【摘要】：高壓功率集成運(yùn)算放大器除具有對信號的采集、比較、放大和運(yùn)算等通常的模擬芯片特性功能外,由于其高壓大電流的特點(diǎn),非常適用于需要小體積、大輸出功率的場合,廣泛應(yīng)用于一切末級需要大功率輸出的電子裝置中,在工業(yè)控制系統(tǒng)、通訊、汽車電子、軌道交通、新能源節(jié)能、軍/民用航空航天、武器裝備等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,如工業(yè)控制系統(tǒng)和民用航天的電機(jī)驅(qū)動(dòng)和陀螺驅(qū)動(dòng)、汽車電子的音頻放大和點(diǎn)火裝置、軌道交通的電源變換、機(jī)車的電源陣列等,同時(shí)是各種武器裝備中的關(guān)鍵核心器件。由于高壓功率集成運(yùn)算放大器在軍民產(chǎn)品中都得到廣泛應(yīng)用,所以對該方面的研究具有非常重要的意義。高壓功率集成運(yùn)算放大器具有很大的功率輸出,較高的工作電壓和較大的工作電流,該類芯片都會(huì)具有較大的體積和較高的功率消耗。本課題設(shè)計(jì)的芯片將會(huì)圍繞單片、高壓和大功率三個(gè)方面進(jìn)行研究,整個(gè)單片高壓功率運(yùn)算放大器將采用單芯片集成,無需任何外圍輔助電路即可實(shí)現(xiàn)高電源電壓工作和大電流輸出,而不是采用通常的多個(gè)芯片和外圍輔助電路混合集成或者模塊來實(shí)現(xiàn),體積更小且可靠性更高。本文研究的單片高壓大功率集成運(yùn)算放大器,采用6μm/80V兼容P-JFET的功率雙極型工藝平臺,依次完成了電路設(shè)計(jì)、電路仿真、版圖設(shè)計(jì)以及版圖驗(yàn)證等工作。在輸入級的設(shè)計(jì)中選擇了JFET差分對輸入結(jié)構(gòu),有效降低了電路的輸入失調(diào)參數(shù);而中間級電路選擇了共集-公射輸入結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了較高的電壓增益;而輸出級電路采用了雙端輸入的達(dá)林頓結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了輸出3A電流的目標(biāo);在功率模塊設(shè)計(jì)中選擇了熱檢測和自散熱的電路結(jié)構(gòu),能自動(dòng)調(diào)節(jié)基片溫度。完成了功率運(yùn)放整體電路的仿真分析,各項(xiàng)指標(biāo)都滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求,輸出功率值達(dá)到了38.25W。根據(jù)整體電路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),完成了整體電路的版圖設(shè)計(jì),并且通過了DRC驗(yàn)證。
【學(xué)位授予單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN722
【圖文】：

2.1 功率集成運(yùn)放電路基本結(jié)構(gòu)集成運(yùn)算放大器是模擬集成電路的重要組成部分，根據(jù)各行各業(yè)的不同需求，誕生了很多種不同電路結(jié)構(gòu)的集成運(yùn)放，但其基本組成結(jié)構(gòu)和基本構(gòu)成原則在宏觀上基本都是一致的。集成運(yùn)放的基本結(jié)構(gòu)形式如圖 2-1 所示，常規(guī)的運(yùn)放電路都是由輸入級、中間級、輸出級和偏置電路四部組成，而高壓大功率集成運(yùn)放還需要加入保護(hù)電路模塊（過壓保護(hù)、過流保護(hù)和過溫保護(hù)等，可根據(jù)不同需求進(jìn)行選擇）[6] [7]。集成運(yùn)放輸入級的主要作用是放大差模輸入信號（V:V;）和抑制共模信號（V:V:），并將其改變?yōu)閱味诵盘杺鬏斨料乱患墶Ｔ诩蛇\(yùn)放中，常規(guī)的輸入級結(jié)構(gòu)包括[8]：共射差分輸入級、共集 共基差分輸入級、共射 共基差分輸入級、達(dá)林頓差分輸入級和場效應(yīng)管差分輸入級。中間級電路則由頻率補(bǔ)償電路和恒流源偏置電路構(gòu)成，一般采用一級或二級放大結(jié)構(gòu)對電路電壓進(jìn)行當(dāng)大。而常用的輸出級電路包括：單管射隨器輸出級、推挽輸出級和互補(bǔ)輸出級等，用來針對電路的輸出級電流進(jìn)行放大。

圖 2-2 功率集成運(yùn)放的結(jié)構(gòu)框圖本課題所設(shè)計(jì)的單片高壓功率運(yùn)放，具有電源電壓高、電源電壓范圍寬及輸出電流大等特點(diǎn)，對各級電路的選擇具有較高的要求。對輸入級要求：高輸入阻抗、低輸入電流、高輸出阻抗及無米勒效應(yīng)等特點(diǎn)；對中間增益級要求：采用有源負(fù)載實(shí)現(xiàn)高輸出阻抗，提供足夠大的電壓放大能力，加入米勒電容實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償；對輸出級要求：足夠高的電流放大倍數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)足夠大的輸出電流。因此，在進(jìn)行整體電路的設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)運(yùn)放各級的需求來選擇合適的電路結(jié)構(gòu)。2.2 輸入級電路結(jié)構(gòu)在直接耦合的電路中，第一級輸出的誤差會(huì)直接輸入到第二級的輸入端，經(jīng)過第二級的放大之后，再送到第三級的輸入端，這將在最終的輸出引起相當(dāng)大的誤差，我們稱之為零點(diǎn)漂移。引起這種誤差的原因有很多種，其中溫度偏移是最常見的，那么主要通過以下三種方法減小溫漂：引入直流負(fù)反饋以減小溫漂；采用熱敏元件抵消溫[8] [9]

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2719305