本發(fā)明涉及基于半導(dǎo)體集成電路技術(shù)原理的新型通用運(yùn)算放大器集成電路器件，尤其涉及無電阻半導(dǎo)體集成通用運(yùn)算放大器的改進(jìn)方法及其放大器。

背景技術(shù)：

通用運(yùn)算放大器是被廣泛使用的一種模擬集成電路。在該類集成電路中廣泛采用的核心器件是雙極型晶體管(bipolar technological process)與MOS晶體管(MOS technological process)。其中，雙極型晶體管是電流控制型器件，在電路中需要電阻限制、控制電流。即使MOS晶體管是電壓控制型器件，在電路中也不可避免地要使用電阻實(shí)現(xiàn)合理的偏置及負(fù)載。

電阻在模擬集成電路中的設(shè)計(jì)與使用已經(jīng)成為該領(lǐng)域常態(tài)。集成電路中的電阻元件占用較大的芯片面積，產(chǎn)生功耗(特別是靜態(tài)功耗)，精度較差，電源電壓波動(dòng)引起電流變化，從而影響電路功能和性能。

因此，要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，必須拋棄必須使用電阻設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)，用CRD(恒流二極管)器件替代恒流源電路給雙極型晶體管或MOS晶體管提供合理的偏置及有源負(fù)載，提高工作點(diǎn)穩(wěn)定性，獲得高增益。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種無電阻半導(dǎo)體集成通用運(yùn)算放大器的改進(jìn)方法及其放大器，用CRD(恒流二極管)器件替代恒流源電路給雙極型晶體管或MOS晶體管提供合理的偏置及有源負(fù)載，提高工作點(diǎn)穩(wěn)定性，獲得高增益。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明是用CRD器件替代恒流源電路給雙極型晶體管或MOS晶體管提供合理的偏置及有源負(fù)載，實(shí)現(xiàn)全有源器件的通用運(yùn)算放大器電路結(jié)構(gòu)。

因此，本發(fā)明的無電阻半導(dǎo)體集成通用運(yùn)算放大器，它由前置級(jí)、中間級(jí)和末級(jí)放大器電路構(gòu)成；

前置級(jí)放大器由J1，J2，Q3,Q4組成源極跟隨器-共基極差分放大器，J1，J2 是JFET；Q1,Q2,Q3,Q4組成射極跟隨器-共基極差分放大器；CRD1，CRD2作前置級(jí)輸出的有源負(fù)載；CRD3為前置級(jí)的固定電流偏置；

中間級(jí)放大器由Q3、Q4、Q5、Q6與Q5、Q6、Q7、Q8構(gòu)成達(dá)林頓射極跟隨器-共基極放大器，Q7是Q6的有源負(fù)載；CRD4為中間級(jí)的固定電流偏置，CRD5為Q7、Q8與Q9、Q10提供固定電流偏置；

末級(jí)放大器為推挽輸出，CRD6為Q14、Q15或Q16、Q17提供電流偏置，同時(shí)限定Q14、Q15或Q16、Q17的功耗范圍；CRD5、Q8或Q10為Q12、Q13或Q14、Q15提供電流偏置，同時(shí)限定Q12、Q13或Q14、Q15的功耗范圍。

本發(fā)明中用和雙極型工藝(bipolar technological process)兼容的二端器件CRD在電路中直接替代現(xiàn)在一直使用的各種恒流源電路，新電路中無電阻元件，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡單，形式標(biāo)準(zhǔn)，前置級(jí)、中間級(jí)電路對(duì)稱(對(duì)稱程度高有利于失調(diào)電流，失調(diào)電壓，共模抑制比等核心參數(shù)的改善)，使用的元器件數(shù)量大幅減少，CRD器件的尺寸比集成電阻小很多，集成密度提高，功耗減少。由于CRD器件對(duì)電流的恒定限制作用，限定了各個(gè)晶體管的工作狀態(tài)范圍，不需要再加各種負(fù)反饋電路調(diào)控，整個(gè)電路內(nèi)部沒有負(fù)反饋，電路瞬態(tài)響應(yīng)大為改善。對(duì)于末級(jí)輸出來說，由于CRD5，CRD6限定了驅(qū)動(dòng)電流的范圍，也就限定了輸出電流的范圍，不需要過流保護(hù)，即使輸出端負(fù)載短路也不會(huì)損害整個(gè)電路，安全性提高。

本發(fā)明的這種無電阻半導(dǎo)體集成通用運(yùn)算放大器技術(shù)特點(diǎn)在以下方面：

無電阻的有源電路結(jié)構(gòu)。使用的元器件數(shù)量大幅減少，CRD器件的尺寸比集成電阻小很多，集成密度提高。CRD器件對(duì)電流的恒定限制作用，限定了各個(gè)晶體管的工作狀態(tài)范圍。和雙極型制造工藝(bipolar technological process)完全兼容。調(diào)整器件參數(shù)，可獲得不同電路技術(shù)指標(biāo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的JFET高阻抗輸入電路結(jié)構(gòu)；

