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一種寬頻帶大擺幅的三級CMOS功率放大器

作者: 時間:2008-05-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  低功耗、高性能是音頻放大器一直追求的目標(biāo)。近幾年來得到很大發(fā)展,采用此工藝將會有效地降低功耗,但是隨之而來的問題是如何獲得有效的增益帶寬,降低電源等產(chǎn)生的噪聲,如何有效降低諧波失真,在低電源電壓下獲得近乎滿幅的輸出,以獲得有效的電壓輸出等。

  本文介紹的兩級密勒補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的放大器結(jié)構(gòu)簡單,很好地滿足了增益帶寬及電壓輸出擺幅的要求。

  放大器的結(jié)構(gòu)

  該采用三級放大結(jié)構(gòu)。輸入級為折疊式放大結(jié)構(gòu),輸入管為p管,以降低閃爍噪聲。折疊式輸入級的輸出,直接作為輸出級中p溝晶體管的驅(qū)動。

  第二級為非反相放大級,它由一個共源p溝輸入管,一個電流鏡和一個電流為80μA的恒流源組成。該級電路的重要作用在于為輸出級的n管提供合理的偏置電壓,以使輸出級的兩個管子的偏置電壓分開,從而實(shí)現(xiàn)AB類輸出。

  輸出級則為推挽式的AB類結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是p管和n管交替導(dǎo)通,這樣輸出電壓僅損失一個管子的過驅(qū)動電壓,有效地提高輸出電壓的水平,滿足在低電源電壓下信號的輸出驅(qū)動的要求。本設(shè)計(jì)電路輸出級的靜態(tài)電流為1mA。放大器的輸出級和第一級及第二級之間有兩個密勒型的補(bǔ)償回路,密勒補(bǔ)償采用了零電阻補(bǔ)償法,該方法通過將補(bǔ)償電容CC串聯(lián)一個電阻RZ,消除了僅由電容進(jìn)行補(bǔ)償引起的右半平面(RHP)零點(diǎn)效應(yīng),增加電路的穩(wěn)定性。

  npower2線用于省功耗控制,當(dāng)它的值為低電位時,整個電路不工作,處于省功耗狀態(tài)。省功耗控制對于便攜式系統(tǒng)是十分必要的。

  具體結(jié)構(gòu)如圖1所,其中Vp1,Vp2,Vn2和Vn2為偏置電壓。

放大器電路的結(jié)構(gòu)

  圖1 放大器電路的結(jié)構(gòu)

  放大器電路穩(wěn)定性分析

  在未接補(bǔ)償電容和電阻的情況下,開環(huán)響應(yīng)的極點(diǎn)頻率

  f1=1/(2πR1C1); f2=1/(2πR2C2);f3=1/(2πR3C3),

  式中:Ri和Ci(i=1,2,3)分別是第i級的等效輸入電阻和電容,其中R3為輸出負(fù)載電阻。

  帶補(bǔ)償?shù)娜?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/功率放大器">功率放大器穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的條件是主極點(diǎn)f1≤fT

  圖2是未加補(bǔ)償?shù)膸в?2Ω負(fù)載的三級放大器的波特相位特性的仿真結(jié)果,由此圖可以看出,未加補(bǔ)償前在單位增益頻率范圍內(nèi)有兩個極點(diǎn),相位裕度只有36,電路不夠穩(wěn)定。

放大器電路的結(jié)構(gòu)

  圖2 未加補(bǔ)償時的波特相位圖

  圖3給出了負(fù)載為32Ω的三級放大器加補(bǔ)償之后的仿真結(jié)果,f1,f2極點(diǎn)通過補(bǔ)償被有效分離,f1向低頻點(diǎn)移動,移動到較低的頻率,而f2則移動到fT頻率外,達(dá)到很高的頻率。由f1≤fT

補(bǔ)償后的波特相位圖

  圖3 補(bǔ)償后的波特相位圖

  采用兩級零電阻補(bǔ)償?shù)姆椒▽⒁雰蓚€零點(diǎn),一個為右半平面(RHP)零點(diǎn),另一個則為左半平面(LHP)零點(diǎn)。它們的值分別為:ZRHP=1/(CC2/gm3-RZ2CC2);ZLHP=-1/(RZ1CC1),其中CC1,RZ1,CC2,RZ2分別為第一級和第二級的補(bǔ)償電容與電阻,gm3為第三級的跨導(dǎo)。

  右半平面的零點(diǎn)存在將會減緩幅值下降,因而使增益交點(diǎn)外推,更遠(yuǎn)離原點(diǎn),從而大大降低電路的穩(wěn)定性,因此必須將其消除。由右半平面零點(diǎn)的公式,理論上可以推出:選擇零電阻RZ2的值,使其滿足RZ2=1/gm3,則右半平面零點(diǎn)被移到無窮遠(yuǎn)處,從而不再對電路的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。但是在實(shí)際的工作電路中由于輸出管跨導(dǎo)補(bǔ)償電阻分別受工作電流、溫度、工藝等因素變化的影響,會偏離理論值,因此二者相等的要求是不可能滿足的。而在實(shí)際的設(shè)計(jì)中也并無此嚴(yán)格的要求,一般情況下只要零點(diǎn)的位置滿足在單位增益頻率10倍以上,零點(diǎn)對電路穩(wěn)定性的影響就可忽略。

