一款改進(jìn)型AB類音頻功率放大器的設(shè)計(jì)

摘要 設(shè)計(jì)了一種全差分高增益AB類音頻功率放大器。該運(yùn)算放大器利用電流抵消技術(shù)以提高增益，并采用一種改進(jìn)型AB類推挽式輸出級結(jié)構(gòu)得到大電流驅(qū)動能力和寬擺幅。在0．35μm CMOS工藝條件仿真得到該運(yùn)算放大器在5 V電源電壓下，開環(huán)增益為97．4 dB。輸出擺幅范圍0．07～4．91 V，靜態(tài)功耗2．96 mW，功率管的面積<0．2 mm2，在保證一定指標(biāo)的前提下節(jié)省了芯片面積。
關(guān)鍵詞 音頻功率放大器；電流抵消技術(shù)；AB類推挽式輸出級；寬擺幅

    隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生活水平的提高，越來越多的便攜電子設(shè)備出現(xiàn)。如MP3／MP4、手機(jī)、移動DVD、電子書等。大部分便攜電子設(shè)備都有音頻輸出功能，因此需要使用一個(gè)音頻功率放大器芯片。工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對音頻功放的要求是：設(shè)計(jì)簡單、芯片面積小、輸出功率大、制造成本低。由于便攜產(chǎn)品多是電池供電，因此還需要音頻功放耗電少、效率高，以延長電池的使用壽命。目前應(yīng)用于便攜設(shè)備中的音頻功率放大器，主要分為AB類和D類兩種，其主要區(qū)別是放大器分別工作在線性區(qū)和開關(guān)狀態(tài)。
    AB類音頻功率放大器工作在線性區(qū)，因其技術(shù)成熟、音頻性能優(yōu)異、應(yīng)用簡單、價(jià)格低等優(yōu)勢，一直在小功率音頻放大器市場中占據(jù)主流。AB類音頻功放已被廣泛應(yīng)用于各種音頻產(chǎn)品。考慮到AB類音頻功放能夠提供高品質(zhì)的信號放大性能，因此適合耳機(jī)和一些小功率喇叭的應(yīng)用。AB類音頻功率放大器對輸出運(yùn)算放大器的主要技術(shù)指標(biāo)包括：高開環(huán)增益、共模抑制比、電源抑制比、單位增益頻率以及低功耗、失調(diào)電壓等，而輸出功率管的交越失真也是設(shè)計(jì)中需要避免的。AB類輸出運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作，以抑制偶次諧波，減小交越失真，效率較高，晶體管功耗較小等。
    設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的AB類音頻功率放大器，輸入級采用電流抵消技術(shù)，提高了交流增益，中間級采用兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器分別驅(qū)動兩個(gè)功率管的柵極，避免了因?yàn)閮蓚€(gè)功率管之間的不匹配對輸出級造成的影響，同時(shí)運(yùn)用前級增益放大技術(shù)，提高了功率管的驅(qū)動能力，使輸出具有大功率、高效率且節(jié)省芯片的面積。

1 放大器輸入級的設(shè)計(jì)
    音頻功放輸入級的主要目的是抑制共模信號，且其性能對集成運(yùn)放的其他性能指標(biāo)起決定性作用，是提高集成運(yùn)放質(zhì)量的關(guān)鍵。為達(dá)到上述目標(biāo)，輸入級常采用差分放大電路的形式。因?yàn)樗闹绷魇д{(diào)量小，線性也遠(yuǎn)比單管輸入級好，共模信號的抑制能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的抗于擾能力，很小的溫漂、級間容易直接耦合。如果采用普通的差分輸入級作為功率放大器的輸入級，則在保證穩(wěn)定工作的前提下，放大器的交流增益比較低，差分電路形式主要有兩種基本形式：長尾式和恒流源式。根據(jù)集成電路的工藝特點(diǎn)，集成電路中常用恒流源式差分電路作為輸入級。
    為最大限度提高放大器的交流增益，設(shè)計(jì)了一種新型的差分運(yùn)放輸入級，采用電流抵消技術(shù)，提高了輸入級增益。輸入級的具體電路如圖1所示。

    將M9和M10作為PMOS差分輸入對，M7和M8為輸入對提供固定的偏置電流，M11，M12與M13，M14形成有源負(fù)載，提高了輸出阻抗，有益于提高輸入級的增益。電壓Va，Vb由偏置電路提供。為進(jìn)一步提高輸入共模范圍，該電路的主通路上的晶體管可以工作在亞閾值區(qū)域，即M9，M10工作在亞閾值區(qū)。首先分析電路的輸入電壓擺幅，適當(dāng)設(shè)置M7，M8的偏置電壓以提供足夠的輸入級偏置電流。PMOS差分對M9，M10工作在亞閾值區(qū)，根據(jù)亞閾值區(qū)的定義，輸入差分管M9，M10的柵源電壓
   
