一種基于互補(bǔ)雙極工藝的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器

周遠(yuǎn)杰，胡云蘭，范國(guó)亮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所，重慶 400060）

引言

對(duì)數(shù)放大器是一種輸入輸出信號(hào)成對(duì)數(shù)關(guān)系的瞬間壓縮動(dòng)態(tài)范圍的放大器[1]，在中頻、射頻系統(tǒng)里應(yīng)用廣泛，常用作信號(hào)壓縮、功率檢測(cè)、AGC控制等功能。可以用公式來(lái)表示：

式中：

VOUT—輸出電壓；

VIN—輸入信號(hào)振幅；

VY—對(duì)數(shù)斜率；

VX—截距電壓。

對(duì)數(shù)放大器的主要架構(gòu)有三種，基本對(duì)數(shù)放大器、基帶對(duì)數(shù)放大器和解調(diào)對(duì)數(shù)放大器[2]。本文介紹的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器屬于解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，主要單元由多級(jí)限幅放大器和整流器組成，每級(jí)限幅放大器的輸出跟隨一個(gè)整流器，將整流器輸出電流求和，并通過(guò)電阻采樣得到輸出電壓，輸出電壓與輸入信號(hào)幅度呈近似的對(duì)數(shù)關(guān)系[3]。

解調(diào)對(duì)數(shù)檢波器的對(duì)數(shù)特性來(lái)源于三極管的對(duì)數(shù)I-V特性，同時(shí)為了保證大動(dòng)態(tài)范圍、高精度，高帶寬等特點(diǎn)，采用互補(bǔ)雙極（complementary bipolar）工藝制作[4]?；パa(bǔ)雙極工藝的優(yōu)勢(shì)在于可以提供更高的限幅放大器的單級(jí)跨導(dǎo)，使用電阻負(fù)載時(shí)可以保證限幅放大器足夠的增益，提供整體的動(dòng)態(tài)范圍。同時(shí)，高性能的PNP管可以使輸出響應(yīng)時(shí)間更快。

本文基于中電24所自主開(kāi)發(fā)的12 V互補(bǔ)雙極工藝設(shè)計(jì)了一款大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)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(shí)工藝兼容多晶電阻、CNIT電容，可以滿足對(duì)數(shù)放大器的研發(fā)需求。

1 對(duì)數(shù)放大器的電路設(shè)計(jì)

1.1 整體電路結(jié)構(gòu)

器件的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電原理框圖

電路內(nèi)部包含6個(gè)限幅放大器，每級(jí)具有14.3 dB的增益和2.5 GHz的小信號(hào)帶寬，總增益量達(dá)到86 dB，-3 dB帶寬接近500 MHz。在每級(jí)限幅放大器后接入整流器，得到與輸入功率呈線性關(guān)系的差分輸出電流。將各級(jí)整流后電流相加，并通過(guò)輸出級(jí)I/V轉(zhuǎn)換，得到與輸入功率呈線性關(guān)系的輸出電壓。

1.2 限幅放大器設(shè)計(jì)

限幅放大器的結(jié)構(gòu)如圖2，其本質(zhì)上是一個(gè)電阻作為負(fù)載的差分對(duì)，差模輸出電壓與差模輸入電壓關(guān)系為：

圖2 限幅放大器

當(dāng)輸入信號(hào)幅度較小時(shí)，可以近似為一個(gè)線性放大器，當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)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(gè)幅度。

1.3 整流器設(shè)計(jì)

整流器的作用是檢測(cè)待測(cè)信號(hào)的功率信息，并輸出與之對(duì)應(yīng)的輸出差分電流。器件的整流器為共發(fā)射極差分對(duì)結(jié)構(gòu)[5]，兩個(gè)差模端和共模端同時(shí)接入差分對(duì)中，整流器線路結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 整流器

由圖中的連接關(guān)系可以得到以下方程組：

由此可以推導(dǎo)出：

在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇Q3的發(fā)射極面積為Q1和Q2發(fā)射極面積的2倍，即：

可以解出3個(gè)輸出電流的表達(dá)式：

從（10）中可以看出，每級(jí)整流器的輸出電流與輸入信號(hào)幅度呈近似指數(shù)關(guān)系。

1.4 輸出級(jí)設(shè)計(jì)

器件輸出級(jí)的功能是將整流器的輸出差分電流轉(zhuǎn)換為電壓，其線路結(jié)構(gòu)如圖4。

IOUTP和IOUTM分別為整流器正端和負(fù)端輸出的輸出電流之和，采用了如圖4的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了將差分輸出電流轉(zhuǎn)為單端電壓。

圖4中兩個(gè)電阻端電壓分別為V1和V2，可以推導(dǎo)出輸出電壓和輸出電流的關(guān)系：

圖4 輸出級(jí)

由于電流鏡的作用，I2=I1，且設(shè)計(jì)值R1=R2將兩個(gè)方程相減可得：

另一方面，從電路結(jié)構(gòu)中可以找到V1和V2的相關(guān)性：

對(duì)于電流鏡I2=I1，同時(shí)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(jí)將整流器差分輸出電流轉(zhuǎn)化為輸出電壓。