圖2是本發(fā)明的低失調(diào)輸入電路結(jié)構(gòu)；

圖3是運(yùn)算放大器符號(hào)；

圖4是CRD特性示意圖；

圖5是本發(fā)明的內(nèi)部電路劃分示意圖；

圖6是PNP晶體管有源負(fù)載及輸出推動(dòng)；

圖7是晶體管多集電極形式示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖1所示，根據(jù)通用運(yùn)算放大器原理及組成結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的無電阻半導(dǎo)體集成通用運(yùn)算放大器由前置級(jí)、中間級(jí)、末級(jí)電路構(gòu)成。根據(jù)圖1-圖5的電路結(jié)構(gòu)，前置級(jí)放大器，圖1：J1，J2，Q3,Q4組成源極跟隨器-共基極差分放大器，J1，J2是JFET，具有高輸入阻抗(10MΩ)。圖2:Q1,Q2,Q3,Q4組成射極跟隨器-共基極差分放大器。CRD1，CRD2作前置級(jí)輸出的有源負(fù)載，獲得高增益；CRD3為前置級(jí)的固定電流偏置。

中間級(jí)放大器，圖1中由Q3、Q4、Q5、Q6(圖2中Q5、Q6、Q7、Q8)構(gòu)成達(dá)林頓射極跟隨器-共基極放大器。Q7是Q6的有源負(fù)載。CRD4為中間級(jí)的固定電流偏置，CRD5為Q7、Q8(圖2中的Q9、Q10)提供固定電流偏置。末級(jí)為推挽輸出。CRD6為Q14、Q15(圖2的Q16、Q17)提供電流偏置，同時(shí)限定Q14、Q15(圖2的Q16、Q17)的功耗范圍；CRD5、Q8(圖2中的Q10)為Q12、Q13(圖2的Q14、Q15)提供電流偏置，同時(shí)限定Q12、Q13(圖2的Q14、Q15)的功耗范圍(見圖6)。

圖6中：

2βI_B＝I_C7+I_C8。

CRD5固定了Q7、Q8(圖2中的Q9、Q10)的基極電流和，Q7、Q8(圖2中的Q9、Q10)晶體管的最大集電極電流和范圍即被限定，輸出級(jí)的推動(dòng)電流被限定，也就是說，對(duì)于輸出晶體管已經(jīng)具有過流保護(hù)環(huán)節(jié)。在集成電路中的Q7、Q8(圖2中的Q9、Q10)晶體管可以設(shè)計(jì)成多集電極形式(見圖7)，即固定了集電極電流和。其效果是一樣的。圖7是晶體管多集電極形式示意圖(同圖6有等效的原理，可用圖6等同表達(dá))。

圖7中：

I_C＝βI_B＝βI_CRD＝I_C中+I_Cout。

電路特點(diǎn)說明：前置級(jí)與中間級(jí)的耦合為雙端輸出(前置級(jí))、雙端輸入(中間級(jí))，對(duì)稱性好。根據(jù)差分放大電路的特性，對(duì)稱性好有利于失調(diào)電壓、失調(diào)電流、共模抑制比等運(yùn)算放大器重要技術(shù)指標(biāo)的改善；由于CRD器件對(duì)電流的恒定限制作用，限定了各個(gè)晶體管的工作狀態(tài)范圍，不需要再加各種負(fù)反饋電路調(diào)控，整個(gè)電路內(nèi)部沒有負(fù)反饋，電路瞬態(tài)響應(yīng)大為改善。

電路方案仿真驗(yàn)證說明：按照最常規(guī)的雙極型半導(dǎo)體工藝條件(5微米間距、線寬設(shè)計(jì)規(guī)則)，NPN晶體管模型主要參數(shù)β＝(50-120),f_T＝100MHZ；橫向PNP晶體管模型主要參數(shù)β＝(4-6)，f_T＝1MHZ，I_CM＝(100-200)μA；VCC/VEE＝±12V--±30V；CRD的電流從80微安—1毫安分別按要求配置到各個(gè)晶體管；獲得開環(huán)增益大于10萬倍(80dB)，開環(huán)帶寬1KHZ，共模抑制比100dB，失調(diào)電壓10μV，失調(diào)電流6nA，最大電壓輸出幅度V_pp＝±11V--±29V。

對(duì)現(xiàn)有電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則的改變：模擬集成電路電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則指出，為了提高電路集成度和參數(shù)容差，盡量使用有源器件，減少無源元件(R、C、L)使用。本發(fā)明拋棄了電阻設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了全有源器件的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)現(xiàn)有電路方案中的一些附加電路可以取消，使設(shè)計(jì)思路更加清晰，電路原理的可理解性提高。從電路方案仿真的結(jié)果看出，在最常規(guī)的工藝條件下，電路的技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，如果在更精細(xì)的工藝條件下，技術(shù)效果會(huì)更好。

當(dāng)然，以上只是本發(fā)明的具體應(yīng)用范例，本發(fā)明還有其他的實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明所要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。