    由式(1)～式(3)可以看出，工作在亞閾值區(qū)比工作在飽和區(qū)的運(yùn)放輸入共模范圍大，這對于低電源電壓運(yùn)放有利。
    為得到更大的增益，文中采用電流抵消技術(shù)。將兩個(gè)MOS管M12，M13交叉耦合可得到一個(gè)兩級的正反饋放大器，結(jié)果是差分電阻變?yōu)?／(gm14-gm13)，圖中M11，M12，M13，M14的尺寸均相等，跨導(dǎo)也相等。因此對于輸入器件提供了準(zhǔn)無窮大的電阻，獲得更大的交流增益，為Av=gm10／(gm14-g13)。
    采用PMOS管作為放大器的輸入管是為了降低閃爍噪聲，根據(jù)MOS管的特性，PMOS晶體管的閃爍噪聲為NMOS晶體管的1／2～1／5。因此，在需要減小閃爍噪聲的重要場合應(yīng)該使用PMOS晶體管。

2 AB類輸出級的設(shè)計(jì)
    運(yùn)放的輸出級是音頻功放芯片的核心部分，占絕大部分版圖面積，其性能和集成度直接影響整個(gè)音頻功放芯片的各性能參數(shù)及其面積大小。
    傳統(tǒng)反饋型AB類輸出級電路需要兩個(gè)工作點(diǎn)不同的同相輸入信號，其復(fù)雜性導(dǎo)致其頻率特性較差，帶寬無法做到很高；如果輸出晶體管進(jìn)入深度截止，就會造成輸出級的動態(tài)特性差，所以希望輸出晶體管始終處于非截止工作區(qū)。
2．1 前饋無截止型AB類輸出級
    音頻功放典型的輸出級采用一種前饋無截止型AB類結(jié)構(gòu)，得到了一種結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定、電源利用率高、輸出動態(tài)失真小、應(yīng)用范圍廣的運(yùn)算放大器。其電路原理圖如圖2所示。

    圖2所示的ClassAB輸出級能夠達(dá)到Rail-to-Rail的輸出電壓范圍，并且相比于ClassA輸出能夠獲得較大的輸出電流和較小的靜態(tài)電流，因而具有近似于ClassB輸出級的功效；而輸出級柵上的電壓VAB所產(chǎn)生的靜態(tài)電流，使得輸出晶體管在沒有靜態(tài)工作時(shí)仍然開啟，從而消除了ClassB輸出級的交越失真。對于ClassAB輸出級的設(shè)計(jì)，通常要求輸出灌電流Ipush和拉電流Ipull不受到電源電壓和工藝波動的影響，同時(shí)要求輸出級靜態(tài)電流IQ較小且與電源電壓和工藝波動無關(guān)。圖2所示的ClassAB輸出級灌電流Ipush由M1～M4的柵源電壓決定，拉電流Ipull由M5～M8的柵源電壓決定，如式(4)～式(6)所示，假設(shè)晶體管工作在飽和區(qū)
   
    由式(11)和式(12)可以看到，圖2所示的CLASSAB輸出級灌電流Ipush和拉電流Ipull不會受到電源電壓和工藝波動的影響；而靜態(tài)電流IQ也可以精確控制，與電源電壓和工藝波動無關(guān)。
    在Rail-to-Rail輸出級中，AB類傳輸函數(shù)可通過保持輸出管柵極間電壓恒定來實(shí)現(xiàn)。由于用AB類前饋式輸出采用晶體管實(shí)現(xiàn)柵極間耦合，比采用電阻的AB類反饋式輸出更節(jié)省電路面積，具有良好的高頻特性，幾乎不會增加輸出級的功耗，同時(shí)降低了該柵極間電壓對電源、工藝的敏感性，并且適用于低壓運(yùn)放，所以在設(shè)計(jì)中采用前饋式AB類控制。因?yàn)楦与娏髟赐珹B類控制具有相同的結(jié)構(gòu)，所以共源共柵電流鏡對電源的依賴性補(bǔ)償了AB類控制對電源的依賴性。這樣，推挽輸出管的靜態(tài)電流對電源紋波不再敏感。
2．2 一種改進(jìn)型AB類輸出結(jié)構(gòu)
    針對輸出級的設(shè)計(jì)，在AB類前饋非截止型輸出級電路的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型AB類輸出級的設(shè)計(jì)，采用準(zhǔn)B類互補(bǔ)共源放大器控制全擺幅輸出級，其工作原理如圖3所示。

    由圖3可知，音頻輸入信號經(jīng)過輸入級產(chǎn)生差分信號Iin+，Iin-，輸出信號又分別進(jìn)入下一級差分放大器A直接控制輸出功率管的柵極電壓，從而實(shí)現(xiàn)Rail-to-Rail AB類輸出。靜態(tài)時(shí)，bIB1=IM4，aIB2=IM2，令a=K2／K1，b=K4／K3，當(dāng)IB1=IB2時(shí)可以得出輸出級的靜態(tài)電流Iout=aIB1=bIB2。
    當(dāng)運(yùn)放正常工作時(shí)，輸出級電流為
    IM2=a(A△I+IB1)
    IM4=b(-A△I+IB2)       （13）
    其中，A為差分放大器A的增益，△I=Iin+-Iin-，該差分放大器的具體電路如圖4所示。

