基于功率MOS线性高压放大器设计

基于功率MOS线性高压放大器设计
高压mos管作者：张浩王立新陆江刘肃
来源：《现代电子技术》2010年第02期

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