（微电子学与固体电子学专业论文）高速宽带线性模拟信号隔离器的研究.pdf

摘要 摘要 模拟信号隔离器在视频领域、音频领域和通信领域中具有广泛的用途。论文 从电特性指标要求出发，通过系统设计、电路设计、版图设计和性能仿真验证， 设计了一种高速宽带线性模拟信号隔离器。该模拟信号隔离器具有结构简单、精 度高、速度快、频带宽、成本低和便于集成等优点。 论文在研究了电压反馈型与电流反馈型放大器以及互补双极工艺( c b - i - 艺) 与c m o s 工艺在实现设计要求时优缺点的基础上，采用基于互补双极工艺的电流 模反馈技术实现高速宽带，线性光耦合器实现隔离。对电路结构进行了仔细分析 和优化设计，完成了电路设计和前仿真和部分版图设计。模拟仿真结果表明，输 入电阻3 7 m q ，输出电阻2 5 q ，开环增益3 6 d b ，补偿电容3 p f 时相位裕度5 1 。， 共模抑制比6 0 8 0 d b ，3 d b 带宽保持在1 5 4 2 m h z ，转换速率2 0 0 v # s 以上， 具有较好的线性度和温度特性。在电路中还实现了欠压保护、过压保护、过流保 护等多种功能。 关键词：模拟信号隔离器高速宽带互补双极工艺 电流模反馈 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea n a l o gs i g n a li s o l a t i o na m p l i f i e rh a sb e e nu s e di nt h ef i e l do fv i d e o 、a u d i o a n dc o m m u n i c a t i o n t h r o u g hs y s t e m a t i cd e s i g n ，c i r c u i td e s i g n ，l a y o u td e s i g na n d p e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n dv a l i d a t i o n ，t h i sp a p e rd e v e l o p sah i g hs p e e da n dw i d e b a n d f i n e a r a n a l o gs i g n a l i s o l a t i o na m p l i f i e r , w h i c hi so nt h eg r o u n do fe l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s g u i d e l i n er e q u e s t s t h ed e s i g nh a ss om a n yv i n n e s s u c ha ss t r u c t u r e s i m p l eh e s s ，h i g hp r e c i s i o n ，h i g h s p e e d ，w i d e b a n d ，l o wl o s ta n dc 觚b ei n t e g r a t e d c o m p a r et h e c u r r e n tf e e d b a c k t e c h n o l o g y w i t ht h e v o l t a g e f e e d b a c k t e c h n o l o g ya n dc o m p a r et h ec bp r o c e s sw i t ht h ec m o sp r o c e s st og e ta f e a s i b i l i t yw a y a n du s et h ec u r r e n tf e e d b a c kt e c h n o l o g y , w h i c hi sb a s e do nt h e c o m p l e m e n t a r yb i p o l a rp r o c e s s ，t oa c h i e v eh i g h s p e e da n dw i d e b a n d 。l i n e a r o p t i c a lc o u p l i n ga c h i e v ei s o l a t i o n t h r o u g hc a r e f u l l ya n a l y z ea n do p t i m i z et h e s t r u c t u r eo fc i r c u i t ，n o wt h ec i r c u i t sh a v eb e e nd e s i g n e d ，p r e l a y o u ts i m u l a t i o na n d p o r t i o no fl a y o u td e s i g nh a v eb e e nc o m p l e t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a ta l lt h e d e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa r em c t 1 1 h ei n p u tr e s i s t a n c ei s3 7 mq t h eo u t p u tr e s i s t a n c ei s 2 5q ，o p e n - l o o pg a i ni s3 6 d b ，p h a s em a r g i ni s5 1 。