AB類功率放大器驅(qū)動(dòng)電路的研究與設(shè)計(jì)

　　在實(shí)用電路中，往往要求放大電路的末級(jí)(即輸出級(jí))輸出一定的功率，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載。能夠向負(fù)載提供足夠信號(hào)功率的放大電路稱為功率放大電路，簡(jiǎn)稱功放。經(jīng)典功率放大器有4種類型：A類，AB類，B類和C類，他們的主要差別在于偏置的情況不同。理想的4類經(jīng)典放大器的最大效率的理論值與導(dǎo)通角的函數(shù)關(guān)系如圖1所示。

　　A類功率放大器的線性度好，功率傳遞能力差，效率最大值為50％，導(dǎo)通角為360°；B類功率放大器通過減少一個(gè)周期中晶體管工作的時(shí)間來提高效率(最好可達(dá)78.5％)，保持了實(shí)現(xiàn)線性調(diào)制的可能性，工作周期為半周期；C類功率放大器提供了接近100％的效率，但同時(shí)歸一化的功率傳遞能力和功率增益都趨于零，線性度差；AB類放大器的效率和線性度在A類和B類放大器之間，其最大的特點(diǎn)是導(dǎo)通角的范圍為180°～360°，相應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)他在一個(gè)周期的50％和100％之間的某段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的工作方式，對(duì)于單MOS管來說，就是使他的漏極有電流通過的時(shí)間多于半個(gè)周期。

　　2 功放驅(qū)動(dòng)電路的具體設(shè)計(jì)和仿真

　　2.1 鏡像電流偏置方式

　　在采用雙電源供電的差分放大電路中，兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)電流直接由恒流源電路提供。對(duì)恒流源偏置電路的要求，除了提供穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)電流外，還應(yīng)具有高的輸出交流電阻。鏡像恒流源電路是目前應(yīng)用最廣的一種高穩(wěn)定恒流源電路，他特別適合于用在集成電路中。圖2就是采用鏡像電流偏置方式實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)圖。

　　這個(gè)電路是由2個(gè)性能上嚴(yán)格匹配的NMOS管和1個(gè)電阻、1個(gè)電感組成，IM1和IM2分別為電路中兩個(gè)NMOS管M1和M2的漏極電流。M1管與M2管的襯底與源短接，不存在體效應(yīng)。由于兩個(gè)NMOS管寬長(zhǎng)比完全一樣，因此，改變VDD或R，IM1和IM2相應(yīng)的也就隨之改變。鑒于IM2猶如IM1的鏡像，故將這種恒流源電路稱為鏡像恒流源電路。圖中的C和L作用跟前面分壓偏置方式中論述的一樣。

　　當(dāng)兩管完全對(duì)稱時(shí)，溫度的變化就不會(huì)引起IM1和IM2的變化，因此鏡像恒流源電路是一種高熱穩(wěn)定的偏置電路。這一偏置方法還消除了與固定電壓柵偏置有關(guān)的熱漂移問題。

　　對(duì)于AB類功放，給定VDD為3 V，Vin為直流偏置2 V，振幅1 V，頻率1 GHz的正弦波，選定R為800 Ω，C為0.5 pF，L為0.065 nH，M1和M2均為寬0.6μm，長(zhǎng)0.18 μm的NMOS。從圖3晶體管M2的漏極電流HSpice仿真波形圖中可以看出Vg≥0.297 V的時(shí)長(zhǎng)為0.69 ns，大于0.5 ns的半個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)，因此實(shí)現(xiàn)了AB類功放的驅(qū)動(dòng)電路的要求，工作時(shí)間大于半個(gè)周期。

　　2.2 分壓偏置方式

　　分壓式偏置電路，顧名思義就是通過電阻的分壓以給出所要達(dá)到的偏置電壓的電路結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

　　電路中的C為隔直電容，隔離輸入的信號(hào)中由各種原因引起的直流分量，保證電路特性不被意外的直流分量所影響。電路中的電源一般均通過扼流圈L對(duì)MOS管的漏極饋電，目的是盡量減小電路中不必要的直流功率損耗，提高功放的效率，在較低的電壓下輸出較大的功率。因此電路中將扼流電感L接于電源與M1的漏極之間，將DC功率送到MOS管的漏極。

　　電路中R3為源極電阻，其值很小，使得消耗在他上面的直流功耗也很小，以盡量減小電路中不必要的直流功率損耗，提高功放的效率。R1，R2分別稱為上偏置電阻和下偏置電阻，他們的作用是將VDD進(jìn)行分壓，在MOS管柵極上產(chǎn)生柵極靜態(tài)電壓Vg，其值為：

　　分壓式偏置電路不僅能夠有效地穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，而且對(duì)于換用不同晶體管時(shí)，因參數(shù)不一致而引起的靜態(tài)工作點(diǎn)的變化。也同樣具有自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。

　　對(duì)于AB類功放，給定VDD為3 V；Vin為直流偏置2 V，振幅1 V，頻率1 GHz的正弦波，選定R1為2 kΩ，R2為1 kΩ，R3為10 Ω，C為5 pF，L為0.065 nH，M1為寬0.6 μm，長(zhǎng)0.18 μm的NMOS，從給定的NMOS參數(shù)中可算出Vth0約為0.297 V。設(shè)置的電阻使得Vg圍繞1 V左右上下擺動(dòng)，擺幅為1 V，即可使得晶體管M1工作時(shí)間大于半個(gè)周期而小于整周期，從圖5晶體管M1漏極電流HSpice仿真波形圖中也可以看出其每周期的工作時(shí)間為0.79 ns，大于半周期，實(shí)現(xiàn)了AB類功放的驅(qū)動(dòng)要求。

　　2.3 柵極二極管偏置方式

　　如圖6所示，這種電路是一種分壓的特殊結(jié)構(gòu)，通過電阻、電感、二極管對(duì)VDD進(jìn)行分壓，在M1柵極上產(chǎn)生正的靜態(tài)偏置電壓，使每周期內(nèi)Vg高于0.297 V的部分增加，這樣就可以實(shí)現(xiàn)AB類功放驅(qū)動(dòng)的偏壓要求。

　　給定VDD為3 V，Vin為直流偏置2 V，振幅1 V，頻率1 GHz的正弦波，選定C為15 pF，R為10 Ω，L1為0.065 nH，L2為2 nH，M1為寬0.6μm，長(zhǎng)0.18 μm的NMOS。HSpice仿真得出1 ns內(nèi)的工作時(shí)間為0.75 ns，實(shí)現(xiàn)了AB類功放驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)目標(biāo)，每周期的工作時(shí)間多于半個(gè)周期。