熊凌霄，王 靖，胡程源，李 威

（電子科技大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

1 引言

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性不斷增加，對(duì)模擬集成電路系統(tǒng)中不可或缺的運(yùn)算放大器的性能要求也在不斷提高[1]。而在運(yùn)算放大器的應(yīng)用場(chǎng)景中，難免出現(xiàn)輸入端電壓過(guò)大導(dǎo)致運(yùn)算放大器遭到損傷的情況。一旦運(yùn)算放大器的輸入電壓超過(guò)電源電壓或者規(guī)定的輸入共模電壓范圍，其輸入端非常容易產(chǎn)生大電流，從而破壞電路[2]。因此，運(yùn)算放大器中的輸入過(guò)壓保護(hù)電路的作用是當(dāng)輸入電壓過(guò)大時(shí)對(duì)產(chǎn)生的過(guò)壓電流進(jìn)行限制。傳統(tǒng)且最常見的過(guò)壓保護(hù)方法是添加輸入端口到正負(fù)電源的鉗位二極管以及一個(gè)限流電阻，以防止輸入電流的急劇上升[3]。然而此方法同時(shí)也會(huì)引入額外的噪聲，且降低運(yùn)放整體的共模抑制比[4]。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種主要由JFET 以及鉗位二極管組成的運(yùn)算放大器輸入過(guò)壓保護(hù)電路。

2 傳統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)缺陷

傳統(tǒng)運(yùn)放的輸入過(guò)壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)由限流電阻RIN以及兩個(gè)鉗位二極管組成。電路在進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)時(shí)，電阻電流與輸入電壓幾乎呈線性關(guān)系，并不能很好地限制過(guò)壓電流的大小。雖然設(shè)計(jì)者可以通過(guò)加大電阻阻值來(lái)得到更好的限流效果，但這無(wú)疑會(huì)引入更大的電阻熱噪聲，從而影響運(yùn)放的精度[5]。

圖1 傳統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)電路

此外，由于正常輸入時(shí)，鉗位二極管都會(huì)存在一定漏電流，一旦連接到正負(fù)電源的鉗位二極管漏電流不相等，其差值流過(guò)限流電阻產(chǎn)生的壓降將表現(xiàn)為失調(diào)電壓，進(jìn)一步降低運(yùn)算放大器的性能。

3 新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及原理

相對(duì)于傳統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)電路存在的缺陷，新設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、限流能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠限制過(guò)壓電流的大小，使其飽和，且在正負(fù)過(guò)壓情況下飽和過(guò)壓電流的大小一致。

3.1 電路結(jié)構(gòu)

新設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器輸入過(guò)壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中只給出同相輸入端的過(guò)壓保護(hù)電路。定義VIN為運(yùn)算放大器AMP 的輸入過(guò)壓保護(hù)電路的輸入端口IN 的電壓，VOUT為被保護(hù)運(yùn)算放大器AMP 的輸入端口IO 的電壓。保護(hù)電路能在VIN超過(guò)電源電壓范圍時(shí)限制住端口IO 流入或者流出的電流的大小。

圖2 新設(shè)計(jì)電路同相輸入端保護(hù)電路

整個(gè)電路包括三個(gè)P 溝道JFET 以及兩個(gè)鉗位二極管。假設(shè)三個(gè)P 溝道JFET 的溝道夾斷電壓都等于VT，且鉗位二極管的導(dǎo)通電壓都等于VON。

在輸入端口電壓處于AMP 正常輸入范圍內(nèi)時(shí)，VIN直接通過(guò)J1的漏源極傳輸?shù)紸MP 的輸入端口IO。為了減少過(guò)壓保護(hù)電路帶來(lái)的噪聲影響，J1具有極高的寬長(zhǎng)比，使得J1導(dǎo)通電阻非常低[6]，VIN幾乎可以無(wú)損地傳輸?shù)絍OUT。相反，J2和J3的寬長(zhǎng)比相等且極小，因此J2以及J3的導(dǎo)通電阻極大。

3.2 過(guò)壓保護(hù)機(jī)制

當(dāng)輸入端口電壓高于正電源電壓值與D1正向?qū)妷褐抵蜁r(shí)，為正向過(guò)壓情況，過(guò)壓保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)。當(dāng)VIN高于該臨界值后，D1導(dǎo)通，形成從IN 端口到正電源的電流通路。

