基于恒流二極管（CRD）的運算放大器低功耗研究

鄒序武，丁召，楊發順，劉嬌

（貴州大學大數據與電子信息學院，貴州貴陽550025）

傳統集成運算放大器設計一般依賴于元件參數值之間的匹配或它們的的比值，而不依賴于元件參數值本身；并且盡可能在電路中用晶體管取代電阻，電容等無源元件；如果某種復合結構的電路比簡單結構效果更好的話，就采用復合結構[1]。但與此同時，在電路的選擇及構成形式上又受到集成電路工藝條件的嚴格制約。而如今JEFT與雙極型器件相結合，已成為新型專用集成運算放大器的主要發展方向之一[2]，本論文研究正是在此背景下，對741型通用集成運放，以短接JEFT柵源級成恒流二級管（CRD），對741集成運放中做為恒流功能和有源負載電流源的雙極型器件（BJT）進行替代[3]，并對電路結構進行優化，以減少芯片中元器件個數，從而達到減小芯片面積，降低靜態工作電流，以實現更進一步的低功耗。

1 理論分析

1）恒流二極管（CRD）電路符號及特性如圖1所示。

圖1 CRD電路符號及伏安特性Fig.1 The circuit symbols and volt-ampere characteristic of CRD

恒流二極管[4]（CRD）是以JEFT柵源（GS）級短接在一起的恒流器件（CRD），其工作原理:當器件兩端電壓大于開啟電壓Vs時，隨著電壓繼續增大，電流增加緩慢，可以認為電流值恒定在IH。

2）恒流二極管（CRD）對741運算放大器設計思路

本文基于741型通用集成運放的基本原理，并通過對其他已有運算放大器設計結構做廣泛學習與研究，提出一種基于恒流二極管的運算放大器設計[5]思想。研究內容主要從以下三方面進行：

①CRD代替雙極型基本恒流源；②CRD做有源負；③改進原有的運算放大器結構。

2 改進電路結構及仿真與分析

1）基于恒流二極管（CRD）偏置電路圖如圖2～圖4所示。

圖2 常見雙極型偏置電路Fig.2 Bipolar bias circuit

圖3 改進型偏置電路1Fig.3 Modified bias circuit 1

圖4 改進型偏置電路2Fig.4 Modified bias circuit 2

2）改變電源電壓，分別對以上偏置電流進行電流測量，所得電流示數如表1所示。

表1 改進電路電流對比Tab.1 An improved circuit current

3 改進電路

基于恒流二極管雙極型集成運算放大器差分電路輸入級結改進電路如圖5、圖6所示。

圖5 基于恒流二極管輸入級Fig.5 Based on the CRD input stage

1）當輸入電壓信號源恒定80 mV，50 Hz，改變電源電壓值，從1 V到33 V，每4 V取一個電流值，用Multisim 10進行仿真，測得電流值如表2所示。

圖6 傳統輸入級Fig.6 Traditional input stage

表2 輸入信號源恒定，改變電源電壓Tab.2 Input signal source constant，change the power supply voltage

總結以上圖表，恒流二極管的差分輸入級電路[7]，當電源電壓改變時，電流恒定在0.239 mA到0.244 mA之間，相對于傳統運算放大器輸入級，電流變化只有0.005 mA.更適合在低電源條件下做恒流源。

2）當正電源電壓值恒定在15 V，負電源電壓值恒定在-15 V，輸入信號源電壓從100 mV至1 V，每100 mV取測試電流，用Multisim 10進行仿真，測得電流值如表3所示。

總結以上圖表，相對傳統運算放大器輸入電流1.894 mA，基于恒流二極管（CRD）的輸入級電流只有0.361 mA，更能實現低功耗的要求。

4 結論

文中設計以恒流二極管（CRD）替代741雙極型集成運算放大器輸入級中的有源負載雙極型器件，及以CRD替代雙極型恒流源，并通過Multisim 10和Cadence軟件進行設計與仿真。結果表明，使用CRD做為恒流器件，可以實現運算放大器更低靜態電流。當以CRD改進雙級型偏置電路，當電源電壓恒定在13 V時，雙極型集成運算放大器偏置電流達到0.739 mA，是基于CRD偏置電路電流0.222 mA的3倍以上。當電源電壓改變時，雙極型運算放大器輸入級電流在0.290 mA到0.433 mA變化，而基于CRD的差分輸入級電流約降低一半，電流恒定在0.239 mA到0.244 mA之間，并且電流變化只有0.005 mA。

表3 輸入電源電壓恒定，改變信號源Tab.3 Input voltage constant，change the signal source

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