CN108377137A - 一种高压大功率集成运算放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压大功率集成运算放大器，它包括：输入级电路：用结型场效应管做差分输入对管，采用共源‑共栅结构，用双极型晶体管作有源负载，对输入信号进行预处理，抑制共模信号，放大差模信号，将信号传输到中间级电路；中间级电路：对输入级电路的输出信号进行放大，并传输到输出级电路；输出级电路：采用NPN+NPN复合达林顿管结构实现电流输出，与负载连接；偏置电路：为输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路提供静态电流；解决了现有技术的高压功率模拟集成运算放大器通常采用多个芯片和外围辅助电路混合集成或厚膜集成来实现，具有体积较大，成本高，电路结构复杂，可靠性差等缺陷等技术问题。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，尤其涉及一种高压大功率集成运算放大器。
背景技术
高压大功率集成运算放大器除具有对信号的采集、比较、放大、运算等通常的模拟IC特性功能外，由于其高压大电流的特点，非常适用于需要小体积、大输出功率的场合，广泛应用于一切末级需要大功率输出的电子装置中，在工业控制系统、通讯、汽车电子、轨道交通、新能源节能、军/民用航空航天、武器装备等各个领域都有广泛的应用，如工业控制系统和民用航天的电机驱动和陀螺驱动、汽车电子的音频放大和点火装置、轨道交通的电源变换、机车的电源阵列等，同时是各种武器装备中的关键核心器件。而现有技术的高压功率模拟集成运算放大器通常采用多个芯片和外围辅助电路混合集成或厚膜集成来实现，具有体积较大，成本高，电路结构复杂，可靠性差等缺陷。
发明内容：
本发明要解决的技术问题：提供一种高压大功率集成运算放大器。以解决现有技术的高压功率模拟集成运算放大器通常采用多个芯片和外围辅助电路混合集成或厚膜集成来实现，具有体积较大，成本高，电路结构复杂，可靠性差等缺陷等技术问题。
本发明技术方案：
一种高压大功率集成运算放大器，它包括：
输入级电路：用结型场效应管做差分输入对管，采用共源-共栅结构，用双极型晶体管作有源负载，对输入信号进行预处理，抑制共模信号，放大差模信号，将信号传输到中间级电路；与中间级电路连接；
中间级电路：对输入级电路的输出信号进行放大，并传输到输出级电路，与输出级电路连接；
输出级电路：采用NPN+NPN复合达林顿管结构实现电流输出，与负载连接；
偏置电路：为输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路提供静态电流；与输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路连接。
所述保护电路为过流过热保护电路，过流保护电路通过采样输出电流，达到预警电流时导通，对输出级电路和中间级电路的晶体管进行分流，防止输出级电路晶体管因过流而烧毁；过热保护电路采用热敏管对温度进行检测，达到预警温度时过热保护电路开始工作，关断大电流支路，防止芯片被烧毁。
输入级电路包括P型结型场效应管J1-J4，双极型晶体管T4-T8和电阻R1-R5；场效应管J1，J2源极分别接电阻R1和R2，J1和J2漏极与J3，J4源极相连接；J3漏极与双极型晶体管T6基极、T7集电极相连接，J4漏极连接晶体管T8集电极和中间级输入端；晶体管T4基极连接电阻R1，R2公共端，发射极连接电阻R3并连接到场效应管J3、J4栅极；晶体管T7、T8发射极连接相同阻值的电阻R4和R5。
中间级电路包括晶体管T18，T19，电阻R11，R13，R14；晶体管T18发射极连接晶体管T17集电极和晶体管T19基极，T18集电极连接电源。晶体管T19集电极连接电阻R13、晶体管T24发射极和输出级输出端,T19发射极连接晶体管T10集电极和输出级下端输入；电容C1连接于晶体管T18基极与T19集电极。
根据权利要求1所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：输出级电路包括晶体管T29-T32，电阻R15-R18；电阻R15,R16分别接于晶体管T29和T30的基极与发射极，电阻RCL接到晶体管T29和T30发射极，电阻R17和R18分别接于晶体管T31和T32基极与发射极。
