来提高系统的带宽；同时，为了优化由器件间失配导致的失调电压，提出了一种改进的失调电压消除技术。通过在负反馈环路中使用18,pF的电容来构建低频滤波器，该技术可以实现22.8,kHz的高通截止频率。蒙特卡罗仿真结果表明，该放大器输出端的直流失调电压均值为78.48,μV，标准差为3.73,mV.工作在1.8,V电源电压下，限幅放大器的带宽为6.0,GHz，增益为24.2,dB，功耗为23.6,mW，版图面积为0.030,6,mm2(170,μm×180,μm)。
关键词：差分套筒共源共栅；JFET；低偏置电流；功率运放
引言
在输入信号较小时，限幅放大电路处于线性放大区；当输入信号达到一定的幅度，输出电压的幅度将不随输入信号幅度变化而维持在一定值上，处于限幅工作状态。限幅放大器可以作为对微弱输入信号的频率、相位进行测量之前的预处理电路，常用于数字传输系统、信号整形和过压保护等。
1限幅放大器的分析及设计
本文采用了4级(LA1～LA4)级联结构，设计了增益为24.2,dB、带宽为6.0,GHz的限幅放大器。工作在1.8,V电源电压下，该放大器的差分电压输出幅度为1,000,mV。为了提高放大器的带宽，这里采用了有源负载的电感效应技术，通过在负载NMOS晶体管的栅极和VBH间插入一个电阻，利用该结构产生的电感来提高每级放大器的带宽。
2集成电压比较器的选择
第三级采用集成电压比较器构成电平转换电路，将-3.9V~+3.9V之间的限幅信号整形且转换为TTL电平。虽然集成运放也可以用来构成电压比较器，并且与集成运放相比，集成电压比较器的开环增益低、失调电压大、共模抑制比小。但是集成电压比较器的响应速度快、传输延时时间短；一般不需要外加限幅电路就可以直接驱动TTL、CMOS和ECL等集成数字电路；有些负载能力强的集成电压比较器还可以直接驱动继电器和指示灯；如果给集成电压比较器设置很小的回差还能提高转换速度，从而避免寄生电容引起的振荡现象。
3系统失调电压分析
为了减小放大器输出端的失调电压，本文利用负反馈基本原理，通过检测输出端的失调电压，经低频滤波器和放大器，将输出端的直流失调电压反馈到输入端。利用这种方法，不但抑制了输出端直流失调电压，而且高频信号通路不受任何影响。为了更清楚地分析该电路，下面对系统的失调电压特性和传输函数进行推导。对于均衡滤波器电路，由器件间失配导致的等效输入失调电压近似为
对于每级限幅放大器单元，由器件间失配导致的等效输入失调电压近似为
式中：VGS为晶体管的删源电压；VTH为晶体管的阈值电压；w/l为晶体管的宽长比。根据式(1)、(2)，可以得到开环限幅放大器整体的等效输入和输出失调电压分别为
式中：Ae表示均衡滤波器的低频增益；Ali(i＝1，2，3，4)为第i级限幅放大器的低频增益。由式(4)可知，在直接耦合级联方式下，限幅放大器的直流失调电压会经级间不断放大。为了减小直流失调，电路设计中必须加入负反馈网络。根据叠加原理，可以推导出带有负反馈网络的闭环限幅放大器整体的输出失调电压近似为(5)式中：Af1和Af2分别表示反馈网络中第1级放大器和第2级放大器的低频增益，gmf3表示第3级放大器AF3的差分输入对管的跨导；gme代表均衡滤波器差分输入对管的跨导；Vos_oc,in为负反馈网络的等效输入失调电压，其值远小于开环限幅放大器的等效输入失调电压Vos_nooc,in。从式(5)可知，该闭环限幅放大器输出端的失调电压由两部分构成，第1项是由负反馈电路贡献的，第2项是开环限幅放大器自身导致的。针对前者，可以在电路设计中增加晶体管的面积，放大器的差分输入对管以及负载电流镜来优化失调电压，后1项主要靠增大负反馈网络中放大器的增益来优化。对比式(4)和式(5)，可知由于反馈环路的存在，闭环系统输出端的失调电压极大的较小了。另外，基于此结构，系统的低频噪声也可以得到抑制。
4限幅放大器的仿真研究
根据预定要求给出限幅放大器原理图，在Multisim12中的仿真测试电路如图1所示。示波器XSC1的ChannelA测量整个电路的输入信号ui，ChannelB测量第一级同相比例放大电路的输出信号uo1。示波器XSC2的ChannelA测量第二级限幅放大电路的输出信号uo2，ChannelB测量第三级电平转换电路的输出信号uo。
图1限幅放大器的仿真电路
在图1所示的电路中，输入正弦信号（峰值10mVpk、频率100Hz），用示波器XSC1测试同相比例放大电路的输入和输出波形。ChannelA在光标T2和T1处的差值即为输入信号的峰峰值（9.983+9.993）mV=19.976mV，ChannelB在光标T2和T1处的差值即为输出信号的峰峰值（25.875+14.077）mV=39.952mV，可以计算出输出信号幅度比输入放大了约2倍。给定V1（1mVpk、100Hz）的正弦小信号，对第二级限幅放大电路单独进行仿真测试，用示波器XSC1观察电路的输入输出波形，仿真电路和测试结果如图4所示。从ChannelB光标处的读数可知输出信号的峰峰值为（8.228+9.788）mV=18.0mV，从ChannelA光标处的读数可知输入信号的峰峰值为2×999.67μV=2.0mV，由此计算出第二级限幅放大电路的放大倍数约为9倍。当输入信号幅度小于1mVpk，频率从10Hz~1000Hz变化时，可以得到基本相同的结果，说明此时二极管D1~D4和稳压管D5均截止，运放处于开环工作状态，其输出与输入之间成反相比例关系。
5仿真结果及分析
工作在1.8,V电源电压下，电路的增益为24.2,dB，带宽为6.0,GHz，功耗为23.6,mW.当输入端的失调电压从-15,mV变到15,mV时，限幅放大器输出端的失调电压均得到了抑制。仿真中采用随机算法并选取2,000个样本。开环限幅放大器的输出端的失调电压的均值为－1.0,mV，标准差为83.52,mV。而闭环限幅放大器输出端的失调电压的均值为78.48,V，标准差为3.73,mV。通过对比仿真结果以及式(4)和式(5)可知，在电路中加入直流负反馈电路，限幅放大器输出端的失调电压特性得到了显著的改善。
结语
综上所述，本文利用负反馈原理的失调消除技术，设计了一款高速低失调电压的全差分限幅放大器。在典型值条件下，放大器的增益为24.2,dB，带宽为6.0,GHz，功耗为23.6,mW，输出端直流失调电压的均值和标准差分别为78.48V和3.73,mV。并且通过在反馈环路中使用18,pF的电容来构建低频滤波器，实现了22.8,kHz的高通截止频率。相比于以前的方法，所提技术较大程度减小了反馈环路中的电容容值。
参考文献:
[1]黄根春.陈小桥.张望先.电子设计教程[M],北京:电子工业出版社,2007.8
[2]张静秋.电路与电子技术实验教程[M],北京:中国水利水电出版社,2015.8
[3]张静秋.基于集成运算放大器的加减法运算电路的分析与设计[J].电子制作,2017,(09):5-7+43.