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(chǎng)前景。但是對(duì)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(duì)于通信設(shè)備而言，在頻率217 Hz時(shí)會(huì)產(chǎn)生CDMA噪聲，所以音頻功率放大器必須也有較強(qiáng)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(jì)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(dòng)電話或其他低壓設(shè)備。

　　電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    基于CSMCO．5μm CMOS工藝設(shè)計(jì)一種帶滯回功能的高穩(wěn)定性電壓控制電路，利用遲滯比較器對(duì)旁路電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并控制電容的充放電，提高了電壓的穩(wěn)定性。Cadence Spectre仿真結(jié)果表明，該電路產(chǎn)生的電壓穩(wěn)定性高，功耗低，且其滯回功能能有效抑制噪聲。與普通的旁路電壓控制電路相比，具有更高的穩(wěn)定性和抗噪聲能力，可廣泛用于各種功率放大鏡內(nèi)部。

　　音頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于諸如移動(dòng)電話、MP3，MP4等便攜式設(shè)備中，而為了使音頻功率放大器能正常工作，其內(nèi)部必須含有旁路電壓控制電路，以產(chǎn)生正確的直流偏置電壓使電路正常工作。這里在O．5μm CMOS工藝條件下，設(shè)計(jì)了一種采用電流反饋實(shí)現(xiàn)遲滯功能的旁路電壓控制電路。

    1 電路結(jié)構(gòu)

　　旁路電壓控制電路包括施密特電路、比較器電路和控制電路三大部分。

     1．1 施密特電路

　　集成電路的廣泛應(yīng)用為芯片添加關(guān)斷功能以降低芯片的功耗成為必需。該設(shè)計(jì)中的M25～M29組成的施密特電路就提供了此功能。當(dāng)外部引腳“SHUTDOWN”電壓Vin為低電平時(shí)，M25，M26導(dǎo)通，M27，M28截止，D點(diǎn)輸出高電平，此時(shí)整個(gè)電路處于關(guān)斷狀態(tài)，內(nèi)部功耗極低。隨著Vin逐漸升高，當(dāng)Vin>VTH(M28)時(shí)，M28，M29均處于導(dǎo)通狀態(tài)，則M28的漏端電壓為M28，M29對(duì)電源的分壓，近似為VDO／2．故M27仍截止。當(dāng)Vin繼續(xù)上升，M25，M26導(dǎo)通能力下降，導(dǎo)致M27的源端電壓下降，當(dāng)VGS(M27)>VTH(M27)時(shí)，M27開始導(dǎo)通，使D點(diǎn)電壓急劇下降，進(jìn)一步使M25，M26的導(dǎo)通減弱直至截止，此時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)，D點(diǎn)輸出低電平，電路轉(zhuǎn)為正常工作。

　　施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)在于其可將緩慢變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫呇囟盖偷木匦蚊}沖，所以即使外部引腳“SHUTDOWN”的電壓變化緩慢或包含噪聲，電路都能正常地工作；同時(shí)也能看出，只有在輸入大于一定電壓時(shí)，電路才會(huì)正常工作，這樣的設(shè)計(jì)提高了電路的抗干擾能力。

　　1．2 電壓比較器電路

　　比較器用于比較兩個(gè)輸入模擬信號(hào)并由此產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制輸出。而通常情況下，比較器工作于噪聲環(huán)境中，并且在閾值點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)的變化。當(dāng)一個(gè)包含噪聲的信號(hào)加在沒(méi)有遲滯功能的比較器的輸入端，會(huì)使比較器的輸出充滿噪聲，甚至有可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。故在設(shè)計(jì)時(shí)往往借助正反饋以實(shí)現(xiàn)滯后功能，使電路具有一定的抗噪聲能力。這種正反饋往往分為外部正反饋和內(nèi)部正反饋，又由于外部正反饋所需的高的電阻在集成電路中很難實(shí)現(xiàn)，所以內(nèi)部正反饋得到了更為廣泛的應(yīng)用。

　　M8～M12為電流反饋部分。當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，開關(guān)管M9和M12均導(dǎo)通，M11和M8組成電流鏡結(jié)構(gòu)，當(dāng)M11，M8均處于飽和區(qū)時(shí)電流鏡正常工作且M11，鏡像M8的漏電流并反饋回A點(diǎn)，以改變比較器負(fù)向轉(zhuǎn)折的閾值電壓VTRP-，達(dá)到遲滯的目的。

　　則通過(guò)調(diào)節(jié)M11和M8管的寬長(zhǎng)比，可以改變反饋回A點(diǎn)的電流大小，從而改變電路的負(fù)向轉(zhuǎn)折閾值電壓。此時(shí)比較器的正向轉(zhuǎn)折點(diǎn)和負(fù)向轉(zhuǎn)折點(diǎn)不等，比較器電路具有雙穩(wěn)態(tài)特性，其寬度為：

　　該寬度電壓表明了比較器所允許的噪聲幅度。

　　1．3 控制電路

　　控制電路所實(shí)現(xiàn)的功能為產(chǎn)生比較器所需的基準(zhǔn)電壓和對(duì)旁路電容進(jìn)行充、放電。圖1中，M17，M18的柵極電壓由放大器的偏置電路產(chǎn)生。當(dāng)PD為低電平時(shí)，開關(guān)管M15導(dǎo)通，調(diào)節(jié)R1，R2的值，使B點(diǎn)的電壓等于VDD／2，并將B點(diǎn)的電壓作為比較器的正向轉(zhuǎn)折電壓，此時(shí)開關(guān)管M19導(dǎo)通。電路對(duì)旁路電容CB充電且將C點(diǎn)電壓作為比較器的正向輸入。當(dāng)電容上的電壓低于時(shí)，比較器輸出低電平，M21截止；當(dāng)電容上的電壓高于正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，比較器輸出高電平，M19截止，電路停止對(duì)旁路電容充電，同時(shí)M21導(dǎo)通。此時(shí)C點(diǎn)的電壓為：

