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(jí)結(jié)構(gòu)得到大電流驅(qū)動(dòng)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(jí)；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(dòng)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(duì)音頻功放的要求是：設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(zhǎng)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(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，一直在小功率音頻放大器市場(chǎng)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(hào)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(duì)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(jí)采用電流抵消技術(shù)，提高了交流增益，中間級(jí)采用兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算放大器分別驅(qū)動(dòng)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(duì)輸出級(jí)造成的影響，同時(shí)運(yùn)用前級(jí)增益放大技術(shù)，提高了功率管的驅(qū)動(dòng)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(jí)的設(shè)計(jì)
音頻功放輸入級(jí)的主要目的是抑制共模信號(hào)，且其性能對(duì)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(jí)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(jí)好，共模信號(hào)的抑制能力強(qiáng)，具有很強(qiáng)的抗于擾能力，很小的溫漂、級(jí)間容易直接耦合。如果采用普通的差分輸入級(jí)作為功率放大器的輸入級(jí)，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(zhǎng)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(jí)。
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(jí)，采用電流抵消技術(shù)，提高了輸入級(jí)增益。輸入級(jí)的具體電路如圖1所示。

將M9和M10作為PMOS差分輸入對(duì)，M7和M8為輸入對(duì)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(jí)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(jí)偏置電流。PMOS差分對(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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(chǎng)合應(yīng)該使用PMOS晶體管。