偏置电路包括晶体管T15、T16和T20，电阻R9和R10；晶体管T20、T21和T22基极相连，发射极分别连接电阻R10、R11和R12；晶体管T20基极和集电极连接到电阻R9，晶体管T15连接于T16基极和集电极；T9、T10、T11、T14和T16基极相连，晶体管T9发射极连接电阻R6，T11发射极连接电阻R7，T14发射极连接电阻R8；晶体管T2集电极与T3基极和T14集电极相连；晶体管T2和T1基极相连，发射极分别连接电阻R22和R23；晶体管T1基极与集电极相连，同时连接着T3发射极，T3集电极连接输入级的电阻R1和R2。
过流保护电路包括晶体管T33和T34；晶体管T33和T34发射极相连，基极连接到输出端采样电阻RCL，集电极分别连接于T29基极，T12基极和T13基极；晶体管T25发射极连接电阻R19到T26基极和电阻R20，T26发射极连接晶体管T27和T28基极以及电阻R21；电阻RCL作为过流采样电阻，当输出电流大于预警电流时，晶体管T33和T34导通，分别从上下两端的输出级基极分流，使输出电流下降；同时T33和T34的导通使T12和作为二极管连接的晶体管T13导通，从中间级的基极分流。
过热保护电路包括晶体管T25-T28、电阻R19-R21和稳压管D1，晶体管T27和T28为热敏晶体管，具有负温度系数，稳压管D1具有正温度系数；正常情况下调节电阻R20和R21使晶体管T27和T28处于截止状态；当工作电流升高导致温度达到预警值， D1两端压降变高，负温度系数的晶体管导通电压Vbe降低，使晶体管T27和T28导通，对输出级的基极电流进行分流，从而防止芯片的温度继续升高而损坏。
本发明的有益效果：
采用本发明的结构，当差模电压分别从同相端和反相端输入时，PJEFT栅极电位的改变将引起电流的变化，方向相反，镜像到电流源负载，动态电流从J4漏端输出，进入中间级的输入端，中间级的输入电阻作为输入级的负载电阻，实现电压的一级放大。从输入级流出的动态电流经过中间级的复合NPN管，电流再一次放大，有源负载的存在使得电压增益大大提高，实现了电压的二级放大。最后输出级的结构使得输入电阻较中间级的有源负载小，所以动态电流大部分流向输出级，输出级的达林顿管结构让等效输出电阻变得很小只有几十欧姆，具有很强的带负载和大电流输出能力，节省了空间；本发明具有极小的输入偏置电流，同时具有很低的输入失调电压、输入失调电流，开环增益可达到90dB以上，共模抑制比大于95dB，并且具有输出9A的峰值电流的能力；本发明与现有技术相比，具有以下优点：采用单芯片集成实现高压功率运算放大器，无需任何外围辅助电路即可实现高电源电压工作和大电流输出，而不是采用通常的多个芯片和外围辅助电路混合集成或厚膜集成来实现，体积仅为同类模块化高压功率运算放大器产品的20%甚至更小，且可靠性更高。本发明还可实际需要调节输出级功率管的相关参数，实现不同容量的功率输出，增加芯片应用的灵活度；解决了现有技术的高压功率模拟集成运算放大器通常采用多个芯片和外围辅助电路混合集成或厚膜集成来实现，具有体积较大，成本高，电路结构复杂，可靠性差等缺陷等技术问题。
附图说明：
图1本发明结构示意图；
图2为本发明电路组成示意图。
具体实施方式：
一种高压大功率集成运算放大器，它包括：
输入级电路：用结型场效应管做差分输入对管，采用共源-共栅结构，用双极型晶体管作有源负载，对输入信号进行预处理，抑制共模信号，放大差模信号，将信号传输到中间级电路；与中间级电路连接；
中间级电路：对输入级电路的输出信号进行放大，并传输到输出级电路，与输出级电路连接；
输出级电路：采用NPN+NPN复合达林顿管结构实现电流输出，与负载连接；
偏置电路：为输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路提供静态电流；与输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路连接。
所述保护电路为过流过热保护电路，过流保护电路通过采样输出电流，达到预警电流时导通，对输出级电路和中间级电路的晶体管进行分流，防止输出级电路晶体管因过流而烧毁；过热保护电路采用热敏管对温度进行检测，达到预警温度时过热保护电路开始工作，关断大电流支路，防止芯片被烧毁。