1.5 失調(diào)調(diào)零結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

器件內(nèi)部包含6級(jí)限幅放大器，總低頻增益高達(dá)86 dB。如果在前級(jí)中出現(xiàn)工藝加工或外圍應(yīng)用失配導(dǎo)致共模電平失配，會(huì)使失配放大到輸出端，導(dǎo)致檢波不準(zhǔn)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(nèi)部引入了失調(diào)調(diào)零結(jié)構(gòu)，如圖5。

圖5 失調(diào)調(diào)零

當(dāng)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(jí)限幅放大器的輸入端電壓VI1減小，經(jīng)過(guò)多級(jí)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(wěn)定。同理當(dāng)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(jí)限幅放大器的輸入端電壓VI1增大，經(jīng)過(guò)多級(jí)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(diào)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)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(diǎn)穩(wěn)定。

2 對(duì)數(shù)放大器整體功能實(shí)現(xiàn)

器件采用多級(jí)限幅放大器串聯(lián)，在每一級(jí)限幅放大器輸出端加入整流器，將各級(jí)整流器輸出電流相加后通過(guò)跨阻輸出級(jí)轉(zhuǎn)化為輸出電壓[6]。器件top結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 器件top結(jié)構(gòu)

1）輸入信號(hào)功率很小時(shí)，各級(jí)限幅放大器處于線性放大區(qū)，且輸出信號(hào)小，未達(dá)到限幅狀態(tài)，輸出電壓隨輸入功率無(wú)明顯變化。

2）隨著輸入功率增大，限幅放大器6輸出端信號(hào)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(kāi)始呈現(xiàn)近似的對(duì)數(shù)特性。隨著輸入功率繼續(xù)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(jìn)入對(duì)數(shù)工作區(qū)，直到限幅放大器1限幅，對(duì)數(shù)特性消失。

3 仿真結(jié)果

本文提出的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器基于自主12 V互補(bǔ)雙極工藝，利用Spectre仿真器對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

圖7給出了器件對(duì)數(shù)響應(yīng)、對(duì)數(shù)誤差、動(dòng)態(tài)范圍和響應(yīng)時(shí)間的仿真曲線。

圖7對(duì)數(shù)響應(yīng)仿真圖，仿真了30 MHz、100 MHz、300 MHz等三個(gè)頻率下器件的對(duì)數(shù)響應(yīng)圖，從圖中可以看出，在各個(gè)頻率下，器件的±1 dB對(duì)數(shù)精度大于88 dB。

圖7 各頻率下對(duì)數(shù)響應(yīng)仿真圖

4 版圖及測(cè)試結(jié)果

4.1 版圖

圖8是器件的芯片圖，將電源和地線環(huán)繞版圖四周，確保每個(gè)引腳的ESD管泄放路徑最短，便于各個(gè)單元的布線，也有利于提高對(duì)數(shù)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(cè)試結(jié)果

本文提出的對(duì)數(shù)放大器進(jìn)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(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果(VS=5 V，25 ℃)

器件實(shí)測(cè)值同預(yù)期的結(jié)果基本一致，滿足對(duì)數(shù)放大器設(shè)計(jì)要求。

本文電路與國(guó)外同類產(chǎn)品AD8309和AD8310參數(shù)指標(biāo)對(duì)比情況如表2。

從表2中可以看出，本文介紹的器件在動(dòng)態(tài)范圍與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，工作頻率優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品，響應(yīng)時(shí)間比國(guó)外同類產(chǎn)品差。

表2 參數(shù)對(duì)比(25 ℃)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于互補(bǔ)雙極工藝的單片大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器電路，重點(diǎn)分析了各級(jí)線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、對(duì)數(shù)放大器的實(shí)現(xiàn)等。采用自主互補(bǔ)雙極工藝，利用Spectre仿真器對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并進(jìn)行了流片。測(cè)試結(jié)果表明，該器件在5 V工作電壓條件下，工作頻率DC-500 MHz；對(duì)數(shù)斜率23～27 mV/dB；對(duì)數(shù)截距-87～-77 dBm；輸入失調(diào)電壓≤500 μV；電源電流≤14 mA；在對(duì)數(shù)精度±1 dB要求下，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到80 dB以上；在對(duì)數(shù)精度±3 dB要求下，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到88 dB以上；響應(yīng)時(shí)間≤600 ns。

本文提出的大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)數(shù)放大器的輸出級(jí)采用差分電流檢測(cè)，輸出單端電壓，可復(fù)用于高速運(yùn)算放大器、同類對(duì)數(shù)放大器的輸出結(jié)構(gòu)。器件的失調(diào)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可用于多級(jí)限幅放大器的失調(diào)補(bǔ)償，可復(fù)用于同類中頻放大器、對(duì)數(shù)放大器中。因此本文研制的對(duì)數(shù)放大器對(duì)自主互補(bǔ)雙極工藝的發(fā)展和應(yīng)用具有促進(jìn)作用。