    在圖4中，一組差分放大器由M15，M16，M17，M18，M19，M20，M21，M22，M23，M24，M25組成，輸出級為Voutn，用來直接驅(qū)動PowerNM OS管的柵極。當(dāng)差分輸入端INP比INN電壓低時(shí)，Voutn端電流會變大，而由于M16，M17為電流鏡結(jié)構(gòu)，所以多余的電流通過M18到地，而M18，M15又為電流鏡結(jié)構(gòu)，故M18，M15漏電流基本相等，增加的電流通過M22鏡像給M23使運(yùn)放的電流變大，實(shí)現(xiàn)正反饋。同樣當(dāng)INN端電壓低于INP端電壓時(shí)，流過M18的電流減小，從而減小運(yùn)放所消耗的電流。M18的二極管連接可以確保Voutn端有一個(gè)最低電壓，進(jìn)而保證PowerNMOS管始終不會關(guān)斷。
    另一組差分放大器由M26，M27，M28，M29，M30，M31，M32，M33，M34，M36，M37組成，輸出級為Voutp，用來直接驅(qū)動PowerPMOS管的柵極。具體電路實(shí)現(xiàn)方式與前一個(gè)運(yùn)放相同，M28的二極管連接確保Voutp端有一個(gè)最高電壓，從而使PowerPMOS管始終不會關(guān)斷。
    通過兩個(gè)運(yùn)放分別控制兩個(gè)功率管，避免因PMOS管與NMOS管的不匹配而引起的誤差，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)兩個(gè)運(yùn)放的增益進(jìn)而控制兩個(gè)功率管的柵壓，使功率管在要求的功率指標(biāo)內(nèi)有最小的寬長比，進(jìn)而節(jié)約芯片的面積。兩個(gè)二極管連接的MOS管M18，M28分別保證兩個(gè)功率管在任何狀態(tài)下輸出電流都不為零，改善了輸出的失真特性。

3 整體電路實(shí)現(xiàn)
    運(yùn)算放大器的整體電路如圖5所示。

    由圖5可知，Ibias為電流源偏置，通過電流鏡結(jié)構(gòu)為整個(gè)運(yùn)放提供恒定的電流，輸入級采用電流抵消技術(shù)提高輸入阻抗，輸入信號由雙端輸入再由雙端輸出，提高了輸入信號的增益的同時(shí)又分別作為下一級差分運(yùn)放的輸入，經(jīng)過兩級放大，從而提高了輸入信號對功保兩個(gè)功率管在靜態(tài)時(shí)工作在微導(dǎo)通狀態(tài)，從而避免了CLASSB中由于功率管截止而導(dǎo)致的交越失真。為保證運(yùn)放穩(wěn)定工作，在電路第一級加入了密勒電阻電容網(wǎng)絡(luò)，適當(dāng)選取其取值，可以將運(yùn)放的相位裕度補(bǔ)償至60℃以上，達(dá)到穩(wěn)定性要求。由于運(yùn)放工作于放大狀態(tài)時(shí)輸出管p管和n管之間的小信號電阻較小，輸出管p管和n管沒有必要做密勒補(bǔ)償，而第一級放大器輸出端在運(yùn)放工作時(shí)輸出電阻較大，所以要在該點(diǎn)做密勒補(bǔ)償。

4 仿真結(jié)果與討論
    對該運(yùn)放采用0．35μm CMOS數(shù)模混合工藝，用Cadence仿真工具進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真環(huán)境為：電源電壓Vdd=5 V，Rload=32 Ω，T=27℃，典型條件下，運(yùn)算放大器的幅頻，相頻特性如圖6所示，電路的直流開環(huán)增益為97．4 dB，相位裕度為84°，單位增益帶寬為4．23 MHz。運(yùn)放主要性能指標(biāo)的仿真結(jié)果如表1所示。

    由表1可知，該運(yùn)放具有較好的頻率特性，較高的電壓增益，電源抑制比也較高，靜態(tài)功耗小，適合于音頻功率放大器的應(yīng)用。且當(dāng)輸入信號為200 mV的正弦波，負(fù)載為32 Ω時(shí)，該運(yùn)放的THD為0．024％。

5 結(jié)束語
    為適應(yīng)低壓低功耗設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，結(jié)合實(shí)際芯片設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)低電源電壓、低功耗的運(yùn)算放大器。輸入級采用電流抵消技術(shù)，在優(yōu)化輸入共模范圍的同時(shí)提高了放大器增益；兩個(gè)準(zhǔn)B類互補(bǔ)共源放大器控制全擺幅輸出級，具有電源電壓低、高頻特性好、不增加輸出級功耗和不會降低運(yùn)放的開環(huán)增益等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)將控制電路與輸入級放大電路相結(jié)合以減小噪聲和失調(diào)，使電路更加緊湊、節(jié)省芯片面積、功耗也減少。仿真結(jié)果表明，該運(yùn)放在推動32 Ω負(fù)載時(shí)，輸出功率95 mW，在20～20 kHz范圍內(nèi)的THD在0．1％內(nèi)，PSRR可達(dá)到97 dB。具有較好的應(yīng)用前景。