w h e nt h ec o m p e n s a t ec a p a c i t o ri s3 p f ，c o m m o n m o d er e j e c t i o nr a t i oi s6 0 8 0d b ，- 3 d bb a n d w i d t hi sm a i n t a i n e dw i t h i n t h er a n g eo f1 5 m h z 4 2 m h z a n dt h es l e wr a t ec a na c h i e v e d2 0 0 v a s h a sap e r f e c t l i n e a r i t ya n dt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c i na d d i t i o n , l o t so ff u n c t i o n sc i r c u i i s a r c d e s i g n e d ，s u c ha st h e r m a ls h u t d o w n ，o v e rv o l t a g ep r o t e c t i o n ，u n d e rv o l t a g el o c k o u t ， o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n , a n ds oo n k e y w o r d ：a n a l o gs i g n a l i s o l a t i o na m p l i f i e r h i g hs p e e d w i d e b a n c l c o m p l e m e n t a r yb i p o l a r c u r r e n tf e e d b a c k 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的研究成粟。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发 表或撰写过的研究成果；也不包含为获得两安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许商阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采腰影印、缩印、或 其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：亚1121 兰乡 醐：毒畔 亟溉 趔絮 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 现代测量仪表或检测系统的智能化程度和复杂度越来越高，使得多个测量仪 表与数据处理系统连接时，会产生系统的共地干扰问题。如不采取有效防范措施， 将会危及系统的安全。特别是在远距离信号传输的过程中，常因强干扰的引入使放 大电路的输出有着很强的干扰背景，甚至将有用信号淹没，造成系统无法正常工 作。因此，现场测量信号与仪表系统或者数据处理系统之间，应采取电隔离措施。 隔离器就是能将电路的输入部分和输出部分在电气上完全隔离的放大电路。 它既可切断输入部分和输出部分电路间的直接联系，避免干扰混入输出信号，又 可使有用信号畅通无阻。根据被测信号不同可分为：模拟隔离和数字隔离两种， 被测信号为模拟信号，则为模拟隔离，相应的被测信号为数字信号的就是数字信 号隔离，相对于数字隔离来说，模拟隔离对速度、工作带宽、信号传输的线性度、 电路增益和稳定性等指标有较高的设计难度。随着应用的e t 益扩大，对隔离器的 性能提出越来越高的要求，高频带，高速度，高精度的模拟信号隔离器 1 2 1 的设计 日益受到关注。 根据市场需求，隔离器应该不断向着模块化、小型化、集成化的方向发展， 基于隔离器的三种耦合方式，采用光电耦合是最理想的，因其体积小、寿命长、 无触点、抗干扰、能隔离、速度快、线性度好等优势，并具有单向信号传输和容 量连接等功能，使其成为高速化、高性能、小体积、轻重量的方向发展。 电路性能的改进主要取决于电路技术和工艺技术，传统电路技术与工艺技术 在通用型运算放大器设计时基本可以满足要求，但在高速宽带设计中就显得力不 从心，在这种情况下，电流模技术和互补双极工艺应运而生。并且，随着这两种 技术的不断发展，高速宽带线性运算放大器的性能也不算提升。 1 2 发展历史跟现状 随着技术的不断进步，隔离器的种类逐年增加、性能也不断提商，但是有一 个共性：朝着集成化、高速化、经济化方向发展。 集成隔离放大器是将输入级、隔离级和输出级集成在一块芯片上而制成的， 具有体积小，成本低，使用方便的优点。按照耦合方式的不同，也可以分为变压 器耦合、电容耦合和光电耦合三种，相应产品以美国和日本为代表。 