一種基于BJT 工藝的電壓反相電路設(shè)計

李 文，楊發(fā)順，2，馬 奎，2

（1.貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院，貴州貴陽 550025；2.半導體功率器件可靠性教育部工程研究中心，貴州 貴陽 550025）

模擬集成電路發(fā)展至今，其方向逐漸分為了兩大類：信號鏈與電源管理，其中常用的電源管理類芯片有電荷泵（Charge Pump）、低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）、開關(guān)型DC-DC 轉(zhuǎn)換器、AC-DC 轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動芯片（Driver）和電源管理單元（PMU）等。這些開關(guān)電源，特別是DC-DC 轉(zhuǎn)換器，常常被應(yīng)用于數(shù)字信號處理器（DSPs）和混合信號模擬電路等集成電路中[1]，它們的作用是將輸入電源電壓有效地轉(zhuǎn)換為適合于集成電路內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)或外部耦合結(jié)構(gòu)的電平[2]。例如，一個電源電壓為3 V 的BCD 工藝的IC 可能在電路內(nèi)部需要一個-2 V 的電平來使內(nèi)部電路運行。隨著集成電路工藝尺寸的不斷縮減，對更小、更高效的開關(guān)電源的需求也越來越大[3]。

文中所設(shè)計的電路基于BJT 工藝，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，能夠輕松地產(chǎn)生反相電壓，同時可擴展性強，可以通過改變開關(guān)電容電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電壓的減半及加倍，進而能夠有效地適用于各類電源應(yīng)用中。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

文中所設(shè)計的電壓反相電路如圖1 所示，整體結(jié)構(gòu)包括偏置電路模塊、振蕩器模塊、驅(qū)動電路模塊和開關(guān)電容電路模塊。

圖1 電路整體結(jié)構(gòu)

其中，偏置電路模塊的作用是產(chǎn)生一個相對穩(wěn)定的基準電流IREF，將該基準電流IREF直接提供給振蕩器，由此可以保證振蕩器的輸出信號在不同電源電壓、溫度以及工藝角條件下只產(chǎn)生微小偏差。振蕩器模塊則負責為電路產(chǎn)生一個方波信號，該方波信號的頻率、占空比以及高低電平值對開關(guān)管的影響很大[4]，會間接地影響輸出電壓的大小與紋波[5]。驅(qū)動電路模塊為開關(guān)電容電路模塊提供對應(yīng)的偏置電壓及驅(qū)動電流，使開關(guān)管工作在合適的工作狀態(tài)下。最后的開關(guān)電容電路模塊利用開關(guān)管的開啟與關(guān)閉狀態(tài)的不斷切換來對外部電容充放電，進而實現(xiàn)電路的反相功能，作為實現(xiàn)電路功能的核心模塊，開關(guān)管的電流增益性能制約著整個電路的性能[6]，在選擇開關(guān)管時必須十分謹慎。

2 主要模塊設(shè)計

2.1 偏置電路

偏置電路如圖2 所示，該電路的原型基于由Robert Widlar 于1971 年提出的Widlar 帶隙基準電路，除了基準電流產(chǎn)生電路外，偏置電路還包括多支路鏡像電流源及有源負載[7]，這些結(jié)構(gòu)共同為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的偏置電流。

圖2 偏置電路

該偏置電路包括啟動電路、基準電流產(chǎn)生電路、串接鏡像電流鏡電路和互補對稱電路。其中，Q27與電阻R1、R2、R3組成啟動電路，在電路上電的瞬間啟動偏置電路，進而啟動整個電路；在啟動以后，基準電流產(chǎn)生電路將產(chǎn)生基準電流IREF[8]，其大小可以根據(jù)式（1）計算：

串接鏡像電流鏡電路通過兩個完全相同的晶體管Q30 與Q31 來對基準電流IREF進行分流，結(jié)果是流經(jīng)Q30 集電極與Q31 集電極的電流剛好都為基準電流IREF的一半；互補對稱電路由兩條回路構(gòu)成，第一條回路包括Q28、Q29、R28和R30，第二條回路包括R30、R27和Q28。

2.2 振蕩器

振蕩器電路如圖3 所示，采用張弛振蕩器電路結(jié)構(gòu)，振蕩器產(chǎn)生兩組矩形波信號為S1 和S2 提供控制信號[9]。

圖3 振蕩器電路

該振蕩器電路包含一個電容C1，利用該電容的充放電來實現(xiàn)鋸齒波的產(chǎn)生[10]，其具體的充放電過程如下：

1）充電過程：當Q8 集電極為高電平時，Q6 開啟，在Q6 集電極電流經(jīng)過R10后，三角波的上升沿通過R10被拉低成低電平，Q6 集電極會輸出低電平，Q10 基極也為低電平，Q10 集電極輸出高電平，Q38開啟，電容C1充電。

2）放電過程：Q11 發(fā)射級輸出的三角波為下降沿時，Q9 的BE 結(jié)將下降沿拉成恒定800 mV 左右的高電平，Q9 集電極為高電平，Q7 集電極輸出低電平從而Q10 集電極為低電平，Q38 關(guān)閉，電容充電終止開始放電[11]。

接下來Q40 與Q11 對產(chǎn)生的鋸齒波電壓進行采樣并將采樣信號輸入由R10、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10 組成的整形電路，進而產(chǎn)生方波電流，最終在驅(qū)動電路模塊中方波電流經(jīng)上拉或下拉電阻產(chǎn)生方波電壓[12]。在選擇方波信號頻率時必須要考慮開關(guān)管的特征頻率與輸出紋波等因素[13]，最終經(jīng)過仿真調(diào)整，該方波信號的頻率設(shè)置為60 kHz，占空比設(shè)置為50%，在此頻率與占空比下能夠保證開關(guān)電容電路電流充放完全，同時能夠在電流性能與輸出紋波之間選擇一個較好的折中值[14]。

