一種基于互補雙極工藝的大動態范圍對數放大器

周遠杰，胡云蘭，范國亮

（中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

引言

對數放大器是一種輸入輸出信號成對數關系的瞬間壓縮動態范圍的放大器[1]，在中頻、射頻系統里應用廣泛，常用作信號壓縮、功率檢測、AGC控制等功能?？梢杂霉絹肀硎荆?/p>

式中：

VOUT—輸出電壓；

VIN—輸入信號振幅；

VY—對數斜率；

VX—截距電壓。

對數放大器的主要架構有三種，基本對數放大器、基帶對數放大器和解調對數放大器[2]。本文介紹的大動態范圍對數放大器屬于解調對數放大器，主要單元由多級限幅放大器和整流器組成，每級限幅放大器的輸出跟隨一個整流器，將整流器輸出電流求和，并通過電阻采樣得到輸出電壓，輸出電壓與輸入信號幅度呈近似的對數關系[3]。

解調對數檢波器的對數特性來源于三極管的對數I-V特性，同時為了保證大動態范圍、高精度，高帶寬等特點，采用互補雙極（complementary bipolar）工藝制作[4]?；パa雙極工藝的優勢在于可以提供更高的限幅放大器的單級跨導，使用電阻負載時可以保證限幅放大器足夠的增益，提供整體的動態范圍。同時，高性能的PNP管可以使輸出響應時間更快。

本文基于中電24所自主開發的12 V互補雙極工藝設計了一款大動態范圍對數放大器。所使用工藝耐壓在12 V，NPN管截止頻率在9 GHz以上，電流增益β在150以上，PNP管截止頻率在8 GHz以上，電流增益β在50以上。同時工藝兼容多晶電阻、CNIT電容，可以滿足對數放大器的研發需求。

1 對數放大器的電路設計

1.1 整體電路結構

器件的總體結構圖如圖1所示。

圖1 電原理框圖

電路內部包含6個限幅放大器，每級具有14.3 dB的增益和2.5 GHz的小信號帶寬，總增益量達到86 dB，-3 dB帶寬接近500 MHz。在每級限幅放大器后接入整流器，得到與輸入功率呈線性關系的差分輸出電流。將各級整流后電流相加，并通過輸出級I/V轉換，得到與輸入功率呈線性關系的輸出電壓。

1.2 限幅放大器設計

限幅放大器的結構如圖2，其本質上是一個電阻作為負載的差分對，差模輸出電壓與差模輸入電壓關系為：

圖2 限幅放大器

當輸入信號幅度較小時，可以近似為一個線性放大器，當輸入信號達到閾值后輸出幅度不在隨輸入增大而增大，而是限定在一個幅度。

1.3 整流器設計

整流器的作用是檢測待測信號的功率信息，并輸出與之對應的輸出差分電流。器件的整流器為共發射極差分對結構[5]，兩個差模端和共模端同時接入差分對中，整流器線路結構圖如圖3。

圖3 整流器

由圖中的連接關系可以得到以下方程組：

由此可以推導出：

在設計時，選擇Q3的發射極面積為Q1和Q2發射極面積的2倍，即：

可以解出3個輸出電流的表達式：

從（10）中可以看出，每級整流器的輸出電流與輸入信號幅度呈近似指數關系。

1.4 輸出級設計

器件輸出級的功能是將整流器的輸出差分電流轉換為電壓，其線路結構如圖4。

IOUTP和IOUTM分別為整流器正端和負端輸出的輸出電流之和，采用了如圖4的電路結構，實現了將差分輸出電流轉為單端電壓。

圖4中兩個電阻端電壓分別為V1和V2，可以推導出輸出電壓和輸出電流的關系：

圖4 輸出級

由于電流鏡的作用，I2=I1，且設計值R1=R2將兩個方程相減可得：

另一方面，從電路結構中可以找到V1和V2的相關性：

對于電流鏡I2=I1，同時可以得到VBE4=VBE5，上式可以化為：V2=V1。

由此， （13）式化為：

因此，輸出級將整流器差分輸出電流轉化為輸出電壓。

1.5 失調調零結構設計

器件內部包含6級限幅放大器，總低頻增益高達86 dB。如果在前級中出現工藝加工或外圍應用失配導致共模電平失配，會使失配放大到輸出端，導致檢波不準或功能異常。為了降低加工或使用中失配造成的影響，器件在內部引入了失調調零結構，如圖5。

