基于功率MOS線性高壓放大器設(shè)計(jì)

摘 要:為了實(shí)現(xiàn)對輸出高壓的線性控制，基于功率MOSFET的電學(xué)特性，運(yùn)用NMOS功率管設(shè)計(jì)一種新結(jié)構(gòu)的高壓運(yùn)算放大器，通過模擬仿真和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，當(dāng)輸入電壓為0～5 V時(shí)，電路可實(shí)現(xiàn)0～50 V的線性輸出，并且通過加入PMOS功率管進(jìn)一步改進(jìn)電路，可得到正負(fù)高壓的輸出，模擬仿真為-140～+140 V，這表明所設(shè)計(jì)的電路線性度高，可以滿足高壓運(yùn)放的要求，且制作成本低，對現(xiàn)代通信中的大功率驅(qū)動(dòng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞:功率MOSFET;線性高壓;運(yùn)算放大器;功率驅(qū)動(dòng)

中圖分類號(hào):TN722.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2010)02-010-02

Design of Linear High Voltage Amplifier Based on Power MOSFET

ZHANG Hao1，WANG Lixin1，LU Jiang1，LIU Su2

(1.The Institute of Microelectronics，Chinese Academiy of Sciences，Beijing，100029，China;

2.School of Physical Science and Technology，Lanzhou University，Lanzhou，730000，China)

Abstract:In order to achieve the linear control of high_voltage output in operational amplifier，based on the electrical properties of power MOSFET，a high_voltage operational amplifier is designed with new structure with power NMOS.Through simulation and experimental results，the linear output voltage is 0~50 V can be achieved，when the range of the input voltage is 0～5 V.And with the further improvement by utilizing power PMOS，the output voltage is -140～+140 V can be acquired，which indicates the high linearity，and with low cost，the needs of high voltage operational amplifier can be met.There is significance in the high power driving of modern communication.

Keywords:power MOSFET;linear high voltage;operational amplifier;power drive

0 引 言

高電壓放大器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信、信號(hào)檢測、功率驅(qū)動(dòng)等方面\\，并且已成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用各種手段和方法實(shí)現(xiàn)放大器高效率且高線性度的工作，對于未來無線移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)有著十分重大的實(shí)際意義。

功率場效應(yīng)晶體管具有跨導(dǎo)高，漏極電流大，工作頻率高和速度快等特點(diǎn)，線性放大的動(dòng)態(tài)范圍大，在有較大的輸出功率時(shí)也能有較高的線性增益。這里成功應(yīng)用功率場效應(yīng)晶體管設(shè)計(jì)出一種高壓運(yùn)算放大器。該放大器的制作成本低廉，輸出線性可控，適用范圍廣。

1 功率MOS器件結(jié)構(gòu)與分析

功率MOS場效應(yīng)晶體管是在MOS集成電路工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代電力開關(guān)器件，具有輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)電路簡單，安全工作區(qū)寬等優(yōu)點(diǎn)\\。圖1給出功率MOS晶體管的結(jié)構(gòu)剖面圖及其電學(xué)特性曲線。采用雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)\\制作適合用作功率器件的短溝道高壓晶體管，需要短的重?fù)诫s背柵和寬的輕摻雜漂移區(qū)。由于外延層厚度決定了漂移區(qū)的寬度，因此也決定了晶體管的工作電壓，其漏源電壓公式為\\:

VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)

式中:RJFET為結(jié)型場效應(yīng)管電阻;RACC為N-層表面電子積累層電阻;RFP為外延層電阻;IMOS為反型溝道電流;Vf為溝道壓降。

圖1 功率MOS結(jié)構(gòu)圖及電學(xué)特性

2 電路設(shè)計(jì)

高壓運(yùn)算放大器電路主要由運(yùn)算放大器和功率場效應(yīng)晶體管組成\\，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

圖2 高壓運(yùn)算放大器電路圖

所設(shè)計(jì)的電路中使用價(jià)格低廉的運(yùn)放LM358和NMOS功率管IRF630構(gòu)成負(fù)反饋回路\\，雙極晶體管C8050和電阻R4實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)\\，防止流過IRF630的電流過大，整個(gè)電路為反比例放大電路，R2為反饋電阻，其輸入和輸出的關(guān)系式為:

Vout=-(VinR2)/R1(2)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)圖2制作試驗(yàn)電路板如圖3所示。供應(yīng)電壓為60 V，R11.963 kΩ，R220 kΩ，放大倍數(shù)約為10.19。當(dāng)輸入電壓為0～5 V時(shí)，先用EDA軟件對電路進(jìn)行模擬仿真，然后對電路板進(jìn)行測量，并進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路板

表1 輸出電壓的模擬結(jié)果與測量結(jié)果V

輸入電壓值仿真輸出測量輸出輸入電壓值仿真輸出測量輸出

0- 0.18- 1.52.5 -25.51-26.4

0.1 - 1.05- 2.13.0 -30.60-31.6

0.5 - 5.13- 6.23.5 -35.69-36.7

1.0 -10.22-10.94.0 -40.79-41.8

1.5 -15.32-16.14.5 -45.88-47.5

2.0 -20.41-21.35.0 -50.98-52.8

由表1可畫出輸入/輸出關(guān)系變化圖形，如圖4所示。從表1和圖4中可以看出，模擬結(jié)果和測量結(jié)果存在誤差，誤差ε=-1.095，這是因?yàn)闇y量精度和器件自身精度的誤差所引起的。當(dāng)輸入電壓從0 V掃描到5 V時(shí)，得到等比例的放大輸出電壓，且呈線性變化，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電壓對輸出電壓的線性控制，具有很好的驅(qū)動(dòng)能力。

圖4 電路輸入/輸出變化圖

根據(jù)以上分析，用PMOS功率管進(jìn)一步改進(jìn)電路，和用NMOS管構(gòu)成一種推挽結(jié)構(gòu)\\的輸出電路，可以滿足輸入正負(fù)電壓的要求，如圖5所示。若選用耐壓350 V的NMOS功率管IRF713和耐壓300 V的PMOS功率管IRF9631，以及晶體管Q1，Q2和電阻R4，R5構(gòu)成過載保護(hù)電路，則選取R2=280 kΩ，R1=10 kΩ，對電路進(jìn)行仿真，輸入電壓范圍是-5～+5 V。當(dāng)輸入電壓為負(fù)壓時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，輸出為正電壓;當(dāng)輸入電壓為正壓時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管截止，輸出為負(fù)電壓。輸入/輸出的線性關(guān)系如圖6所示，電壓輸出為+140～-140 V，可實(shí)現(xiàn)高壓的雙極性線性等比例放大輸出。

圖5 改進(jìn)的線性高壓運(yùn)算放大器

圖6 輸入/輸出線性關(guān)系圖

4 結(jié) 語

利用功率場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性，并運(yùn)用反饋運(yùn)放的基本原理成功設(shè)計(jì)了高壓運(yùn)算放大器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的電路輸出電壓線性度高，能夠?qū)Ω邏哼M(jìn)行有效的線性控制。選擇耐壓高的功率管，可以實(shí)現(xiàn)更高電壓的線性輸出，達(dá)到高壓驅(qū)動(dòng)的要求，電路結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，可以滿足不同領(lǐng)域的要求，且具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡介 張 浩 男，1984年出生，云南玉溪人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)榇蠊β势骷凹呻娐吩O(shè)計(jì)和應(yīng)用。

王立新 男，副研究員。主要研究方向?yàn)閂DMOS器件結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。