输入级电路：本发明摒弃常规的双极型晶体管差分输入对管，改为JFET(结型场效应管)做差分输入对管。采用共源-共栅结构，用双极型晶体管作有源负载，极大的提高了输入级的增益，具有高输入阻抗、低输入电流、高输出阻抗及无米勒效应等优点，电路的对称性使得共模抑制比很高，同时具有宽带宽、低噪声及低温漂等特性。输入级主要对输入信号进行预处理，抑制共模信号，放大差模信号到，将信号传输到下一级。
中间级电路：以两个NPN管结合，单端输入，并从集电极和发射极双端输出到输出级输入端。采用有源负载，实现高输出阻抗，同时加入密勒电容进行频率补偿，防止闭环情况下发生自激振荡。信号主要由中间级进行放大，传输到输出级。
输出级电路：采用达林顿结构，在基极和射极之间加入均衡电阻R1-R4，避免在小电流情况下第一级NPN管的基区复合作用带来的电流放大倍数衰减效应，导致达林顿组合晶体管直流电流放大倍数达不到指标要求，输出电流能力受限。与通常运放电路的输出管反向部分常用PNP管组成有所不同，本芯片输出级均采用NPN+NPN复合达林顿管，在输出相同电流情况下，能够节省大量的芯片面积，并且能够避免大电流情况下推挽输出PNP管较大的基极漏电流损耗。输出级起到缓冲作用，输出大电流，具有低输出电阻，输出的信号具有很强的带负载能力。
偏置电路：提供基准电流，通过镜像比例等方式为输入级，中间级输出级和保护电路提供合适的静态电流，保证各个模块和整体电路的正常工作。
过流过热保护电路：过流电路通过采样输出电流，达到预警电流时导通，对输出级和中间级晶体管进行分流，防止输出级晶体管因过流而烧毁。功率运放由于功耗很大，芯片在工作时，温度上升很快，芯片温度过高会影响器件的性能以及长期的可靠性和稳定性，甚至彻底烧坏芯片。采用热敏管，对温度进行检测，达到预警温度时过温保护电路开始工作，关断大电流支路，防止芯片被烧毁。
所述输入级电路由P型结型场效应管J1-J4,双极型晶体管T4-T8和电阻R1-R5组成。场效应管J1，J2源极分别接电阻R1和R2，J1和J2漏极与J3，J4源极相连接。J3漏极与双极型晶体管T6基极，T7集电极相连接，J4漏极连接晶体管T8集电极和中间级输入端。晶体管T4基极连接于电阻R1，R2公共端，发射极连接电阻R3并连接到场效应管J3，J4栅极。晶体管T7，T8发射极连接相同阻值的电阻R4，R5。信号从PJEFT栅极差分输入，从场效应管J4漏极输出，晶体管T6，T7，T8构成的带射级输出器的电流源作为PJEFT的有源负载，提高输入级的增益，使其具有较高的输出电阻。晶体管T4和电阻R1-R3用于调整场效应管J1，J2源极电位，使其静态时处于饱和区，具有稳定的静态偏置。晶体管T9、电阻R6与主偏置电路连接而成微电流源，用于调整晶体管T6的偏置电流，同时也负责对中间级晶体管T8静态电流的调整。场效应管J4漏极电位由于连接着晶体管T18，T19，T31，T32，因此电路正常工作时电位被钳制于4Vbe(四个导通电压）。同样场效应管J3漏极连接着晶体管T6，T7，T31，T32也钳制在4Vbe，所以对于场效应管J3和J4的漏极电位基本一样，对称的结构使得输入级对于共模信号有很强的抑制作用，因此输入级具有很高的共模抑制比，使得共模信号极难传递到后一极，保证了放大信号准确性。
所述中间级电路包括晶体管T18，T19，电阻R11，R13，R14，晶体管T18发射极连接晶体管T17集电极和晶体管T19基极，T18集电极连接电源。晶体管T19集电极连接电阻R13、晶体管T24发射极和输出级输出端,T19发射极连接晶体管T10集电极和输出级下端输入。电容C1连接于晶体管T18基极与T19集电极。信号从晶体管T18的基极单端输入，晶体管T19发射极和集电极双端输出，分别构成共集-共射和共集-共集（达林顿管）的复合管放大电路。晶体管T10作为T19的发射极交流等效电阻，也同时连接着输入端的偏置，具有较大的电流，一方面提高了电路的稳定性，另一方面得到的交流等效电阻小，避免了太大的交流负反馈电阻对中间级增益的提高的阻碍，使得中间级可以具有很高的增益。电容C1为密勒电容，对电路进行频率补偿，使得运放具有良好的相位裕度，防止闭环负反馈时产生自激振荡，提高电路的稳定性。晶体管T21，T23，T24的结构相对于单管T21作为有源负载具有更高的交流等效负载电阻，这是由于NPN具有很大的厄尔利电压，因此NPN和PNP管的混合使用，使得作为偏置的电流源可以有很大的等效电阻，对于中间级的增益大大提高。