2 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 采用变压器耦合的隔离放大器有b u r r b r o w n ( b b ) 公司的i s 0 2 1 2 ，3 6 5 6 。 a n a l o gd e v i c e s ( a d ) 公司的a d 2 0 2 2 0 4 ，a d 2 1 0 a d 2 1 5 等。 采用电容耦合的隔离放大器有b b 公司的i s 0 1 0 2 1 0 6 ，i s 0 1 0 3 ，i s 0 1 0 7 ，i s 0 1 1 3 ， i s 0 1 2 0 1 2 1 、i s 0 1 2 2 i s 0 1 7 5 等。 采用光电耦合的隔离放大器有b b 公司的i s 0 1 0 0 ，i s 0 1 3 0 ，3 6 5 0 3 6 5 2 。 h e w l e t t p a c k a r d ( h p ) 公司的h c p l7 8 0 0 7 8 0 0 a 1 7 8 0 0 b 等。 现在，光电耦合已显示出一种朝大容量和高速度方向发展的明显趋势。美、 日两国生产的光电耦合器以红外发光二极管和光敏器件管组成的器件为主，这种 类型的器件不仅电流传输效率高( 一般为7 3 0 ) ，而且响应速度比较快( 2 5 鹏) ，因而能够满足大多数应用场合要求。日本横河电机公司用g a a s p 红外发光 二极管作输入端，p i n 光电二极管作接收端制成的三种高速光电耦合器的绝缘电 压都在3 0 0 0 伏以上，其中5 0 8 2 - - - - - 4 3 6 1 0 型超高速数字光电耦合器和5 0 8 2 - 一4 3 6 1 型高共模抑制型光电耦合器的响应速度均可达到1 0 m b s ，它们的电流传输效率高 达6 0 以上。美国莫托罗拉公司生产的4 n 2 5 、4 n 2 6 、4 n 2 7 型光电耦合器属于三 极管输出型光电耦合器，这种光电耦合器具有很高的输入、输出绝缘性能，其频 率响应可达3 0 0 k h z ，而开关时间只有几微秒。在日本电气公司( n e c ) 生产的高 速光电耦合器中，p s 2 1 0 1 型光电耦合器是一种通用的四脚扁平组件，它采用砷铝 镓红外发光二极管和硅光电晶体管组合而成，并将其封装4 x 4 4 x 2 立方毫米的体 积之内，其响应速度为1 嘶。而p s 2 0 4 1 和p s 2 0 4 2 型光电耦合器则是将砷铝镓发 光二极管和光电晶体管集成在同一衬底上的六脚封装组件，它们的大小为 7 0 8 x 7 6 x 3 5 立方毫米，响应时间为0 跏s 。 近几年来，国内有关单位投入大量人力物力也研究和开发了各种光电耦合器 件。如上海半导体器件八厂、上海无线电十七厂等。而重庆光电技术研究所为了 适应市场需要研制出了一种由高速响应发光器件和逻辑输出型光接收放大器组成 的厚膜集成双路高速高增益电耦合器，重庆光电技术研究所还研制出了高速高压 光电耦合器、g g 2 1 5 0 1 型射频信号光电耦合器、g g 2 0 6 0 1 型高压脉冲测量光电耦 合器、g h l 2 0 4 u 型高压光传输光电耦合器以及g h l 2 0 1 y 型和g o h q i 型光电耦 合器等。 1 3 课题的基本目标 本论文目的是找到一种在低压下工作、廉价的高速宽带线性模拟信号隔离器 i ”】的设计方案。主要是为增加仪表负载能力并保证连接同一信号的仪表之间互不 干扰，提高电气安全性能。需要将输入的电压、电流或频率、电阻等信号进行采 集、放大、运算、和进行抗干扰处理后，再输出隔离的电流和电压信号，安全的 第一章绪论 3 送给二次仪表，因此对于隔离精度、频带宽度，速度等方面要求较高，为达到论 文要求，提出方案如下：采用互补双极工艺，利用电流模反馈运算放大器结构， 通过线性光耦合器实现隔离，负反馈抑制非线性失真、双差分电流模反馈运算放 大器结构提高共模抑制比为基本策略，主体是关于高速宽带高精度运算放大器的 设计。 论文资料的整理、方案的提出、理论的论证、电路结构的架设、电路的模拟 仿真，电路结果的分析及电路结构的优化都是由一个人完成。 1 4 论文的结构和主要内容 本论文包括以下几个部分： 第一章主要是对隔离器的研究背景、发展状况做简要介绍，随着隔离器应用 的曰益扩大，本论文提出了一种高速度、宽频带、高精度的模拟信号隔离器的设 计方案。 第二章主要是对隔离器结构原理的概述，通过对比数字信号隔离与模拟信号 隔离在设计上的差别，选择最优的隔离结构，利用模块化进行设计。电路性能的 改进主要取决于电路技术和工艺技术两个方面，采用电流模技术和互补双极工艺 实现高速宽带线性运放模块设计，线性光耦实现隔离模块，电压跟随器实现输出 模块，最后设定了一些技术指标。 第三章主要是针对高速宽带运放模块的设计。对比传统电压模运放与新型电 流模运放在实现高速宽带要求时的优缺，提出一种行之有效的电流模运放结构， 针对线性度跟带宽上的特殊要求，采用负反馈技术跟频率补偿达到设计要求。最 后进行模拟仿真分析和结构优化。 第四章主要是针对外围电路的设计和隔离器工作叙述。 第五章主要是对版图设计说明。 第六章对论文做简要总结，进一步阐述论文研究方案的可行性。 第二章模拟信号隔离器的设计方案 5 第二章模拟信号隔离器的设计方案 隔离器是一种将电路的输入部分和输出部分在电气上完全隔离的放大电路， 它的结构如图2 1 所示。 