基于功率MOS线性高压放大器设计

时间：2022-04-17 11:42:19 来源：网友投稿

摘要:为了实现对输出高压的线性控制,基于功率MOSFET的电学特性,运用NMOS功率管设计一种新结构的高压运算放大器,通过模拟仿真和实验测量结果表明,当输入电压为0～5 V时,电路可实现0～50 V的线性输出,并且通过加入PMOS功率管进一步改进电路,可得到正负高压的输出,模拟仿真为-140～+140 V,这表明所设计的电路线性度高,可以满足高压运放的要求,且制作成本低,对现代通信中的大功率驱动具有重要意义。

关键词:功率MOSFET;线性高压;运算放大器;功率驱动

中图分类号:TN722.7文献标识码:B

文章编号: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

高电压放大器已经广泛应用于通信、信号检测、功率驱动等方面\,并且已成为下一代无线通信系统的关键技术之一。采用各种手段和方法实现放大器高效率且高线性度的工作,对于未来无线移动通信技术的发展和实现有着十分重大的实际意义。

功率场效应晶体管具有跨导高,漏极电流大,工作频率高和速度快等特点,线性放大的动态范围大,在有较大的输出功率时也能有较高的线性增益。这里成功应用功率场效应晶体管设计出一种高压运算放大器。该放大器的制作成本低廉,输出线性可控,适用范围广。

1 功率MOS器件结构与分析

功率MOS场效应晶体管是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的新一代电力开关器件,具有输入阻抗高,驱动电路简单,安全工作区宽等优点\。图1给出功率MOS晶体管的结构剖面图及其电学特性曲线。采用双扩散结构\制作适合用作功率器件的短沟道高压晶体管,需要短的重掺杂背栅和宽的轻掺杂漂移区。由于外延层厚度决定了漂移区的宽度,因此也决定了晶体管的工作电压,其漏源电压公式为\:

VDS=(RJEFT+RACC+RFP)IMOS+Vf(1)

式中:RJFET为结型场效应管电阻;RACC为N-层表面电子积累层电阻;RFP为外延层电阻;IMOS为反型沟道电流;Vf为沟道压降。

图1 功率MOS结构图及电学特性

2 电路设计

高压运算放大器电路主要由运算放大器和功率场效应晶体管组成\,其结构原理图如图2所示。

图2 高压运算放大器电路图

所设计的电路中使用价格低廉的运放LM358和NMOS功率管IRF630构成负反馈回路\,双极晶体管C8050和电阻R4实现过载保护\,防止流过IRF630的电流过大,整个电路为反比例放大电路,R2为反馈电阻,其输入和输出的关系式为:

Vout=-(VinR2)/R1(2)

3 实验结果及分析

根据图2制作试验电路板如图3所示。供应电压为60 V,R11.963 kΩ,R220 kΩ,放大倍数约为10.19。当输入电压为0～5 V时,先用EDA软件对电路进行模拟仿真,然后对电路板进行测量,并进行比较,结果如表1所示。

图3 实验电路板

表1 输出电压的模拟结果与测量结果V

输入电压值仿真输出测量输出输入电压值仿真输出测量输出

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可画出输入/输出关系变化图形,如图4所示。从表1和图4中可以看出,模拟结果和测量结果存在误差,误差ε=-1.095,这是因为测量精度和器件自身精度的误差所引起的。当输入电压从0 V扫描到5 V时,得到等比例的放大输出电压,且呈线性变化,能够实现输入电压对输出电压的线性控制,具有很好的驱动能力。

图4 电路输入/输出变化图

根据以上分析,用PMOS功率管进一步改进电路,和用NMOS管构成一种推挽结构\的输出电路,可以满足输入正负电压的要求,如图5所示。若选用耐压350 V的NMOS功率管IRF713和耐压300 V的PMOS功率管IRF9631,以及晶体管Q1,Q2和电阻R4,R5构成过载保护电路,则选取R2=280 kΩ,R1=10 kΩ,对电路进行仿真,输入电压范围是-5～+5 V。当输入电压为负压时,PMOS管导通,NMOS管截止,输出为正电压;当输入电压为正压时,NMOS管导通,PMOS管截止,输出为负电压。输入/输出的线性关系如图6所示,电压输出为+140～-140 V,可实现高压的双极性线性等比例放大输出。

图5 改进的线性高压运算放大器

图6 输入/输出线性关系图

4 结语

利用功率场效应晶体管的电学特性,并运用反馈运放的基本原理成功设计了高压运算放大器。实验结果和模拟结果验证了所设计的电路输出电压线性度高,能够对高压进行有效的线性控制。选择耐压高的功率管,可以实现更高电压的线性输出,达到高压驱动的要求,电路结构简单,制作成本低,可以满足不同领域的要求,且具有很高的实用价值。

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作者简介张浩男,1984年出生,云南玉溪人,硕士研究生。主要研究方向为大功率器件及集成电路设计和应用。