如圖3 所示為正向過(guò)壓情況下的過(guò)壓電流示意圖。此時(shí)整個(gè)過(guò)壓電流有兩條路徑。圖中I1表示正向過(guò)壓下過(guò)壓電流的正向第一電流組成部分，從IN開始，經(jīng)過(guò)J1的漏源極，再經(jīng)過(guò)D1到正電源。圖中I2表示正向過(guò)壓下過(guò)壓電流的正向第二電流組成部分，從IN 開始，經(jīng)過(guò)的J2源漏極和J3的源漏極，再經(jīng)過(guò)D1到正電源。

圖3 正向過(guò)壓時(shí)過(guò)壓電流的組成

在正向過(guò)壓狀態(tài)下，由于三個(gè)P 溝道JFET 的柵極各自相連，且沒有其他電流通路，故三個(gè)JFET的柵極都不可能產(chǎn)生寄生二極管的導(dǎo)通電流。因此，柵極電壓會(huì)始終跟隨VIN、VOUT兩者中的較大者，即：

此時(shí)，VOUT在鉗位二極管的作用下，電壓固定在：

柵極電壓與VOUT壓差足夠大之后，將造成J1以及J3溝道夾斷，進(jìn)而使得整個(gè)過(guò)壓電流達(dá)到飽和[7]。此時(shí)J1的電流即正向第一電流組成部分的大小為[8]：

而J3夾斷之后也會(huì)限制J2的電流，故正向第二電流組成部分的大小為：

由于J1與J3寬長(zhǎng)比的差距，正向第一電流組成部分的大小遠(yuǎn)大于正向第二電流組成部分的大小。

當(dāng)輸入端口電壓低于負(fù)電源電壓值與D2正向?qū)妷褐抵顣r(shí)，為負(fù)向過(guò)壓情況，過(guò)壓保護(hù)機(jī)制也會(huì)啟動(dòng)。由于保護(hù)電路的對(duì)稱性，負(fù)向過(guò)壓情況下的過(guò)壓保護(hù)機(jī)制與正向一致。

當(dāng)VIN低于負(fù)向過(guò)壓保護(hù)機(jī)制啟動(dòng)臨界值后，D2導(dǎo)通，形成從IN 端口到負(fù)電源的電流通路。如圖4所示為負(fù)向過(guò)壓情況下的過(guò)壓電流示意圖。此時(shí)整個(gè)過(guò)壓電流也有兩條路徑：I3表示負(fù)向過(guò)壓下過(guò)壓電流的負(fù)向第一電流組成部分，從負(fù)電源開始，經(jīng)過(guò)D2，再經(jīng)過(guò)J1的源漏極到IN；I4表示負(fù)向過(guò)壓下過(guò)壓電流的負(fù)向第二電流組成部分，從負(fù)電源開始，經(jīng)過(guò)D2，再經(jīng)過(guò)的J3漏源極和J2的漏源極到IN。

圖4 負(fù)向過(guò)壓時(shí)過(guò)壓電流的組成

在負(fù)向過(guò)壓狀態(tài)下，三個(gè)P 溝道JFET 的柵極也不可能產(chǎn)生電流。柵極電壓依然跟隨VIN、VOUT兩者中的較大者，即：

負(fù)向過(guò)壓時(shí)，VOUT在鉗位二極管的作用下，電壓固定在：

當(dāng)VIN電壓足夠低之后，柵極電壓與VIN壓差過(guò)大，將造成J1以及J2溝道夾斷，進(jìn)而使得整個(gè)過(guò)壓電流達(dá)到飽和。此時(shí)J1的電流亦即負(fù)向第一電流組成部分的大小為：

而J2夾斷之后也會(huì)限制J3的電流，故負(fù)向第二電流組成部分的大小為：

由于J1與J2寬長(zhǎng)比的差距，負(fù)向第一電流組成部分的大小遠(yuǎn)大于負(fù)向第二電流組成部分的大小。

I1和I3都是J1溝道夾斷后的飽和電流，且在正負(fù)過(guò)壓的VIN絕對(duì)值相等的情況下，正向過(guò)壓時(shí)J1的柵源電壓等于負(fù)向過(guò)壓時(shí)J1的柵漏電壓，亦即I1與I3大小相等：