图2 1 隔离器原理图 通常是由三级组成：输入级、隔离级和输出级。电路的性能只要取决于输入 级的运算放大器，而隔离效果和线性度主要取决于隔离级，输出级通常是一个电 压跟随器。为了保证输入级和输出级之间的没有直接的电气联系，隔离级通常采 用光电耦合、变压器电磁耦合或者电容耦合三种方式使信号通过隔离级。 变压器耦合隔离器【1 j 具有较高的线性度和隔离性能，共模抑制比高，技术成 熟，但是宽带较窄，约为1 k h z 以下，且工艺复杂，成本高，体积大，应用不便， 主要限于音频功率信号的传输。 电容耦合隔离器的频带宽，但电路复杂，尽管已有专用模拟隔离放大器集成 电路产品，但成本很高。 光电耦合隔离器构成的隔离电路简单，成本低，隔离效果好，在有限信号范 围内线性度较高，传输信号频带较宽。若在电路中采取有效的温度补偿措施，保 证在相当宽的温度范围内，电路的工作状态稳定可靠，则线性光耦器构成的模拟 信号隔离电路可成为较理想的隔离方式。我们设计的高速宽带线性模拟信号隔离 器就采用的是线性光耦做直接隔离，这些将在下面章节中介绍。 2 1 信号隔离理论 根据被隔离信号的不同，可分为数字信号隔离和模拟信号隔离两类。 2 1 1 数字信号隔离 作为开关量，数字信号的隔离相对容易实现，常用的隔离方式有光电隔离、 脉冲变压器隔离、继电器隔离三种方式。 1 、光电隔离 6 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 光电隔离是由光电耦合器件来完成的，其输入端配置发光二极管作为发光源， 输出端配置光敏三极管作为受光源，工作时以光作为媒介来传递信息，因而输入 和输出在电气上完全隔离的，原理如图2 2 所示。 图2 2 光电隔离 光电耦合器件具有以下特点- ：体积小，重量轻，使用方便，性能稳定； i 不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强； ：无触点，寿命长，响应速度快； ：隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上； 由光电耦合器件具有上述一系列特点，目前已广泛应用于计算机测量控制系 统中，成为接口技术中十分重要的隔离器件。 2 、脉冲变压器隔离 脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次绕组分别缠绕在铁氧体磁心的两侧， 分布电容仅j l p f ，所以可作为脉冲信号的隔离器件，如图2 3 所示。 图2 3 脉冲变压器隔离 为了提高响应速度，避免铁心磁饱和，稳压管d w l ，和二极管d 在脉冲停止输 出阶段迅速安全地泄放变压器一次侧绕组内储存的磁能。同时，为了防止过高的 对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管d w 2 限幅后进入 测控系统内部。 3 、继电器隔离 继电器的线圈和触点之问没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈 接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接 联系，实现了抗干扰隔离，如图2 4 所示。当输入高电平时，晶体三极管t 饱和导通， 第二章模拟信号隔离器的设计方案 7 继电器j 吸合；当a 点为低电平时，t 截止，继电器j 则释放，完成了信号的传递过 程。d 是保护二极管。当t 由导通变为截止时，继电器线圈两端产生很高的反电势， 以继续维持电流，。由于该反电势一般很高，容易造成t 的击穿加入二极管d 后为 反电势提供了放电回路，从而保护了三极管t 。 在以上三种数字信号隔离技术中，继电器采用机械触点，采样速度慢，容易 发生故障；脉冲变压器的体积大，设备笨重，维护困难；光耦则因为具有体积小， 重量轻，响应速度快，使用方便，性能稳定的优点，而被广泛应用。如果用光纤 链路来实现光电隔离的话，可以获得几乎无限制的隔离电压等级。 2 1 2 模拟信号隔离 缸i 了粉 o b 卜b 图2 4 续电器隔离 模拟信号的隔离要比数字信号的隔离复杂的多。模拟信号所考虑的电路参数 完全不同于数字信号。数字信号一般只要考虑传输速率的问题，而模拟信号则必 须考虑精度或线性度、频率响应以及噪声干扰等问题。要实现模拟信号的直接隔 离通常可以用线性光耦或者是变压器耦合来实现。 1 、线性光耦 线性光耦【1 4 】是输入信号与输出信号成线性比例的光耦合器，通常由一个发光 二极管和两个光敏三极管组成，光敏三极管接成二极管的形式，如图2 5 所示。 图2 5 线性光耦构成的模拟信号隔离器 当发光二极管通过驱动电流时，发出红外光( 伺服光通量) 。该光分别照射在 8 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 两个光敏三极管上，其中一个光敏三极管用来构成反馈回路。该反馈光敏三极管 吸收l e d 光通量的一部分而产生反馈控制信号，根据负反馈理论，反馈控制信 号，能有效的调节驱动电流因外部环境变化而引起的非线性，另一个光敏三极管 则用来接收l e d 所发出的光线，从而产生与输入电流成比例的输出电流，完成了 输入和输出端的线性光电隔离。