一種高阻抗、低功耗前置放大器的設計與分析

劉德狀 程海嶸

（華東光電集成器件研究所，安徽蚌埠233042）

1 功能分析

隨著武器裝備向高精度、大視距、智能化方向發展，所需探測的信號也越來越微弱，這對武器系統的“眼睛”——探測器及其對應的放大器提出了更高要求。

本文設計了一種高阻抗前置放大器，它具有增益高、功耗小等特點，特別適用于微小信號的檢測。該放大器電路是由P溝道結型場效應晶體管、NPN晶體管、橫向PNP晶體管等構成，下面著重對直流偏置電路、輸入級放大電路、中間級放大電路進行分析和討論。

1.1 電路基本結構

本電路由信號輸入級、放大級、輸出級、內部恒流源基準和補償電路等部分組成。為了提高電路的動態特性，整個電路采用正負電源供電。

1.2 電路原理圖

電路原理圖如圖1所示。

1.3 單元電路塊

1.3.1 信號輸入級

作為前置放大器的輸入級，本電路采用P溝道結型場效應管來接收信號，充分利用了場效應管高輸入阻抗的特性。

1.3.2 信號放大級

這一級包括信號的主增益放大級和次級放大級，主增益放大級由一級隔離和一級主放大電路組成，隔離級同時具有放大和電平移動的作用，主放大電路有較高的增益。次級放大級由一個NPN管和一個PNP管及它們的有源負載組成，在完成信號再放大的同時，為推挽輸出級提供合適的控制信號。

這是影響增益和通頻帶的中心環節。在電路實現上，引入了密勒電容滯后補償，以提高放大器的上限頻率，展寬通頻帶。

1.3.3 電路輸出級的反饋

電路輸出級采用推挽方式，輸出動態范圍大，并有輸出保護。輸出端有交流通道將信號反饋回輸入端。

1.3.4 內部恒流源基準

建立內部恒流源時引入P型場效應管和PN結特性，具有一定的抗干擾特性，為電路放大級和輸出級提供良好的基準環境。

2 直流工作點估算

2.1 偏置電路的電流

圖1中，Q3、Q9、Q11、J5、J8、R2等構成了多輸出恒流偏置電路。其中P溝道結型場效應管J3的源、柵短接，VGS3=0，因此偏置電路的參考電流Ir等于J3管的IDSS3。由于Ir的大小影響著電路各極靜態工作電流，所以控制好夾斷電壓Vp，使偏置電路的參考電流Ir滿足設計要求，就成為工藝控制的關鍵。

在板圖設計中，Q3、Q11的發射區面積為Q9發射區面積的2倍，根據電路原理可知：

圖1 電路原理圖

其中，Ic3=Ic11=2Ic9。

根據電路技術指標要求，并結合工藝能力取Ir=0.3 mA。

在圖1中，Ic3的一部分提供V5的基極電流，一部分經R1分流，由圖1可得：

2.2 輸入級靜態工作電流

輸入級由Q1、J1、J2、Q2等構成，J1、J2均為P溝道結型場效應管，其中J1工作于飽和區，J2為源跟隨器。J1、J2工作于串聯狀態，故有：

偏置電路中的J3管，VGS=0，IDSS3=Ir=0.3 mA。J1、J2、J3工藝參數相同，即Vp1=Vp2=Vp3=Vp，由晶體管原理可得：

在電路的板圖結構中，J1、J3的溝道寬長比為：

2.3 輸出級靜態工作電流

在圖1所示電路中，利用Q8、Q12的eb結正向壓降作為輸出級的輸入偏置，由圖1可得：

3 放大器增益

由以上分析可知：p溝道結型場效應管的夾斷電壓對電路的功耗有影響，不僅如此，它也對電路的增益、帶寬有影響。圖2所示分別是夾斷電壓為2 V、2.5 V、3 V時的交流響應，增益與頻率曲線如圖3所示。

圖2 夾斷電壓為2 V、2.5 V、3 V時的交流響應

圖3 增益與頻率曲線

4 結語

本設計通過合理選擇電路結構及器件類型，實現了高阻抗；設計中引入密勒補償，改善了電路頻率特性；合理設置恒流源，提高抗干擾能力；同時通過理論推導，選擇電路工作點，找出影響電流等電路性能參數的關鍵因素，給出了工藝控制的方向。仿真結果表明，電路的各項主要參數滿足微弱信號檢測的要求。