所述输出级由晶体管T29-T32，电阻R15-R18构成，电阻R15，R16分别接于晶体管T29和T30的基极与发射极，电阻RCL接到晶体管T29，T30发射极。电阻R17，R18分别接于晶体管T31和T32基极与发射极。NPN管具有很强的电流放大能力，因此功率输出管可以输出高达9A的峰值电流，分别从上下两端的双端基极输入，发射极和集电极汇合单端输出。上下两端输出的并联结构使得输出电阻小，带负载能力强，同时大功率管可以承受很高的电流，实现大电流的输出。
所述偏置电路由主偏置电路晶体管T15，T16，T20，电阻R9，R10构成。晶体管T20，T21，T22基极相连，发射极分别连接电阻R10，R11，R12。晶体管T20基极和集电极连接到电阻R9，晶体管T15连接于T16基极和集电极。T9，T10，T11，T14，T16基极相连，晶体管T9发射极连接电阻R6，T11发射极连接电阻R7，T14发射极连接电阻R8。晶体管T2集电极与T3基极，T14集电极相连。晶体管T2，T1基极相连，发射极分别连接电阻R22，R23。晶体管T1基极与集电极相连，同时连接着T3发射极，T3集电极连接输入级的电阻R1，R2。晶体管T15作为射级缓冲器，汲取的主偏置电流小，确保主偏置电流的稳定性。晶体管T21和电阻R11与主偏置电路构成比例电流源，为中间级晶体管T19管和输出级提供静态偏置，晶体管T22和电阻R12为热保护电路提供偏置。晶体管T14和电阻R8构成的微电流源和晶体管T1-T3形成的威尔逊电流源为输入级的PJEFT提供静态偏置，偏置电流具有很强的稳定性。同样晶体管T9，T10，T11也为输入级的其他模块提供偏置，确保电路的正常工作。
所述保护电路由晶体管T12，T13，T25-28，T33，T34组成。晶体管T33和T34发射极相连，基极连接到输出端采样电阻RCL，集电极分别连接于T29基极，T12基极和T13基极。晶体管T25发射极连接电阻R19到T26基极和电阻R20，T26发射极连接晶体管T27和T28基极以及电阻R21。电阻RCL作为过流采样电阻，当输出电流大于预警电流时，晶体管T33，T34导通，分别从上下两端的输出级基极分流，使输出电流下降，同样T33，T34的导通使T12和作为二极管连接的晶体管T13导通，从中间级的基极分流，限制了输出级电流，有效的保护了电路，避免输出超大电流损坏电路。过温保护电路由晶体管T25-T28、电阻R19-R21和稳压管D1构成，晶体管T27和T28为热敏晶体管，具有负温度系数，而稳压管D1具有正温度系数。正常情况下调节合适的电阻R20和R21使晶体管T27，T28处于截止状态。当工作电流升高导致温度达到预警值，因为稳压管D1的正温度系数，所以D1两端压降变高，负温度系数的晶体管导通电压Vbe降低，使晶体管T27和T28导通，对输出级的基极电流进行分流，从而防止芯片的温度继续升高而损坏。
本发明所涉及的工作原理分析如下：当差模电压分别从同相端和反相端输入时，PJEFT栅极电位的改变将引起电流的变化，方向相反，镜像到电流源负载，动态电流从J4漏端输出，进入中间级的输入端，中间级的输入电阻作为输入级的负载电阻，实现电压的一级放大。从输入级流出的动态电流经过中间级的复合NPN管，电流再一次放大，有源负载的存在使得电压增益大大提高，实现了电压的二级放大。最后输出级的结构使得输入电阻较中间级的有源负载小，所以动态电流大部分流向输出级，输出级的达林顿管结构让等效输出电阻变得很小只有几十欧姆，具有很强的带负载和大电流输出能力，节省了空间。
Claims (8)
1.一种高压大功率集成运算放大器，它包括：
输入级电路：用结型场效应管做差分输入对管，采用共源-共栅结构，用双极型晶体管作有源负载，对输入信号进行预处理，抑制共模信号，放大差模信号，将信号传输到中间级电路；与中间级电路连接；
中间级电路：对输入级电路的输出信号进行放大，并传输到输出级电路，与输出级电路连接；
输出级电路：采用NPN+NPN复合达林顿管结构实现电流输出，与负载连接；