本论文的设计就是基于线性光耦，具体电路分析 在后面将详细介绍。 2 、电压器耦合 在隔离器中，变压器的输入侧，将输入电压与一个具有较高固定频率的信号 混合( 称为调制) ；经变压器耦合，在输出侧，再将调制信号还原成原信号( 称为 解调) ，然后输出；从而达到传递直流信号和低频信号的目的。可见，变压器耦合 式隔离器通过调制和解调的方法传递信号。调制和解调技术广泛用于无线电广播、 电视发送和接收以及其他通信系统中。 m 猢州 m 艇t m m l 日 图2 6 a d 2 1 0 变压器耦合隔离器结构图 图2 6 所示为型号是a d 2 1 0 的变压器耦合隔离放大器，图中a 1 为输入放大 电路，可以同相输入，也可以反相输入，分别构成同相比例运算电路或反相比例 运算电路，从而设定整个电路的增益，增益数值为1 1 0 0 。a 1 的输出信号经调 制电路与振荡器的输出电压波形混合，而后通过变压器耦合到输出侧，再经解调 电路还原，最后通过a 2 构成的电压跟随器输出，以增强带负载能力。振荡器的 输出通过变压器耦合到输入侧，经电源电路变换为直流电，为a 1 和调制电路供 电；振荡器的输出通过变压器耦合到输出侧，经电源电路变换为直流电，为a 2 和解调电路供电；而振荡器则由外部供电。 2 2 模拟信号隔离器设计方案 上一节中，我们对数字隔离和模拟隔离理论做了下简单介绍，为了找到一种 满足课题要求的模拟隔离器，我们将从总体设计、方案选择和模块指标设定三个 魏 第二章模拟信号隔离器的设计方案 9 方面详细论证。 2 2 1 总体概述 隔离放大器要求在输入、输出和电源三端做到彼此间没有直接的电气联系， 也就是三端隔离，对于隔离电压高达几千伏的场合，这样既可以保护操作者的人 身安全，又可以避免高压对测控系统的损坏；而对于精密测量系统，这样既可以 避免远距离信号传输过程中强干扰对输出的影响，又可以避免人体对测量精度所 产生的误差。 过去几年，在较高的精度和频率响应要求下，实现模拟信号的直接隔离比较 困难，通常采用的是在输入端将模拟信号转换为数字信号，经数字隔离后，传送 至输出端，再以适当的方式恢复为模拟信号输出，这样虽然提高了性能，但是却 增加了电路的复杂度，而且作为数字电路设计主流的c m o s 工艺，在频带宽度及精 度方面远不如双极工艺。 随着线性光耦合器精度、工作带宽的不断提高，互补双极工艺水平的不断提 升和电流模技术的逐渐成熟，采用线性光耦合器直接构成的隔离器以其电路结构 简单、精度高、隔离效果好等优点逐渐受到重视，并且本论文的主要目的是找到 一种适合低压工作场合的高速宽带线性模拟信号隔离器的解决方案，没有必要采 用数字隔离中光纤链路，在下一节中将对这些方面做简要对比。 2 2 2 方案选择 因为是模拟信号隔离器【2 l 】，所以在方案选择上侧重工作带宽、转化速率，通 常用在测试仪器之间做抗干扰用途的隔离器工作带宽在1 m h z 以上，转换速率在 1 0 0 v “s 以上就基本可以满足需要；隔离效果和精度主要取决于所采用的耦合方 式，本设计的精度达到0 1 即可，而在低压下工作的隔离器耐压值要求不高，交 直流耐压达到5 0 0 v 以上就可保证器件的安全，具体方案选取如下所述。 首先选择的是光电隔离，因为变压器耦合隔离宽带较窄，约为1 k h z 以下， 且工艺复杂、成本高、体积大、应用不便。电容耦合频带宽，但电路复杂，尽管 已有专用模拟隔离放大器集成电路产品，但成本很高且线性度不好。与前两种隔 离方式相比，光电隔离电路简单、体积小、频带宽度适中、速度快、精度高、成 本低，在隔离电压不是很高的前提下是最为理想的隔离方式。 其次采用的是直接耦合，既a 一光电隔离一a ，而非a ，d 一光电隔离一d a 或者 v 卜光电隔离一f 1 1 8 j 。从经济性和可靠性出发，a d 一光电隔离一d a 通常 采用串行a d c 来简化电路。如果采用并行a d c 的话，就必须用一排的光纤链路来 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 实现数字量的隔离，转换的精度越高，所需要的光纤路数越多，这样大大增加了 电路的成本。更为严重的是，并行光耦合器之间的传播时间失配将导致数据偏移， 从而引起在接收端的数据误差。为了解决这种问题，还必须在并行接收端加装数 据缓存，这样又大大增加了电路的复杂程度。即使采用了串行a d c ，隔离一路模 拟信号也至少需要三根光纤。根用来传送串行数据位流，另两根分别用来传送 时钟信号和控制信号。而且在强电、强磁的恶劣环境下，控制单片机、a d c 的内 部转换电路以及基准电压源都非常容易受到干扰，很难保证转换的精度。串行a d c 的数据转换率相对较慢，高速串行a d c 的价格则比较昂贵。v f 一光电隔离一f 即电压到频率的转换，用电压，频率转换器( v f c ) 来实现。v f c 的功能是在规定的精 度和频率要求范围内，将输入的模拟电压信号转换成等幅的数字脉冲串输出，其 重复频率随时正比于输入电压的瞬时值。实际上，过采样模数转换器e a a d c 也 正是基于v f 转换技术的。f v 转换即频率到电压的转换，用频率电压转换器( f v c ) 来实现。f v c 的功能则是将输入的某一频率的数字脉冲串反转换为模拟电压输出， 电压值与输入脉冲的频率成正比。一般没有专用的f v c 芯片，采用c 在特定的外 接电路下构成f 转换电路。