一种基于互补双极工艺的大动态范围对数放大器

周远杰，胡云兰，范国亮

（中国电子科技集团公司 第二十四研究所，重庆 400060）

引言

对数放大器是一种输入输出信号成对数关系的瞬间压缩动态范围的放大器[1]，在中频、射频系统里应用广泛，常用作信号压缩、功率检测、AGC控制等功能。可以用公式来表示：

式中：

VOUT—输出电压；

VIN—输入信号振幅；

VY—对数斜率；

VX—截距电压。

对数放大器的主要架构有三种，基本对数放大器、基带对数放大器和解调对数放大器[2]。本文介绍的大动态范围对数放大器属于解调对数放大器，主要单元由多级限幅放大器和整流器组成，每级限幅放大器的输出跟随一个整流器，将整流器输出电流求和，并通过电阻采样得到输出电压，输出电压与输入信号幅度呈近似的对数关系[3]。

解调对数检波器的对数特性来源于三极管的对数I-V特性，同时为了保证大动态范围、高精度，高带宽等特点，采用互补双极（complementary bipolar）工艺制作[4]。互补双极工艺的优势在于可以提供更高的限幅放大器的单级跨导，使用电阻负载时可以保证限幅放大器足够的增益，提供整体的动态范围。同时，高性能的PNP管可以使输出响应时间更快。

本文基于中电24所自主开发的12 V互补双极工艺设计了一款大动态范围对数放大器。所使用工艺耐压在12 V，NPN管截止频率在9 GHz以上，电流增益β在150以上，PNP管截止频率在8 GHz以上，电流增益β在50以上。同时工艺兼容多晶电阻、CNIT电容，可以满足对数放大器的研发需求。

1 对数放大器的电路设计

1.1 整体电路结构

器件的总体结构图如图1所示。

图1 电原理框图

电路内部包含6个限幅放大器，每级具有14.3 dB的增益和2.5 GHz的小信号带宽，总增益量达到86 dB，-3 dB带宽接近500 MHz。在每级限幅放大器后接入整流器，得到与输入功率呈线性关系的差分输出电流。将各级整流后电流相加，并通过输出级I/V转换，得到与输入功率呈线性关系的输出电压。

1.2 限幅放大器设计

限幅放大器的结构如图2，其本质上是一个电阻作为负载的差分对，差模输出电压与差模输入电压关系为：

图2 限幅放大器

当输入信号幅度较小时，可以近似为一个线性放大器，当输入信号达到阈值后输出幅度不在随输入增大而增大，而是限定在一个幅度。

1.3 整流器设计

整流器的作用是检测待测信号的功率信息，并输出与之对应的输出差分电流。器件的整流器为共发射极差分对结构[5]，两个差模端和共模端同时接入差分对中，整流器线路结构图如图3。

图3 整流器

由图中的连接关系可以得到以下方程组：

由此可以推导出：

在设计时，选择Q3的发射极面积为Q1和Q2发射极面积的2倍，即：

可以解出3个输出电流的表达式：

从（10）中可以看出，每级整流器的输出电流与输入信号幅度呈近似指数关系。

1.4 输出级设计

器件输出级的功能是将整流器的输出差分电流转换为电压，其线路结构如图4。

IOUTP和IOUTM分别为整流器正端和负端输出的输出电流之和，采用了如图4的电路结构，实现了将差分输出电流转为单端电压。

图4中两个电阻端电压分别为V1和V2，可以推导出输出电压和输出电流的关系：

图4 输出级

由于电流镜的作用，I2=I1，且设计值R1=R2将两个方程相减可得：

另一方面，从电路结构中可以找到V1和V2的相关性：

对于电流镜I2=I1，同时可以得到VBE4=VBE5，上式可以化为：V2=V1。

由此， （13）式化为：

因此，输出级将整流器差分输出电流转化为输出电压。

1.5 失调调零结构设计

器件内部包含6级限幅放大器，总低频增益高达86 dB。如果在前级中出现工艺加工或外围应用失配导致共模电平失配，会使失配放大到输出端，导致检波不准或功能异常。为了降低加工或使用中失配造成的影响，器件在内部引入了失调调零结构，如图5。