偏置电路：为输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路提供静态电流；与输入级电路、中间级电路、输出级电路和保护电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：所述保护电路为过流过热保护电路，过流保护电路通过采样输出电流，达到预警电流时导通，对输出级电路和中间级电路的晶体管进行分流，防止输出级电路晶体管因过流而烧毁；过热保护电路采用热敏管对温度进行检测，达到预警温度时过热保护电路开始工作，关断大电流支路，防止芯片被烧毁；保护电路与输出级电路和偏置电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：输入级电路包括P型结型场效应管J1-J4，双极型晶体管T4-T8和电阻R1-R5；场效应管J1，J2源极分别接电阻R1和R2，J1和J2漏极与J3，J4源极相连接；J3漏极与双极型晶体管T6基极、T7集电极相连接，J4漏极连接晶体管T8集电极和中间级输入端；晶体管T4基极连接电阻R1，R2公共端，发射极连接电阻R3并连接到场效应管J3、J4栅极；晶体管T7、T8发射极连接相同阻值的电阻R4和R5。
4.根据权利要求1所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：中间级电路包括晶体管T18，T19，电阻R11，R13，R14；晶体管T18发射极连接晶体管T17集电极和晶体管T19基极，T18集电极连接电源，晶体管T19集电极连接电阻R13、晶体管T24发射极和输出级输出端，T19发射极连接晶体管T10集电极和输出级下端输入；电容C1连接于晶体管T18基极与T19集电极。
5.根据权利要求1所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：输出级电路包括晶体管T29-T32，电阻R15-R18；电阻R15，R16分别接于晶体管T29和T30的基极与发射极，电阻RCL接到晶体管T29和T30发射极，电阻R17和R18分别接于晶体管T31和T32基极与发射极。
6.根据权利要求1所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：偏置电路包括晶体管T15、T16和T20，电阻R9和R10；晶体管T20、T21和T22基极相连，发射极分别连接电阻R10、R11和R12；晶体管T20基极和集电极连接到电阻R9，晶体管T15连接于T16基极和集电极；T9、T10、T11、T14和T16基极相连，晶体管T9发射极连接电阻R6，T11发射极连接电阻R7，T14发射极连接电阻R8；晶体管T2集电极与T3基极和T14集电极相连；晶体管T2和T1基极相连，发射极分别连接电阻R22和R23；晶体管T1基极与集电极相连，同时连接着T3发射极，T3集电极连接输入级的电阻R1和R2。
7.根据权利要求2所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：过流保护电路包括晶体管T33和T34；晶体管T33和T34发射极相连，基极连接到输出端采样电阻RCL，集电极分别连接于T29基极，T12基极和T13基极；晶体管T25发射极连接电阻R19到T26基极和电阻R20，T26发射极连接晶体管T27和T28基极以及电阻R21；电阻RCL作为过流采样电阻，当输出电流大于预警电流时，晶体管T33和T34导通，分别从上下两端的输出级基极分流，使输出电流下降；同时T33和T34的导通使T12和作为二极管连接的晶体管T13导通，从中间级的基极分流。
8.根据权利要求2所述的一种高压大功率集成运算放大器，其特征在于：过热保护电路包括晶体管T25-T28、电阻R19-R21和稳压管D1，晶体管T27和T28为热敏晶体管，具有负温度系数，稳压管D1具有正温度系数；正常情况下调节电阻R20和R21使晶体管T27和T28处于截止状态；当工作电流升高导致温度达到预警值，D1两端压降变高，负温度系数的晶体管导通电压Vbe降低，使晶体管T27和T28导通，对输出级的基极电流进行分流，从而防止芯片的温度继续升高而损坏。
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