、佃和f n 转换电路实际上实现了a d 和d a 的转换功 能。这两种方法的共同点都是传输信号速度低，频带窄且电路结构复杂，无形增 加了成本，随着线性光耦合器精度的提高和工作频宽的扩大完全可以不经过a d 跟 d a 。 第三输入级的设计采用的是电流模运放结构，而非传统的电压模运放结构。众 所周知，增益带宽积是评定电路性能的一个重要指标，电压模运放的恒定增益带 宽积使其频带宽度的扩展受到很大制约，而电流模运放没有基础增益带宽积的限 制，可以先固定增益然后调节带宽，并且其固有的线性度要远远优于电压模运放。 在转换速率( 既压摆率) 上电压模运放转换速率受输入差分级偏置电流限制，而 电流模运放的压摆率并非受到内部偏置电流的限制，而是受到晶体管自身速度的 限制。具体的理论推导将在下一章中论述，通过这些比较说明，电流模运放更适 合高速宽带线性的设计要求。 最后工艺上采用的是互补双极工艺( c b 工艺) ，因为双极工艺相对c m o s 工艺 在负载驱动能力跟频率特性上都占有优势，理论表明，电路的频带宽度取决于器 件的特征频率，而互补双极工艺可以制作出特征频率达到9 g h 2 和8 g h z 的n p n 跟 p n p ，这使得原来即使采用复杂电路结构都很难达到性能指标的设计变得非常容易 实现。对缓冲器的设计中采用的是射极跟随器而不是源极跟随器，主要是因为， 源跟随器的输出阻抗不怎么低，所以源跟随器的工作距理想的电流反馈有一定的 偏离( 理想的电流反馈型放大器反转输入端的输入阻抗可以认为是零) 。另外源跟 随器本身的输出电流也被h 玎的，。限制，而且由于n 沟f e t c 和p 沟f e t 的圪。存在分 散性，导致发生比较大的输出偏移电压。所以晶体管在做缓冲器时具有自身的优 第二章模拟信号隔离器的设计方案 势：跨导大相应跟随器的输出电阻很小，。没h 玎的，那样大的分散性，并且 采用的是互补双极工艺，能达到很好的匹配性。补偿方面，双极因为存在的寄生 电容相对m o s d ，所以米勒补偿相对简单。 通过上面四个方面的对比，得到论文的设计方案：采用互补双极工艺，利用 电流模反馈运算放大器结构，通过线性光耦合器实现隔离，负反馈抑制非线性失 真、双差分电流模反馈运算放大器结构提高共模抑制比为基本策略，主体是关于 高速宽带高精度运算放大器的设计。整体电路结构与图2 。5 所示相近。 2 2 3 模块指标设定 电路大致分为三个模块，电流模运放模块、线性光耦合器模块和电压跟随器 模块。 电流模运放主要指标如下： 电源电压：双电源- - ( 5 1 0 v ) ； 输入电阻： 1 m q ； 输出电阻： 4 5 。； - - 3 d b 带宽： 1 0 m h z ： 单位增益带宽积： 1 0 m h z ： 压摆率： 2 0 0 v ，船； 线性光耦合器采用的是美国a g i l e n t 公司的h c n r 2 0 1 高精度线性光耦，主要 指标如下： 。非线性度：0 0 1 ； 叶专递增益玛：( 1 0 0 5 ) ； + 传输电流：4 2 0 m a ； 耐压：交流8 0 0 v ；直流1 0 0 0 v ： 增益温度系数：- - 6 5 p p m * c ； 带宽： i m h z ： 应用范围：低成本模拟信号隔离； 第三章高速宽带线性运放的设计 第三章高速宽带线性运放的设计 高性能模拟信号隔离器设计，采用线性光耦隔离只是一种手段，真正决定隔 离器性能指标的则是运算放大器，这样，论文的工作重点就在于如何设计满足性 能指标的高速宽带线性运算放大器。而运算放大器性能的提高取决于电路技术和 工艺技术的不断进步。 3 1 高性能运放 运算放大器是模拟l c 中最重要、最基本的知识。对放大器而言，最主要的是 反映当前新技术、新工艺的应用，高性能运放重要性能指标可以概括为“三高四 低”，三高：高共模抑制比、高增益、高输入阻抗：四低：低失调、低温漂、低噪 声、低输出阻抗。当然这些性能不可能同时被满足，因为参数中的大多数都会相 互牵制，所以模拟集成电路的设计就变成了一个多维优化的问题。如图3 1 所示 的模拟电路设计的八边形法则说明在电路设计时只能采取折中方案。 输入输 出阻抗 增 益 电 源 电 压 图3 1 模拟电路设计的八边形法则 本文所设计的运算放大器性能指标重点在于高频带、高转换速率、高输入电 阻、高共模抑制比、低失调、低输出电阻，在不影响运放工作的前提下，对温漂 和噪声的要求可适当放宽。 扩展集成运放的带宽，最主要的是提高器件的异，特征频率矗是晶体三极管 的固有参数，厅越高，表明晶体三极管的高频性能越好，用它构成的放大器，其 上限频率也就越高。互补双极工艺( c b 工艺) 的出现和不断改进已使n p n 和p n p 管的矗达到g h z 量级，使实现口h 0 高达数百m h z 的集成运放成为可能。采用反 馈技术【5 】也是展宽b w 么的重要措施，机理在于负反馈具有自动调节作用，在反馈 1 4 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 网络由纯电阻组成的负反馈放大电路中，当低频区或高频区增益相对中频区有下 降趋势时，其输出信号或，0 随着减小，反馈信号或，也随着减小。在维持 输入信号k 或不变的条件下，低频区或高频区的净输入信号圪或l 相对于中频 区有所增大，输出信号也相应增大。