基于恒流二极管（CRD）的运算放大器低功耗研究

邹序武，丁召，杨发顺，刘娇

（贵州大学大数据与电子信息学院，贵州贵阳550025）

传统集成运算放大器设计一般依赖于元件参数值之间的匹配或它们的的比值，而不依赖于元件参数值本身；并且尽可能在电路中用晶体管取代电阻，电容等无源元件；如果某种复合结构的电路比简单结构效果更好的话，就采用复合结构[1]。但与此同时，在电路的选择及构成形式上又受到集成电路工艺条件的严格制约。而如今JEFT与双极型器件相结合，已成为新型专用集成运算放大器的主要发展方向之一[2]，本论文研究正是在此背景下，对741型通用集成运放，以短接JEFT栅源级成恒流二级管（CRD），对741集成运放中做为恒流功能和有源负载电流源的双极型器件（BJT）进行替代[3]，并对电路结构进行优化，以减少芯片中元器件个数，从而达到减小芯片面积，降低静态工作电流，以实现更进一步的低功耗。

1 理论分析

1）恒流二极管（CRD）电路符号及特性如图1所示。

图1 CRD电路符号及伏安特性Fig.1 The circuit symbols and volt-ampere characteristic of CRD

恒流二极管[4]（CRD）是以JEFT栅源（GS）级短接在一起的恒流器件（CRD），其工作原理:当器件两端电压大于开启电压Vs时，随着电压继续增大，电流增加缓慢，可以认为电流值恒定在IH。

2）恒流二极管（CRD）对741运算放大器设计思路

本文基于741型通用集成运放的基本原理，并通过对其他已有运算放大器设计结构做广泛学习与研究，提出一种基于恒流二极管的运算放大器设计[5]思想。研究内容主要从以下三方面进行：

①CRD代替双极型基本恒流源；②CRD做有源负；③改进原有的运算放大器结构。

2 改进电路结构及仿真与分析

1）基于恒流二极管（CRD）偏置电路图如图2～图4所示。

图2 常见双极型偏置电路Fig.2 Bipolar bias circuit

图3 改进型偏置电路1Fig.3 Modified bias circuit 1

图4 改进型偏置电路2Fig.4 Modified bias circuit 2

2）改变电源电压，分别对以上偏置电流进行电流测量，所得电流示数如表1所示。

表1 改进电路电流对比Tab.1 An improved circuit current

3 改进电路

基于恒流二极管双极型集成运算放大器差分电路输入级结改进电路如图5、图6所示。

图5 基于恒流二极管输入级Fig.5 Based on the CRD input stage

1）当输入电压信号源恒定80 mV，50 Hz，改变电源电压值，从1 V到33 V，每4 V取一个电流值，用Multisim 10进行仿真，测得电流值如表2所示。

图6 传统输入级Fig.6 Traditional input stage

表2 输入信号源恒定，改变电源电压Tab.2 Input signal source constant，change the power supply voltage

总结以上图表，恒流二极管的差分输入级电路[7]，当电源电压改变时，电流恒定在0.239 mA到0.244 mA之间，相对于传统运算放大器输入级，电流变化只有0.005 mA.更适合在低电源条件下做恒流源。

2）当正电源电压值恒定在15 V，负电源电压值恒定在-15 V，输入信号源电压从100 mV至1 V，每100 mV取测试电流，用Multisim 10进行仿真，测得电流值如表3所示。

总结以上图表，相对传统运算放大器输入电流1.894 mA，基于恒流二极管（CRD）的输入级电流只有0.361 mA，更能实现低功耗的要求。

4 结论

文中设计以恒流二极管（CRD）替代741双极型集成运算放大器输入级中的有源负载双极型器件，及以CRD替代双极型恒流源，并通过Multisim 10和Cadence软件进行设计与仿真。结果表明，使用CRD做为恒流器件，可以实现运算放大器更低静态电流。当以CRD改进双级型偏置电路，当电源电压恒定在13 V时，双极型集成运算放大器偏置电流达到0.739 mA，是基于CRD偏置电路电流0.222 mA的3倍以上。当电源电压改变时，双极型运算放大器输入级电流在0.290 mA到0.433 mA变化，而基于CRD的差分输入级电流约降低一半，电流恒定在0.239 mA到0.244 mA之间，并且电流变化只有0.005 mA。

表3 输入电源电压恒定，改变信号源Tab.3 Input voltage constant，change the signal source

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