基于功率MOS線性高壓放大器設計

摘 要:為了實現對輸出高壓的線性控制，基于功率MOSFET的電學特性，運用NMOS功率管設計一種新結構的高壓運算放大器，通過模擬仿真和實驗測量結果表明，當輸入電壓為0～5 V時，電路可實現0～50 V的線性輸出，并且通過加入PMOS功率管進一步改進電路，可得到正負高壓的輸出，模擬仿真為-140～+140 V，這表明所設計的電路線性度高，可以滿足高壓運放的要求，且制作成本低，對現代通信中的大功率驅動具有重要意義。

關鍵詞:功率MOSFET;線性高壓;運算放大器;功率驅動

中圖分類號:TN722.7文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)02-010-02

Design of Linear High Voltage Amplifier Based on Power MOSFET

ZHANG Hao1，WANG Lixin1，LU Jiang1，LIU Su2

(1.The Institute of Microelectronics，Chinese Academiy of Sciences，Beijing，100029，China;

2.School of Physical Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou，730000，China)

Abstract:In order to achieve the linear control of high_voltage output in operational amplifier，based on the electrical properties of power MOSFET，a high_voltage operational amplifier is designed with new structure with power NMOS.Through simulation and experimental results，the linear output voltage is 0~50 V can be achieved，when the range of the input voltage is 0～5 V.And with the further improvement by utilizing power PMOS，the output voltage is -140～+140 V can be acquired，which indicates the high linearity，and with low cost，the needs of high voltage operational amplifier can be met.There is significance in the high power driving of modern communication.

Keywords:power MOSFET;linear high voltage;operational amplifier;power drive

0 引 言

高電壓放大器已經廣泛應用于通信、信號檢測、功率驅動等方面\\，并且已成為下一代無線通信系統的關鍵技術之一。采用各種手段和方法實現放大器高效率且高線性度的工作，對于未來無線移動通信技術的發展和實現有著十分重大的實際意義。

功率場效應晶體管具有跨導高，漏極電流大，工作頻率高和速度快等特點，線性放大的動態范圍大，在有較大的輸出功率時也能有較高的線性增益。這里成功應用功率場效應晶體管設計出一種高壓運算放大器。該放大器的制作成本低廉，輸出線性可控，適用范圍廣。

1 功率MOS器件結構與分析

功率MOS場效應晶體管是在MOS集成電路工藝基礎上發展起來的新一代電力開關器件，具有輸入阻抗高，驅動電路簡單，安全工作區寬等優點\\。圖1給出功率MOS晶體管的結構剖面圖及其電學特性曲線。采用雙擴散結構\\制作適合用作功率器件的短溝道高壓晶體管，需要短的重摻雜背柵和寬的輕摻雜漂移區。由于外延層厚度決定了漂移區的寬度，因此也決定了晶體管的工作電壓，其漏源電壓公式為\\:

VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)

式中:RJFET為結型場效應管電阻;RACC為N-層表面電子積累層電阻;RFP為外延層電阻;IMOS為反型溝道電流;Vf為溝道壓降。

圖1 功率MOS結構圖及電學特性

2 電路設計

高壓運算放大器電路主要由運算放大器和功率場效應晶體管組成\\，其結構原理圖如圖2所示。

圖2 高壓運算放大器電路圖

所設計的電路中使用價格低廉的運放LM358和NMOS功率管IRF630構成負反饋回路\\，雙極晶體管C8050和電阻R4實現過載保護\\，防止流過IRF630的電流過大，整個電路為反比例放大電路，R2為反饋電阻，其輸入和輸出的關系式為:

Vout=-(VinR2)/R1(2)

3 實驗結果及分析

根據圖2制作試驗電路板如圖3所示。供應電壓為60 V，R11.963 kΩ，R220 kΩ，放大倍數約為10.19。當輸入電壓為0～5 V時，先用EDA軟件對電路進行模擬仿真，然后對電路板進行測量，并進行比較，結果如表1所示。

圖3 實驗電路板

表1 輸出電壓的模擬結果與測量結果V

輸入電壓值仿真輸出測量輸出輸入電壓值仿真輸出測量輸出

0- 0.18- 1.52.5 -25.51-26.4

0.1 - 1.05- 2.13.0 -30.60-31.6

0.5 - 5.13- 6.23.5 -35.69-36.7

1.0 -10.22-10.94.0 -40.79-41.8

1.5 -15.32-16.14.5 -45.88-47.5

2.0 -20.41-21.35.0 -50.98-52.8

由表1可畫出輸入/輸出關系變化圖形，如圖4所示。從表1和圖4中可以看出，模擬結果和測量結果存在誤差，誤差ε=-1.095，這是因為測量精度和器件自身精度的誤差所引起的。當輸入電壓從0 V掃描到5 V時，得到等比例的放大輸出電壓，且呈線性變化，能夠實現輸入電壓對輸出電壓的線性控制，具有很好的驅動能力。

圖4 電路輸入/輸出變化圖

根據以上分析，用PMOS功率管進一步改進電路，和用NMOS管構成一種推挽結構\\的輸出電路，可以滿足輸入正負電壓的要求，如圖5所示。若選用耐壓350 V的NMOS功率管IRF713和耐壓300 V的PMOS功率管IRF9631，以及晶體管Q1，Q2和電阻R4，R5構成過載保護電路，則選取R2=280 kΩ，R1=10 kΩ，對電路進行仿真，輸入電壓范圍是-5～+5 V。當輸入電壓為負壓時，PMOS管導通，NMOS管截止，輸出為正電壓;當輸入電壓為正壓時，NMOS管導通，PMOS管截止，輸出為負電壓。輸入/輸出的線性關系如圖6所示，電壓輸出為+140～-140 V，可實現高壓的雙極性線性等比例放大輸出。

圖5 改進的線性高壓運算放大器

圖6 輸入/輸出線性關系圖

4 結 語

利用功率場效應晶體管的電學特性，并運用反饋運放的基本原理成功設計了高壓運算放大器。實驗結果和模擬結果驗證了所設計的電路輸出電壓線性度高，能夠對高壓進行有效的線性控制。選擇耐壓高的功率管，可以實現更高電壓的線性輸出，達到高壓驅動的要求，電路結構簡單，制作成本低，可以滿足不同領域的要求，且具有很高的實用價值。

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作者簡介 張 浩 男，1984年出生，云南玉溪人，碩士研究生。主要研究方向為大功率器件及集成電路設計和應用。

王立新 男，副研究員。主要研究方向為VDMOS器件結構及應用。