图5 失调调零

当输出电压VO1＞VO2，IC9＞IC11，IC9-IC11为电容C1充电，VFB提高，使Q5集电极电流IFB增大，多级限幅放大器的输入端电压VI1减小，经过多级限幅放大器放大后，使VO1减小，VO2增大，直到VO1=VO2，VFB保持恒定，直流电压稳定。同理当输出电压VO1＜VO2，IC9＜IC11，IC11-IC9为电容C1放电，VFB降低，使Q5集电极电流IFB减小，多级限幅放大器的输入端电压VI1增大，经过多级限幅放大器放大后，使VO1增大，VO2减小，直到VO1=VO2。

因此，引入失调补偿结构后，可以使直流输出电压VO1=VO2，保持限幅放大器的直流工作点稳定。

2 对数放大器整体功能实现

器件采用多级限幅放大器串联，在每一级限幅放大器输出端加入整流器，将各级整流器输出电流相加后通过跨阻输出级转化为输出电压[6]。器件top结构如图6。

图6 器件top结构

1）输入信号功率很小时，各级限幅放大器处于线性放大区，且输出信号小，未达到限幅状态，输出电压随输入功率无明显变化。

2）随着输入功率增大，限幅放大器6输出端信号明显增大。整流器6的输出电流随输入功率变化明显，限幅放大器6和整流器6的组合开始呈现近似的对数特性。随着输入功率继续增大，使限幅放大器6接近限幅，限幅放大器1-5和整流器1-5分段进入对数工作区，直到限幅放大器1限幅，对数特性消失。

3 仿真结果

本文提出的大动态范围对数放大器基于自主12 V互补双极工艺，利用Spectre仿真器对电路进行了仿真验证。

图7给出了器件对数响应、对数误差、动态范围和响应时间的仿真曲线。

图7对数响应仿真图，仿真了30 MHz、100 MHz、300 MHz等三个频率下器件的对数响应图，从图中可以看出，在各个频率下，器件的±1 dB对数精度大于88 dB。

图7 各频率下对数响应仿真图

4 版图及测试结果

4.1 版图

图8是器件的芯片图，将电源和地线环绕版图四周，确保每个引脚的ESD管泄放路径最短，便于各个单元的布线，也有利于提高对数放大器电路的抗静电能力。地尽可能的与衬底连接，确保衬底电位均匀且始终保持在最低电位。

图8 芯片图

4.2 测试结果

本文提出的对数放大器进行了流片，封装采用8引线陶瓷扁平管壳，在5 V电源条件下最终参数测试结果见表1。

表1 测试结果(VS=5 V，25 ℃)

器件实测值同预期的结果基本一致，满足对数放大器设计要求。

本文电路与国外同类产品AD8309和AD8310参数指标对比情况如表2。

从表2中可以看出，本文介绍的器件在动态范围与国外同类产品相当，工作频率优于国外同类产品，响应时间比国外同类产品差。

表2 参数对比(25 ℃)

5 结束语

本文设计了一款基于互补双极工艺的单片大动态范围对数放大器电路，重点分析了各级线路结构设计、对数放大器的实现等。采用自主互补双极工艺，利用Spectre仿真器对电路进行了仿真验证，并进行了流片。测试结果表明，该器件在5 V工作电压条件下，工作频率DC-500 MHz；对数斜率23～27 mV/dB；对数截距-87～-77 dBm；输入失调电压≤500 μV；电源电流≤14 mA；在对数精度±1 dB要求下，动态范围可达到80 dB以上；在对数精度±3 dB要求下，动态范围可达到88 dB以上；响应时间≤600 ns。

本文提出的大动态范围对数放大器的输出级采用差分电流检测，输出单端电压，可复用于高速运算放大器、同类对数放大器的输出结构。器件的失调补偿结构可用于多级限幅放大器的失调补偿，可复用于同类中频放大器、对数放大器中。因此本文研制的对数放大器对自主互补双极工艺的发展和应用具有促进作用。