  由圖3可以看出該電路的相位裕度在開環(huán)情況下可達(dá)86.6,此時增益帶寬為100MHz,電路的穩(wěn)定性得到很大提高。

  下面將分別討論左半平面零點(diǎn)及右半平面零點(diǎn)在本設(shè)計(jì)中如何滿足要求。

  由前面的分析及圖3可以看到,整個電路之所以帶寬高達(dá)100MHz,主要是左半平面零點(diǎn)的值較低,減緩了單位增益頻帶內(nèi)幅值及相位的下降。雖然在所設(shè)計(jì)的電路中這個零點(diǎn)是無害的,但根據(jù)耳機(jī)音頻電路的要求,100MHz的帶寬是完全沒有必要的,所以可以在此電路的基礎(chǔ)上稍加改進(jìn),將電阻RZ1改成100Ω,補(bǔ)償電容Cc1大小不變,那么左半平面零點(diǎn)的值為350MHz,此時單位增益頻率為32MHz,左半平面零點(diǎn)對單位增益帶寬的大小不再有影響。

  對于右半平面的零點(diǎn),設(shè)計(jì)中選擇補(bǔ)償電容Cc2為2pF,補(bǔ)償電阻RZ2為1kΩ,則由右半平面零點(diǎn)公式及其應(yīng)滿足的條件(ZRHP≥10倍的增益帶寬)可以推出(1/gm3-RZ2)有很大的變化范圍。也就是說跨導(dǎo)及電阻可以隨實(shí)際工作電流、溫度、工藝等條件的變化而變化,并且允許存在較大的變化范圍。

  該電路的輸出負(fù)載是32Ω的電阻,由于此設(shè)計(jì)采用的是單電源供電,輸出偏置在1.65V,因此在實(shí)際電路中需串聯(lián)一個大的輸出耦合電容,以防止直流電流流過耳機(jī)造成功率損耗,嚴(yán)重的甚至有可能損害耳機(jī)或者是耳機(jī)驅(qū)動。此電路中采用的是220μF的電容。加入此電容對電路的低頻響應(yīng)有一定影響,但仍滿足人耳的聽力范圍要求。

  輸出電壓的擺幅

  對于便攜式功率放大器,由于其供電電壓的降低,為了得到有效的輸出電壓就要求輸出擺幅盡可能接近滿幅要求。本設(shè)計(jì)電路采用的是AB類輸出結(jié)構(gòu),因此電壓在輸出時只損失一個n管或p管的過驅(qū)動電壓,使輸出電壓的范圍得到很大提高。下面將在AB輸出級的基礎(chǔ)上研究如何降低n管和p管的過驅(qū)動電壓,以進(jìn)一步提高電壓擺幅。以n管為例,在n管飽和導(dǎo)通時流過它的靜態(tài)電流為1mA,那么在這個電流下如果輸出管的寬長比取得較大,那么過驅(qū)動電壓VDSAT=VGS-VTn就可以有較小的值,從而輸出電壓的最小值將會降低,輸出范圍增大。類似p管采用較大的寬長比也可以提高最大電壓的輸出水平。該設(shè)計(jì)電路選擇的p管的寬長比為3072/1,n管的寬長比為768/1,當(dāng)然較大的寬長比是以犧牲面積得到的,但本電路輸出級的寬長比相對于同類電路卻小得多。

  該電路最大輸出擺幅可達(dá)2.7V,輸出電壓效率為81.8%,屬于大輸出電壓擺幅,此時其相應(yīng)的最大輸出功率為29mW。

  放大器的失真

  功率放大器的一個重要的性能指標(biāo)是總諧波失真加噪聲??傊C波失真主要是由非線性元件引起的。在電路結(jié)構(gòu)完全對稱且不存在元件不匹配的情況下偶次諧波失真是可以消除的,但實(shí)際上這樣嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐肥遣淮嬖诘?,而且對于音頻電路來說,對音質(zhì)影響較大的為奇次諧波失真。因?yàn)槿硕鷮ζ娲沃C波失真比較敏感,而對偶次諧波要差的多。降低總諧波的方法一般是增加適量的內(nèi)部反饋環(huán),選用線性性好的器件來實(shí)現(xiàn)的。本文采用的三級放大電路存在兩個內(nèi)部反饋環(huán),與兩級放大電路相比有效地抑制了諧波失真。

  測得在3.3V電源電壓,1kHz輸入信號頻率,0dB增益及滿擺幅即2.7V輸出電壓下,該三級放大電路的總諧波加失真為-68dB。



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