I2、I4分別為J3、J2溝道夾斷后的飽和電流，且在正負(fù)過(guò)壓的輸入端口電壓絕對(duì)值相等的情況下，正向過(guò)壓時(shí)J3的柵漏電壓等于負(fù)向過(guò)壓時(shí)J2的柵源電壓，亦即I2與I4大小相等：

因此在正負(fù)過(guò)壓的輸入端口電壓絕對(duì)值相等的情況下，過(guò)壓電流大小相等，方向相反，即正負(fù)過(guò)壓情況下的過(guò)壓電流具有對(duì)稱性。

4 仿真結(jié)果與分析

基于4μm 雙極工藝，使用Cadence 軟件搭建電路，對(duì)所設(shè)計(jì)運(yùn)算放大器的輸入過(guò)壓保護(hù)電路進(jìn)行仿真。首先將輸入過(guò)壓保護(hù)電路拿出運(yùn)算放大器，進(jìn)行單獨(dú)仿真，讀取其白噪聲結(jié)果并與傳統(tǒng)的不同阻值電阻加鉗位二極管的輸入過(guò)壓保護(hù)電路的噪聲結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。仿真對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 新舊結(jié)構(gòu)噪聲對(duì)比

結(jié)果表明，通過(guò)合理選取J1的寬長(zhǎng)比，新結(jié)構(gòu)能夠得到與傳統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)甚至更低的噪聲。J1寬長(zhǎng)比尺寸也直接關(guān)系其導(dǎo)通電阻以及飽和過(guò)壓電流的值，寬長(zhǎng)比越大導(dǎo)通電阻與噪聲越小，過(guò)壓飽和電流的值也將越大。

在此基礎(chǔ)上對(duì)電路的保護(hù)能力進(jìn)行仿真。取電源電壓為±5V 雙電源，對(duì)輸入電壓在±20V 之間進(jìn)行掃描，讀取IN 端口的過(guò)壓電流，并以不同阻值電阻加鉗位二極管過(guò)壓保護(hù)電路的IN 端口的過(guò)壓電流為對(duì)照。得到仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 過(guò)壓電流隨VIN 變化曲線

結(jié)果顯示，新設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)能夠有效抑制過(guò)壓電流并使之飽和，而傳統(tǒng)的電阻加鉗位二極管過(guò)壓保護(hù)電路的過(guò)壓電流會(huì)一直隨輸入電壓增大而增大，且在高輸入電壓時(shí)過(guò)壓電流將非常大。

以同樣的仿真條件，讀取J1的漏端電流以及J2、J3的源端電流，結(jié)果如圖6、圖7、圖8 所示。

圖6 J1 漏端電流隨VIN 變化曲線

圖7 J2 源端電流隨VIN 變化曲線

圖8 J3 源端電流隨VIN 變化曲線

仿真結(jié)果顯示，由于J1極大寬長(zhǎng)比與J2、J3極小寬長(zhǎng)比之間的差距，無(wú)論正過(guò)壓還是負(fù)過(guò)壓情況下，J1的飽和電流始終遠(yuǎn)高于J2、J3。而J2、與J3的電流始終保持一致，且正負(fù)過(guò)壓情況下三個(gè)JFET 的各自電流具有高度對(duì)稱性，與理論分析完全相符。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用JFET 器件設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大器的輸入過(guò)壓保護(hù)電路相較于傳統(tǒng)過(guò)壓保護(hù)電路而言，過(guò)壓電流更低，且所設(shè)計(jì)電路利用JFET 溝道夾斷的原理有效限制了過(guò)壓保護(hù)電流的增長(zhǎng)并使之飽和，能夠在相等甚至更低的噪聲的條件下極大提升電路的過(guò)壓保護(hù)能力。設(shè)計(jì)時(shí)需要在飽和電流值和噪聲之間折中，這主要取決于J1管的寬長(zhǎng)比大小。通過(guò)仿真結(jié)果可以得到，該電路功能正確，滿足設(shè)計(jì)要求。