一款改进型AB类音频功率放大器的设计

摘要 设计了一种全差分高增益AB类音频功率放大器。该运算放大器利用电流抵消技术以提高增益，并采用一种改进型AB类推挽式输出级结构得到大电流驱动能力和宽摆幅。在0．35μm CMOS工艺条件仿真得到该运算放大器在5 V电源电压下，开环增益为97．4 dB。输出摆幅范围0．07～4．91 V，静态功耗2．96 mW，功率管的面积0．2 mm2，在保证一定指标的前提下节省了芯片面积。
关键词 音频功率放大器；电流抵消技术；AB类推挽式输出级；宽摆幅

随着经济发展与生活水平的提高，越来越多的便携电子设备出现。如MP3／MP4、手机、移动DVD、电子书等。大部分便携电子设备都有音频输出功能，因此需要使用一个音频功率放大器芯片。工程师在产品设计中，对音频功放的要求是：设计简单、芯片面积小、输出功率大、制造成本低。由于便携产品多是电池供电，因此还需要音频功放耗电少、效率高，以延长电池的使用寿命。目前应用于便携设备中的音频功率放大器，主要分为AB类和D类两种，其主要区别是放大器分别工作在线性区和开关状态。
AB类音频功率放大器工作在线性区，因其技术成熟、音频性能优异、应用简单、价格低等优势，一直在小功率音频放大器市场中占据主流。AB类音频功放已被广泛应用于各种音频产品。考虑到AB类音频功放能够提供高品质的信号放大性能，因此适合耳机和一些小功率喇叭的应用。AB类音频功率放大器对输出运算放大器的主要技术指标包括：高开环增益、共模抑制比、电源抑制比、单位增益频率以及低功耗、失调电压等，而输出功率管的交越失真也是设计中需要避免的。AB类输出运算放大器的主要特点是：晶体管的导通时间稍大于半周期，必须用两管推挽工作，以抑制偶次谐波，减小交越失真，效率较高，晶体管功耗较小等。
设计了一种改进的AB类音频功率放大器，输入级采用电流抵消技术，提高了交流增益，中间级采用两个独立的运算放大器分别驱动两个功率管的栅极，避免了因为两个功率管之间的不匹配对输出级造成的影响，同时运用前级增益放大技术，提高了功率管的驱动能力，使输出具有大功率、高效率且节省芯片的面积。

1 放大器输入级的设计
音频功放输入级的主要目的是抑制共模信号，且其性能对集成运放的其他性能指标起决定性作用，是提高集成运放质量的关键。为达到上述目标，输入级常采用差分放大电路的形式。因为它的直流失调量小，线性也远比单管输入级好，共模信号的抑制能力强，具有很强的抗于扰能力，很小的温漂、级间容易直接耦合。如果采用普通的差分输入级作为功率放大器的输入级，则在保证稳定工作的前提下，放大器的交流增益比较低，差分电路形式主要有两种基本形式：长尾式和恒流源式。根据集成电路的工艺特点，集成电路中常用恒流源式差分电路作为输入级。
为最大限度提高放大器的交流增益，设计了一种新型的差分运放输入级，采用电流抵消技术，提高了输入级增益。输入级的具体电路如图1所示。

将M9和M10作为PMOS差分输入对，M7和M8为输入对提供固定的偏置电流，M11，M12与M13，M14形成有源负载，提高了输出阻抗，有益于提高输入级的增益。电压Va，Vb由偏置电路提供。为进一步提高输入共模范围，该电路的主通路上的晶体管可以工作在亚阈值区域，即M9，M10工作在亚阈值区。首先分析电路的输入电压摆幅，适当设置M7，M8的偏置电压以提供足够的输入级偏置电流。PMOS差分对M9，M10工作在亚阈值区，根据亚阈值区的定义，输入差分管M9，M10的栅源电压

由式(1)～式(3)可以看出，工作在亚阈值区比工作在饱和区的运放输入共模范围大，这对于低电源电压运放有利。
为得到更大的增益，文中采用电流抵消技术。将两个MOS管M12，M13交叉耦合可得到一个两级的正反馈放大器，结果是差分电阻变为2／(gm14-gm13)，图中M11，M12，M13，M14的尺寸均相等，跨导也相等。因此对于输入器件提供了准无穷大的电阻，获得更大的交流增益，为Av=gm10／(gm14-g13)。
采用PMOS管作为放大器的输入管是为了降低闪烁噪声，根据MOS管的特性，PMOS晶体管的闪烁噪声为NMOS晶体管的1／2～1／5。因此，在需要减小闪烁噪声的重要场合应该使用PMOS晶体管。

2 AB类输出级的设计
运放的输出级是音频功放芯片的核心部分，占绝大部分版图面积，其性能和集成度直接影响整个音频功放芯片的各性能参数及其面积大小。
传统反馈型AB类输出级电路需要两个工作点不同的同相输入信号，其复杂性导致其频率特性较差，带宽无法做到很高；如果输出晶体管进入深度截止，就会造成输出级的动态特性差，所以希望输出晶体管始终处于非截止工作区。
2．1 前馈无截止型AB类输出级
音频功放典型的输出级采用一种前馈无截止型AB类结构，得到了一种结构简单，易于实现、性能稳定、电源利用率高、输出动态失真小、应用范围广的运算放大器。其电路原理图如图2所示。