發(fā)布時間：2020-06-18 13:22

【摘要】：高壓功率集成運算放大器除具有對信號的采集、比較、放大和運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,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)和民用航天的電機驅(qū)動和陀螺驅(qū)動、汽車電子的音頻放大和點火裝置、軌道交通的電源變換、機車的電源陣列等,同時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,該類芯片都會具有較大的體積和較高的功率消耗。本課題設(shè)計的芯片將會圍繞單片、高壓和大功率三個方面進行研究,整個單片高壓功率運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芯片和外圍輔助電路混合集成或者模塊來實現(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、電路仿真、版圖設(shè)計以及版圖驗證等工作。在輸入級的設(shè)計中選擇了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林頓結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了輸出3A電流的目標;在功率模塊設(shè)計中選擇了熱檢測和自散熱的電路結(jié)構(gòu),能自動調(diào)節(jié)基片溫度。完成了功率運放整體電路的仿真分析,各項指標都滿足預(yù)期的設(shè)計要求,輸出功率值達到了38.25W。根據(jù)整體電路的設(shè)計結(jié)構(gòu),完成了整體電路的版圖設(shè)計,并且通過了DRC驗證。
【學位授予單位】：貴州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN722
【圖文】：

2.1 功率集成運放電路基本結(jié)構(gòu)集成運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。集成運放的基本結(jié)構(gòu)形式如圖 2-1 所示，常規(guī)的運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放還需要加入保護電路模塊（過壓保護、過流保護和過溫保護等，可根據(jù)不同需求進行選擇）[6] [7]。集成運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�。在集成運放中，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)對電路電壓進行當大。而常用的輸出級電路包括：單管射隨器輸出級、推挽輸出級和互補輸出級等，用來針對電路的輸出級電流進行放大。

圖 2-2 功率集成運放的結(jié)構(gòu)框圖本課題所設(shè)計的單片高壓功率運放，具有電源電壓高、電源電壓范圍寬及輸出電流大等特點，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；對中間增益級要求：采用有源負載實現(xiàn)高輸出阻抗，提供足夠大的電壓放大能力，加入米勒電容實現(xiàn)頻率補償；對輸出級要求：足夠高的電流放大倍數(shù)，可以實現(xiàn)足夠大的輸出電流。因此，在進行整體電路的設(shè)計時，可以根據(jù)運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大的誤差，我們稱之為零點漂移。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：引入直流負反饋以減小溫漂；采用熱敏元件抵消溫[8] [9]

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 郭建寧;馮勇建;陳文薌;;幾種典型的電流源結(jié)構(gòu)和高精度基準電流源的設(shè)計[J];中國集成電路;2006年12期

2 杜曉蘭,吳寶明,張永軍,王強;PA84高壓運算放大器在感覺神經(jīng)測定儀中的應(yīng)用[J];醫(yī)療衛(wèi)生裝備;2003年08期

3 張波;功率半導體技術(shù)的發(fā)展浪起潮涌[J];世界產(chǎn)品與技術(shù);2002年02期

4 李肇基 ,李鴻雁 ,方健 ,季曉宇 ,張波;智能功率集成電路精彩紛呈[J];世界產(chǎn)品與技術(shù);2000年06期

5 范建偉;OPA541單片功率運算放大器及其典型應(yīng)用[J];國外電子元器件;1998年03期

6 張為佐，白繼彬;電力電子技術(shù)發(fā)展的新動向[J];電力電子技術(shù);1996年04期

7 陳燁，吳濟鈞;電力半導體器件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J];半導體技術(shù);1996年04期

8 段春麗，胡國元;高壓運算放大器LF143的研制[J];微電子學與計算機;1995年06期

9 王培林,楊晶琦,宮立波;達林頓晶體管中穩(wěn)定電阻對電流增益及電流分配的影響行為[J];哈爾濱工業(yè)大學學報;1993年04期

10 于宗光,王立模;高壓集成技術(shù)[J];微電子學;1992年03期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 馬飛;先進工藝下集成電路的靜電放電防護設(shè)計及其可靠性研究[D];浙江大學;2014年

相關(guān)碩士學位論文 前3條

1 連全文;一種高速運放的分析與設(shè)計[D];西南交通大學;2009年

2 劉兆軍;基于雙極工藝的音頻功率放大器設(shè)計[D];西安電子科技大學;2008年

3 華帥;全差分低噪聲運算放大器的研究與設(shè)計[D];國防科學技術(shù)大學;2006年

本文編號：2719305