因此，阻止了低频区或高频区增益下降的趋 势，使下限频率降低，而上限频率提高，既扩展了放大电路的通频带。 集成运放的转换速率s r ( 又称压摆率) 【”j 是输出电压随时同的最大的变化速 率，即 & 一d v 出o ( t ) ( 3 1 ) 具体表达式因电路不同略有差别，现在结合本文设计做下说明。通常集成运 放采用两级结构，进行密勒补偿后，集成运放可看作单极点系统，这时输出电压 v o ( t ) t v o o e 1 “1 ，式中、，o 为输出电压达到稳态时的幅值，t 为时间常数，对于 同相跟随器，其上限频率即运放的单位增益频率b w 名，因而f 一1 勋b 矸么。在t = 0 时，v o ( t ) 变化速率最大，即 s r 。了d v o ( t ) l 一一a v o ( t ) l 。堡( 3 - 2 ) 口i“li 可以看到，转换速率品与口讳么有关，而口矸名又受晶体管特征频率的限制。 输出电压稳态幅值v o ，在传统电压模反馈运放中可以用偏置电流与运算跨导的比 值表示，这样转换速率的表达式就变成s 。- k ( h b 矸，6 ) ，4 ，要增大& ，除了增 大曰砰名外，还应该增大，d 对4 ，的比值。因此电压模反馈运放的转换速率受偏置 电流的限制，不可能做的很高，并且电压模反馈运放有固定的增益带宽积。这些 问题如果采用下节介绍的电流模运放都可以很好的解决，因为，电流模运放不受 增益带宽积限制，转换速率也与偏置电流大小无关，使得它非常适合做高性能运 放设计。虽然电流模运放也有一些不足，但是可以通过结构上的优化弥补。 对于高输入电阻和低输出电阻的性能要求，相对来说就容易实现得多，本文 主要是利用跨导线性环的原理实现的，这将在以后章节中详细介绍。 随着电路技术和集成工艺的不断发展，集成运放的性能参数也不断提高，6 0 年代，集成运算放大器的为几v z s 、带宽几k h z ，而进入2 0 世纪9 0 年代以 来，高速集成运放的质量指标都有了明显提高，主要是在工艺上采用互补双极工 艺，在电路上采用电流反馈式电路技术，& 高达5 0 0 0 v a s ，带宽高达几百m h z ， 甚至g h z 的运放不断涌现。 3 2 电路结构的选择 运算放大器的反馈形式有电压反馈、电流反馈两种，它们均由输入级、中间 放大级、输出级、偏置电路四部分构成，如图3 2 所示，但是二者又有较大白抠 第三章高速宽带线性运放的设计 别。 图3 2 运算放大器结构框图 电压反馈运算放大器的输入级是把电压转换成电流，采用共发射极形式，两 个输入端是对称的，均为高阻抗输入；其中间放大级是把电流转换成电压，并提 供主要的电压增益；输出级为互补射极跟随器，具有较强的电流输出能力。 电流反馈运算放大器的输入级是不对称的，输入级的i n p 采用共射互补输入结 构，为高阻抗；i n n 采用共基互补输入结构，为低阻抗；中间放大级不提供高的 电压增益，并将传输电流转换成电压，因为它不采用共射放大形式，所以其频率 特性好，而反相输入端i n n 可馈入电流来驱动，因此，电路可获得很高的转换速 率s 。和良好的频率特性；输出级采用甲乙类放大器输出形式，具有较强的电流输 出能力和小的谐波失真。 偏置电路为输入级、中间级放大级、输出级提供稳定的工作电压。电路有很 多参数，这里我们主要关注单位增益带宽、转换速率两个性能参数。转换速率s 。的 表达式为 s d r d t l m a x 一c , ( 3 3 ) 单位增益带宽。的表达式为 u o b 一1 2 石r m c c ( 3 4 ) 式中，厶为输入级的工作电流，r 。为外接反馈电阻，e 为补偿电容。可以看出， 提高运算放大器的转换速率有两种方法：一种是减少补偿电容e ，另一种是增加 输入级的工作电流，】，由于运算放大器具有很高的增益，从控制理论上讲，e 过 小会导致器件的自激振荡，使工作不稳定，单位增益带宽也要减少。这样，要提 高运放的转换速率只有改变输入结构，使其具有较大的工作电流：在中间放大级 增加一个前向补偿电容，使高频信号不受有源放大器延迟的影响。根据以上的分 析，论文将采用电流反馈的电路结构实现高速宽带的设计要求，这也是目前高性 能运算放大器发展的一个重要方向。下面就通过理论推导比较电压反馈与电流反 馈运算放大器的性能。 1 6 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 3 2 1 电压模运放 电压模运算放大器的原理如图3 3 所示。 图3 3 电压模运算放大器原理图 其中墨、吗作为反馈电阻，差动放大器的( + ) 、( 一) 两个输入端是晶体管 的基极或者f e t 的栅极。由于输入阻抗高，流入的电流非常小，所以反馈不是以 电流形式而是以电压形式进行的。因此称为电压反馈型运算放大器。因为运算放 大器的开环增益具有频率特性，所以用彳 ) 具有频率特性的拉普拉斯变换符 号表示。 进行如下计算： 峥啊目- - a + 屹- - v o ( 3 - 5 ) “( 酬k 训刊 ) 卜彘) 得到电压增益为 世 鲁七。j ( 3 - 7 ) k 堕堕1 + 旦 1 + 上4 ( s ) 爿( s ) 该式表明增益g 由1 + 鲁给出，并且对决定放大器频率特性的开环增益爿p ) 带来 影响。 3 2 2 电流模运放 电流模运放【3 11 9 1 的原理如图3 4 所示。 