2.3 驅(qū)動電路及開關(guān)電容電路

驅(qū)動電路及開關(guān)電容電路為該設(shè)計的核心部分，其電路示意圖如圖4 所示，該結(jié)構(gòu)參照了Dickson 電荷泵基本原理來進行設(shè)計，利用電容在充放電過程中兩端的電壓大小不會發(fā)生跳變的特性，來產(chǎn)生負電壓。

圖4 驅(qū)動電路及開關(guān)電容電路示意圖

驅(qū)動電路負責提供開關(guān)管導通所需的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流。驅(qū)動電壓將為開關(guān)管提供合適的靜態(tài)工作點，驅(qū)動電流則為開關(guān)管提供輸出電流的控制信號；開關(guān)電路由兩個二極管和兩個開關(guān)管組成，兩個二極管D5 和D7 具有單向?qū)ㄐ?，它們之間可以產(chǎn)生一個壓降，進而起到隔離電平的作用，兩個開關(guān)管Q43 和Q47 通過導通與截止兩種工作狀態(tài)的切換來實現(xiàn)對開關(guān)電容的控制[15]。

開關(guān)管Q43 和Q47 的電流增益特性直接決定泵電容的充放電特性，在選擇Q43 和Q47 雙極型晶體管時必須充分考慮不同雙極型晶體管之間的電流增益的差異，NPN 的電流增益會明顯優(yōu)于PNP，而VPNP 的電流增益會大于LPNP，根據(jù)電路中兩個開關(guān)管的不同電平條件，最好的選擇即Q43 為VPNP 晶體管、Q47 為NPN 晶體管。

2.4 電荷泵充放電原理

電荷泵充電與放電的原理示意圖如圖5 所示。

圖5 電荷泵充放電原理示意圖

兩個開關(guān)管由兩組信號F1、F2 同時控制，F(xiàn)1 與F2 信號是兩組反相的控制信號，它們來自于振蕩器產(chǎn)生的方波信號，一路信號直接通過電流鏡實現(xiàn)了放大，另一路信號通過共射放大結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了反向放大，其中F1 控制S1，F(xiàn)2 控制S2，導通的時序是S1 先導通，S2 斷開，電源為C2充電，然后S1 斷開，S2 導通，泵電容C2放電，產(chǎn)生一個負的輸出電壓[16]。

3 模塊參數(shù)分析

3.1 S1開關(guān)支路分析

如圖6 所示為S1 開關(guān)支路，其具體控制關(guān)系如表1 所示。

圖6 S1開關(guān)支路

表1 S1開關(guān)支路控制關(guān)系

將Q42 放大的鏡像電流鏡Q41 的電流作為開關(guān)管Q43 的整體驅(qū)動電流，調(diào)節(jié)電阻R18可以調(diào)節(jié)Q42放大的驅(qū)動電流，R18可以大范圍粗調(diào)驅(qū)動電流，經(jīng)過Q42 放大的驅(qū)動電流流進Q43 基級，R17越大，流進Q43基級的電流越大，Q43越容易進入飽和區(qū)，Q43的CE 結(jié)壓降也就會更小，會提高輸出的帶負載能力。

3.2 S2開關(guān)支路分析

如圖7 所示為S2 開關(guān)支路，其具體控制關(guān)系如表2 所示。

表2 S2開關(guān)支路控制關(guān)系

圖7 S2開關(guān)支路

Q45控制Q47的通斷，Q35控制驅(qū)動電流的大小，R25影響驅(qū)動電流的大小，R25越大驅(qū)動電流越小，Q34是放大管，放大來自Q35 的驅(qū)動電流，經(jīng)Q34 放大的驅(qū)動電流驅(qū)動Q47 飽和導通。R20可以微調(diào)流進Q47基級的驅(qū)動電流，R20越大，Q47 的驅(qū)動電流就越大。

4 仿真結(jié)果

文中提出的電荷泵反相電路基于40 V 耐壓BJT工藝，使用Spectre 仿真軟件進行仿真。仿真時需要在輸入端接入8～20 V 之間的不同電壓，因此選取了8 V、10 V 與20 V 3 種比較具有代表性的輸入電壓。在進行空載與阻性負載的仿真時，輸出端均接有一個1 μF 的濾波電容。

通過仿真，可以得到該電荷泵反相電路在8 V、10 V 和20 V 的輸入條件下，空載時的輸出分別為-7.178 V、-9.202 V、-19.24 V。

圖8 為輸入分別為8 V、10 V 和20 V 時輸出電壓隨負載電流變化的曲線，在負載電流不斷增大的條件下，輸出電壓的絕對值會逐漸減小。

圖8 輸出電壓隨負載電流變化曲線

如圖9 所示為輸出電壓紋波隨輸出電容的變化曲線，由圖像可得，在輸出電容只有1 μF 的情況下，紋波為43 mV，對于電荷泵結(jié)構(gòu)，該紋波電壓值為電路帶來的噪聲大小是合理的[17]。

圖9 輸出電壓紋波隨輸出電容變化曲線

5 結(jié)論

該文采用40 V 耐壓BJT 工藝，設(shè)計了一種基于開關(guān)電容的反相電路，電路參照Dickson 電荷泵基本原理，設(shè)計了偏置電路、振蕩器電路、驅(qū)動電路與開關(guān)電容電路，實現(xiàn)了對輸入信號的反相。仿真結(jié)果表明，該電路具有較小的紋波且可以滿足負載條件下的輸出要求。