音頻功率放大器的CMOS電路設(shè)計
加入技術(shù)交流群
隨著集成技術(shù)的迅猛發(fā)展，體積小巧的便攜通信設(shè)備有了更加廣闊的市場前景。但是對于應(yīng)用于這些便攜式設(shè)備中的音頻功率放大器芯片則有更加嚴(yán)格的要求。便攜式設(shè)備體積小，由電池供電，所以要求音頻功率放大器芯片有盡可能少的外圍設(shè)備，盡量低的功耗。此外，對于通信設(shè)備而言，在頻率217 Hz時會產(chǎn)生CDMA噪聲，所以音頻功率放大器必須也有較強的電源抑制比(PSRR)。本文中的音頻功率放大器就是為了使用盡可能少的外部組件提供高質(zhì)量的輸出功率而專門設(shè)計的，它不需要外接自舉電容和耦合電容，所以非常適合于移動電話或其他低壓設(shè)備。
l 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
眾所周知，AB類功放有比A類功放更高的效率，比B類放大器更低的交越失真。是現(xiàn)在音頻功率放大器市場上的主力軍。輸出運放是整個電路的核心，它的性能直接影響著整個芯片的各性能參數(shù)。
1．1 運放結(jié)構(gòu)的選擇
本文中運用兩個AB類輸出的運放組成橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一個放大器的增益可由外部設(shè)置，而第二個放大器的增益是內(nèi)部固定的單位增益。第一個放大器的閉環(huán)增益由Rf和RI的比值來確定，第二個放大器的增益由內(nèi)部兩個20 kΩ的電阻固定。圖l中可以看出，第一個放大器的輸出作為第二個放大器的輸入，這樣使得兩個放大器的輸出在幅值上是相等的，而相位上相差180°。因此，整個電路的差分增益為：
橋式結(jié)構(gòu)的工作不同于經(jīng)典的單端輸出而負(fù)載另一端接地的放大器結(jié)構(gòu)。和單端結(jié)構(gòu)的放大器相比，橋式結(jié)構(gòu)的設(shè)計有其獨特的優(yōu)點。它可以差動驅(qū)動負(fù)載，因此在工作電壓一定的情況下輸出電壓的擺幅可以加倍。在相同條件下，輸出功率是單端結(jié)構(gòu)的4倍。橋式結(jié)構(gòu)和單端結(jié)構(gòu)相比還有另外一個優(yōu)點。由于是差分輸出，Vo1和Vo2偏置在1／2VDD，因此在負(fù)載上沒有直流電壓。這樣就不需要輸出耦合電容，而在單電源供電單端輸出的放大器中這個電容是必須的，沒有輸出耦合電容，負(fù)載上1／2VDD的偏置可以導(dǎo)致集成電路內(nèi)部的功耗和可能的響度損失。鑒于以上的種種優(yōu)點，這里選擇的電路結(jié)構(gòu)為，由兩個AB類輸出運放組成的橋式連接放大器結(jié)構(gòu)。
1．2 放大器電路結(jié)構(gòu)
放大器電路圖如圖2所示。放大器第一級為折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)改善了兩級運算放大器的共模輸入范圍以及電源噪聲抑制特性。它可以看做是一個差分跨導(dǎo)級與電流級級聯(lián)再緊跟一個Cascode電流鏡負(fù)載的結(jié)構(gòu)。第二級為AB類推挽式輸出，這種輸出可以高效地利用電源電壓和電源電流。和一般共源共柵放大器所不同的是，在輸出端加入了M11，M12，M13，M14四個管子，使單端輸出變成了雙端輸出。這四個管子與偏置電路、第二級的推挽式輸出電路共同組成了兩個跨導(dǎo)線性環(huán)。
跨導(dǎo)線性環(huán)是一個通過非線性電路提供線性關(guān)系的電路。圖2中M21，M13，M23，M24和M22，M12，M25，M26各組成了一個跨導(dǎo)線性環(huán)，容易得出：
評論