一款改進型AB類音頻功率放大器的設計

摘要 設計了一種全差分高增益AB類音頻功率放大器。該運算放大器利用電流抵消技術以提高增益，并采用一種改進型AB類推挽式輸出級結構得到大電流驅動能力和寬擺幅。在0．35μm CMOS工藝條件仿真得到該運算放大器在5 V電源電壓下，開環增益為97．4 dB。輸出擺幅范圍0．07～4．91 V，靜態功耗2．96 mW，功率管的面積0．2 mm2，在保證一定指標的前提下節省了芯片面積。
關鍵詞 音頻功率放大器；電流抵消技術；AB類推挽式輸出級；寬擺幅

隨著經濟發展與生活水平的提高，越來越多的便攜電子設備出現。如MP3／MP4、手機、移動DVD、電子書等。大部分便攜電子設備都有音頻輸出功能，因此需要使用一個音頻功率放大器芯片。工程師在產品設計中，對音頻功放的要求是：設計簡單、芯片面積小、輸出功率大、制造成本低。由于便攜產品多是電池供電，因此還需要音頻功放耗電少、效率高，以延長電池的使用壽命。目前應用于便攜設備中的音頻功率放大器，主要分為AB類和D類兩種，其主要區別是放大器分別工作在線性區和開關狀態。
AB類音頻功率放大器工作在線性區，因其技術成熟、音頻性能優異、應用簡單、價格低等優勢，一直在小功率音頻放大器市場中占據主流。AB類音頻功放已被廣泛應用于各種音頻產品。考慮到AB類音頻功放能夠提供高品質的信號放大性能，因此適合耳機和一些小功率喇叭的應用。AB類音頻功率放大器對輸出運算放大器的主要技術指標包括：高開環增益、共模抑制比、電源抑制比、單位增益頻率以及低功耗、失調電壓等，而輸出功率管的交越失真也是設計中需要避免的。AB類輸出運算放大器的主要特點是：晶體管的導通時間稍大于半周期，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。
設計了一種改進的AB類音頻功率放大器，輸入級采用電流抵消技術，提高了交流增益，中間級采用兩個獨立的運算放大器分別驅動兩個功率管的柵極，避免了因為兩個功率管之間的不匹配對輸出級造成的影響，同時運用前級增益放大技術，提高了功率管的驅動能力，使輸出具有大功率、高效率且節省芯片的面積。

1 放大器輸入級的設計
音頻功放輸入級的主要目的是抑制共模信號，且其性能對集成運放的其他性能指標起決定性作用，是提高集成運放質量的關鍵。為達到上述目標，輸入級常采用差分放大電路的形式。因為它的直流失調量小，線性也遠比單管輸入級好，共模信號的抑制能力強，具有很強的抗于擾能力，很小的溫漂、級間容易直接耦合。如果采用普通的差分輸入級作為功率放大器的輸入級，則在保證穩定工作的前提下，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：長尾式和恒流源式。根據集成電路的工藝特點，集成電路中常用恒流源式差分電路作為輸入級。
為最大限度提高放大器的交流增益，設計了一種新型的差分運放輸入級，采用電流抵消技術，提高了輸入級增益。輸入級的具體電路如圖1所示。

將M9和M10作為PMOS差分輸入對，M7和M8為輸入對提供固定的偏置電流，M11，M12與M13，M14形成有源負載，提高了輸出阻抗，有益于提高輸入級的增益。電壓Va，Vb由偏置電路提供。為進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域，即M9，M10工作在亞閾值區。首先分析電路的輸入電壓擺幅，適當設置M7，M8的偏置電壓以提供足夠的輸入級偏置電流。PMOS差分對M9，M10工作在亞閾值區，根據亞閾值區的定義，輸入差分管M9，M10的柵源電壓

由式(1)～式(3)可以看出，工作在亞閾值區比工作在飽和區的運放輸入共模范圍大，這對于低電源電壓運放有利。
為得到更大的增益，文中采用電流抵消技術。將兩個MOS管M12，M13交叉耦合可得到一個兩級的正反饋放大器，結果是差分電阻變為2／(gm14-gm13)，圖中M11，M12，M13，M14的尺寸均相等，跨導也相等。因此對于輸入器件提供了準無窮大的電阻，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合應該使用PMOS晶體管。