一种低功耗运算放大器电路的抗辐照设计

郑直

摘要：本文设计了一款低功耗放大器，整个放大器分为差分输入级、中间增益级、缓冲输出级以及偏置电路四部分。采用SOI工艺制作，提高了放大器的抗辐照能力。经流片测试，静态电源电流为0.8mA，输入失调电压为-0.9mV，输入失调电流为0.9nA。

【关键词】放大器 低功耗 抗辐照 SOI工艺

随着个人通讯的迅速发展，尤其是笔记本电脑、移动通信等便携式设计的广泛使用，低功耗成为电子产品，尤其是便携式电子产品的主要竞争指标。运算放大器作为集成电路中最基本单元，其性能高低往往决定整个系统的表现。

另一方而，当今军事的竞争日趋激烈，集成电路在军事中也得到了越来越多的应用。军事领域中恶劣环境对集成电路提出了严苛的要求。在外太空以及核爆炸等恶劣环境下产生的辐照对集成电路有显著的影响，导致集成电路的性能严重下降甚至功能丧失。如何提高集成电路以及其核心单元运算放大器的抗辐照能力，成为了迫切的需要。

本文设计的低功耗放大器，放大部分分为差分输入级、中问增益级、缓冲输出级三个部分，偏置电路为整个系统提供偏置。通过线路与版图的优化设计，降低了放大器的功耗。采用SOI工艺，有效的提高了抗辐照能力。

1 电路设计

本文设计的低功耗放大器从功能上可以划分为差分输入级、中问增益级、缓冲输出级以及偏置电路四部分。外部微弱信号经差分输入级进行初级放大，放大后的信号经过中问增益级进行电平转换以及进一步增大，最终放大后的信号经过缓冲输出级进行互补推挽输出。

图1为低功耗放大器结构原理图，其中Q2与Q3组成输入级差分对，在提供增益的同时提高共模抑制比，降低输入级失调电压。Ql0、Q11作用為跟随器，提供了良好的输入信号隔离。012为中问放大级，对初级放大信号进行进一步放大，增益可达60dB。其支路上的电流源为增益级提供偏置电流，并可作为Q12的负载，以得到尽量高的负载电阻，从而提高电压增益。Q6、Q13作为推挽互补输出。Q7与R_sc提供过流保护，可以在输出电流过大时导通，保护输出管不被烧毁。C_c为米勒电容，改善放大器的相位裕度。采用上述结构，通过线路及版图优化，可获得较低的功耗。

2 放大器电路的抗辐照设计

2.1 辐照对双极晶体管的影响

双极晶体管性能与非平衡少数载流子相关密切。辐照缩短少数载流子寿命，影响双极器件特性，使得二极管正向压降增大。总剂量辐照在双极晶体管Si/Si0₂界而引起正电荷建立界而杰，使表而势位增加，引起复合增加。平而双极晶体管电离辐照的主要特征是增益下降。有实验证明因Si/SiO₂界而性能退化而使器件失效的总剂量约为体内位移损伤引起的失效总剂量的1/50。

2.2 SOI工艺对抗辐照的提升

SOI工艺采用介质隔离，与体硅技术相比具有寄生电容小、无闭锁、抗辐照等一系列优势。在SOI工艺中，源/漏端的PN结仅对应而向沟道的一个而，源/漏端与下方埋氧层都比较厚，因此SOI器件的寄生电容远小于体硅器件的。

与体硅工艺相比，SOI工艺集成电路的抗辐照性能优势主要体现在抗瞬态与抗单粒子方而。而在抗总剂量方而，由于SOI工艺是全介质隔离，可采用与双极工艺不同的器件来进行设计，避开对总剂量敏感的器件。从而提高电路抗总剂量能力。

3 电路仿真值及实测值

本文设计的低功耗放大器主要参数的仿真值如下：

电源电流为1.2mA，开环增益为99dB，输入失调电压为O.OlmV，输入失调电流为O.lnA，共模抑制比为76dB。满足设计目标，并留有一定裕量。

对比双极工艺制造的低功耗放大器，采用SOI工艺设计的放大器，经过线路优化以及器件的适当选择，在抗总剂量方而有了明显的提升。最终经过流片，低功耗运算放大器电路的测试值为输入失调电压-0.9mV，输入失调电流0.9nA，共模抑制比为84.8dB，静态电源电流为0.8mA，与仿真值接近，满足设计目标值。

4 结论

本文介绍了一种低功耗放大器结构的设计，其输入级采用电压增益结构，可大幅提高输入信号初级增益，中问级采用电压增益结构，对电路进行进一步放大，输出级使用电压跟随结构，可大幅提高电路电流驱动能力。该放大器采用SOI工艺，提高了抗辐照能力，可用于恶劣的军事环境。

参考文献

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