圖5 失調調零

當輸出電壓VO1＞VO2，IC9＞IC11，IC9-IC11為電容C1充電，VFB提高，使Q5集電極電流IFB增大，多級限幅放大器的輸入端電壓VI1減小，經過多級限幅放大器放大后，使VO1減小，VO2增大，直到VO1=VO2，VFB保持恒定，直流電壓穩定。同理當輸出電壓VO1＜VO2，IC9＜IC11，IC11-IC9為電容C1放電，VFB降低，使Q5集電極電流IFB減小，多級限幅放大器的輸入端電壓VI1增大，經過多級限幅放大器放大后，使VO1增大，VO2減小，直到VO1=VO2。

因此，引入失調補償結構后，可以使直流輸出電壓VO1=VO2，保持限幅放大器的直流工作點穩定。

2 對數放大器整體功能實現

器件采用多級限幅放大器串聯，在每一級限幅放大器輸出端加入整流器，將各級整流器輸出電流相加后通過跨阻輸出級轉化為輸出電壓[6]。器件top結構如圖6。

圖6 器件top結構

1）輸入信號功率很小時，各級限幅放大器處于線性放大區，且輸出信號小，未達到限幅狀態，輸出電壓隨輸入功率無明顯變化。

2）隨著輸入功率增大，限幅放大器6輸出端信號明顯增大。整流器6的輸出電流隨輸入功率變化明顯，限幅放大器6和整流器6的組合開始呈現近似的對數特性。隨著輸入功率繼續增大，使限幅放大器6接近限幅，限幅放大器1-5和整流器1-5分段進入對數工作區，直到限幅放大器1限幅，對數特性消失。

3 仿真結果

本文提出的大動態范圍對數放大器基于自主12 V互補雙極工藝，利用Spectre仿真器對電路進行了仿真驗證。

圖7給出了器件對數響應、對數誤差、動態范圍和響應時間的仿真曲線。

圖7對數響應仿真圖，仿真了30 MHz、100 MHz、300 MHz等三個頻率下器件的對數響應圖，從圖中可以看出，在各個頻率下，器件的±1 dB對數精度大于88 dB。

圖7 各頻率下對數響應仿真圖

4 版圖及測試結果

4.1 版圖

圖8是器件的芯片圖，將電源和地線環繞版圖四周，確保每個引腳的ESD管泄放路徑最短，便于各個單元的布線，也有利于提高對數放大器電路的抗靜電能力。地盡可能的與襯底連接，確保襯底電位均勻且始終保持在最低電位。

圖8 芯片圖

4.2 測試結果

本文提出的對數放大器進行了流片，封裝采用8引線陶瓷扁平管殼，在5 V電源條件下最終參數測試結果見表1。

表1 測試結果(VS=5 V，25 ℃)

器件實測值同預期的結果基本一致，滿足對數放大器設計要求。

本文電路與國外同類產品AD8309和AD8310參數指標對比情況如表2。

從表2中可以看出，本文介紹的器件在動態范圍與國外同類產品相當，工作頻率優于國外同類產品，響應時間比國外同類產品差。

表2 參數對比(25 ℃)

5 結束語

本文設計了一款基于互補雙極工藝的單片大動態范圍對數放大器電路，重點分析了各級線路結構設計、對數放大器的實現等。采用自主互補雙極工藝，利用Spectre仿真器對電路進行了仿真驗證，并進行了流片。測試結果表明，該器件在5 V工作電壓條件下，工作頻率DC-500 MHz；對數斜率23～27 mV/dB；對數截距-87～-77 dBm；輸入失調電壓≤500 μV；電源電流≤14 mA；在對數精度±1 dB要求下，動態范圍可達到80 dB以上；在對數精度±3 dB要求下，動態范圍可達到88 dB以上；響應時間≤600 ns。

本文提出的大動態范圍對數放大器的輸出級采用差分電流檢測，輸出單端電壓，可復用于高速運算放大器、同類對數放大器的輸出結構。器件的失調補償結構可用于多級限幅放大器的失調補償，可復用于同類中頻放大器、對數放大器中。因此本文研制的對數放大器對自主互補雙極工藝的發展和應用具有促進作用。