　　式中：VC+為M21導(dǎo)通后電容上的電壓；VC-為M21導(dǎo)通前的電容上的電壓；τ為時(shí)間常數(shù)，τ=(RB+R)C；RB為B點(diǎn)到地的等效電阻?？梢钥吹皆谝欢螘r(shí)間后，旁路電容上的電壓將近似等于B點(diǎn)電壓，即VDD／2，則得到所需的旁路電壓。同時(shí)，考慮到音頻功率放大器上電、掉電的“POP”噪聲是由旁路電壓的瞬間跳變引起的，所以可以適當(dāng)?shù)脑龃笈月冯娙菀栽龃笈月冯妷旱纳仙⑾陆邓俣?，起到減少“POP”噪聲的作用。

　　當(dāng)PD為高電平時(shí)．M16截止，電路不工作。

　　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(chǎng)上的主力軍。輸出運(yùn)放是整個(gè)電路的，它的性能直接影響著整個(gè)芯片的各性能參數(shù)。

　　2 運(yùn)放結(jié)構(gòu)的選擇

　　本文中運(yùn)用兩個(gè)AB類輸出的運(yùn)放組成橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

    個(gè)放大器的增益可由外部設(shè)置，第二個(gè)放大器的增益是內(nèi)部固定的單位增益。

    個(gè)放大器的閉環(huán)增益由RF和RI的比值來(lái)確定，第二個(gè)放大器的增益由內(nèi)部?jī)蓚€(gè)20 kΩ的電阻固定。

    圖l中可以看出，個(gè)放大器的輸出作為第二個(gè)放大器的輸入，這樣使得兩個(gè)放大器的輸出在幅值上是相等的，而相位上相差180°。

       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(jì)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它可以差動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于是差分輸出，Vo1和Vo2偏置在1／2VDD，因此在負(fù)載上沒(méi)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(gè)電容是必須的，沒(méi)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(diǎn)，這里選擇的電路結(jié)構(gòu)為，由兩個(gè)AB類輸出運(yùn)放組成的橋式連接放大器結(jié)構(gòu)。

　  3 放大器電路結(jié)構(gòu)

　　放大器電路圖如圖2所示。

  放大器級(jí)為折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)改善了兩級(jí)運(yùn)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(gè)差分跨導(dǎo)級(jí)與電流級(jí)級(jí)聯(lián)再緊跟一個(gè)Cascode電流鏡負(fù)載的結(jié)構(gòu)。第二級(jí)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(gè)管子，使單端輸出變成了雙端輸出。這四個(gè)管子與偏置電路、第二級(jí)的推挽式輸出電路共同組成了兩個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)。

　　跨導(dǎo)線性環(huán)是一個(gè)通過(guò)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(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)，容易得出：

　　結(jié)果得到了一個(gè)與晶體管尺寸有關(guān)的電流表達(dá)式，由式中可以看出，輸出功率管M21的靜態(tài)電流由M13，M21，M23，M24的寬長(zhǎng)比與電流決定，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。因此，預(yù)先設(shè)定好四個(gè)管子的寬長(zhǎng)比，給M13，M23，M24以固定的電流，輸出功率管的靜態(tài)電流就被確定下來(lái)了。但是運(yùn)放中加入四個(gè)MOS管是否不會(huì)影響運(yùn)放的其他性能。從信號(hào)通路的角度看，晶體管M11，M12，M13，M14中只流過(guò)直流電流，沒(méi)有交流電流從中通過(guò)，它們屏蔽了交流行為，對(duì)來(lái)自級(jí)的電流表現(xiàn)為一個(gè)無(wú)窮大的交流阻抗。這四個(gè)MOS管設(shè)置了輸出功率管的靜態(tài)電流，但是對(duì)于級(jí)的增益、帶寬均不起作用。所以放大器的增益仍然為：

　　使用跨導(dǎo)線性環(huán)的目的是當(dāng)一個(gè)輸出晶體管流過(guò)大電流時(shí)，防止另一個(gè)輸出晶體管關(guān)斷。實(shí)際上，當(dāng)M21流過(guò)一個(gè)大的輸出電流時(shí)，M22就有可能被關(guān)斷。在流過(guò)大的輸出電流的情況下，至少要保證M22上能流過(guò)一個(gè)的電流，這樣就可以減少交越失真并且提高速度。

　　對(duì)于這樣的多極點(diǎn)兩級(jí)運(yùn)放來(lái)說(shuō)，在輸出端電阻和電容串聯(lián)做米勒補(bǔ)償，以增大相位裕度，提高穩(wěn)定性。通過(guò)頻率補(bǔ)償，兩個(gè)主極點(diǎn)分別為：

　　適當(dāng)調(diào)節(jié)R，使z=p2，可使零點(diǎn)與第二主極點(diǎn)相互抵消，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　4 仿真結(jié)果及分析

　　放大器頻域響應(yīng)如圖3所示。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　該設(shè)計(jì)的AB類輸出功率放大器電路，采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，功率管推挽式輸出，同時(shí)利用外部電流源供電，采用低壓共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)的偏置電路。仿真結(jié)構(gòu)表明該運(yùn)放具有高增益，低輸入失調(diào)電壓，低THD等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的頻率特性，較低的靜態(tài)功耗，滿足一塊高性能的AB類音頻功放芯片的要求。