第三章高速宽带线性运放的设计 1 7 y l 图3 4 电流模运放原理图 缓冲输入具有低阻抗，实现电流反馈，检出这个电流并用跨阻抗放大器进行 i _ + v 变换。( - i - ) 、( 一) 两个输入端与过去的差动放大电路的输入端不同，( + ) 端是增益为1 的缓冲输入端，( 一) 端是输出端。反馈输入端( 一) 是缓冲器的输 出，所以( + ) 端的输入电压与( 一) 端的电压相等，而且( 一) 端的输出阻抗非 常低。如果从输出端连接电阻尼到( 一) 端，那么电流将从输出端向( 一) 端流 动。由于( 一) 端是缓冲器的输出，所以通过足反馈的电流不能够从( 一) 端流 到运算放大器中。这里使用了一个设定增益的电阻r ，使反馈电流和来自缓冲器 的输出电流k 流向地。这样一来，由于r 和心的关系，与电流反馈量对应的缓 冲输出电流k 从( 一) 端输出。然后通过跨阻抗放大器将电流变换为电压的i + v 变换器，把这个输出电流，。变换为输出电压。在图3 4 中k 和是缓冲器输入 与输出的关系，所以k 一，而且缓冲器的输出电流，。是电流反馈量，2 与电阻墨 所决定的，之差，在反转输入端应用基尔霍夫定则得 k - 一l - 笔一垦孝一鼍一与手( 3 - 8 ) 利用跨阻抗放大器将这个电流，。变换为电压。但是由于这个放大器仍然具有 频率特性，所以与电压反馈型o p 放大器的开环增益相同，也用彳岱) 表示。跨阻 抗放大器的输出圪为： 一j 。叫 ) ( 3 - 9 ) 所以 l v 。蒜( 3 - 1 0 ) 将式( 3 1 0 ) 代入式( 3 8 ) ，并且将k 与分离，即 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 v 。( 彳西1 + 击) 。k 怯1 + 夏1 ) p m 就z 1 0 电流反馈o f 放大器的电压增益为 必 导j 广。j o ( 3 - 1 2 ) k1 + 生1 + 生 爿( s )爿( s ) 其中g ，盟生。1 + 堡 墨r 从上式可以看出，设定增益g 与电压反馈型相同，都是用1 + 疋r 表示，但 是值得特别注意的是g 没有影响到与频率特性相关的a 岱) 。 我们知道，增益带宽积是衡量运放性能的一个重要指标，而电压模运放增益 带宽积是个常量，也就是说当电压模运放的增益确定以后，它的带宽也就相应确 定。但是，电流模运放的g 与彳岱) 无关，说明即使改变g 值对于频率特性也没 有影响，利用电流反馈电路的这一优势可以更容易达到高速宽带的设计要求。 3 3 电路结构的设计 在上一节中，我们着眼于研究电流反馈运算放大器的工作原理，并没有涉及 到内部电路的设计，典型的电流反馈电路主要由输入缓冲级、跨阻抗放大级、甲 乙类互补推挽输出级、偏置电路，补偿电路、保护电路构成，有时也涉及到基准、 稳压电路等知识。 3 3 1 总电路结构 满足高速宽带设计要求的电流模运放1 4 11 6 l 1 7 11 1 3 1 如图3 5 所示。为了直观省掉 了保护电路，留在下一章中单独论述。 在能够满足性能指标的前提下，电路采用的是两级运算放大器的形式，这样 有利于频率补偿，增强电路的稳定性。 第一级即输入级由构成跨导线性环的q l q 4 四个晶体管组成，接成两级用互 补管构成的级联跟随器( 0 2 、q 4 和q 1 、0 3 ) ，其中q 3 、q 4 又构成推挽电路，甲 乙类工作。级联跟随器的输入端和输出端作为运放的同相输入端和反相输入端， 形成差分输入缓冲器，因为反相输入端的电压跟随同相输入端电压的变化又称其 是单位增益缓冲器。 第三章高速宽带线性运放的设计 1 9 图3 5 高速宽带电流模运放电路图 第二级即输出级由q 1 ，、q 1 、q l ，和q 组成，接成单位增益的甲乙类互补推 挽电路。具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点，能够克服交越失真，提高带负载 能力。 q 5 、q 6 和q 7 、q 8 构成两个恒流源分别接在q l 和q 2 发射极充当其有源负载， 其中q 6 、墨和q 8 组成偏置电路。墨、民、q l ，、q 1 ：、如和吗、墨、岛、q 1 0 、 q 2 ，分别构成两个改良型的带缓冲级的镜像电流源 整个运放电路都是由宽带电路( 射极跟随器、镜像电流源) 组成的，其问仅 有一个高阻节点z ，产生主极点。在这里施加一个小容量的补偿电容c 1 。 3 3 2 输入级 电流模运放的输入级采用了一个1 倍缓冲器，它具有很高的输入电阻和很低 的输出电阻，论文中对缓冲器的设计，采用的是射极跟随器，而不是源极跟随器， 主要是因为，源跟随器的输出阻抗不怎么低，所以源跟随器的工作距理想的电流 反馈有一定的偏离( 理想的电流反馈型放大器反转输入端的输入阻抗可以认为是 零) 。另外，源跟随器本身的输出电流也被f e t 的，。，限制，而且由于n 沟f e t 和p 沟f e t 的昧。存在分散性，导致发生比较大的输出偏移电压。所以晶体管在 做缓冲器时具有自身的优势：跨导大，相应跟随器的输出电阻很小，。没f e t 的。那样大的分散性，并且采用的是互补双极工艺，能达到很好的匹配性。 高速宽带线性模拟信号隔离器的研究 缓冲器是采用跨导线性环原理设计的，属于电流模电路范畴。 晶体三级管工作在放大模式，且忽视基区宽度调制效应1 1