一款改进型AB类音频功率放大器的设计

图2所示的ClassAB输出级能够达到Rail-to-Rail的输出电压范围，并且相比于ClassA输出能够获得较大的输出电流和较小的静态电流，因而具有近似于ClassB输出级的功效；而输出级栅上的电压VAB所产生的静态电流，使得输出晶体管在没有静态工作时仍然开启，从而消除了ClassB输出级的交越失真。对于ClassAB输出级的设计，通常要求输出灌电流Ipush和拉电流Ipull不受到电源电压和工艺波动的影响，同时要求输出级静态电流IQ较小且与电源电压和工艺波动无关。图2所示的ClassAB输出级灌电流Ipush由M1～M4的栅源电压决定，拉电流Ipull由M5～M8的栅源电压决定，如式(4)～式(6)所示，假设晶体管工作在饱和区

由式(11)和式(12)可以看到，图2所示的CLASSAB输出级灌电流Ipush和拉电流Ipull不会受到电源电压和工艺波动的影响；而静态电流IQ也可以精确控制，与电源电压和工艺波动无关。
在Rail-to-Rail输出级中，AB类传输函数可通过保持输出管栅极间电压恒定来实现。由于用AB类前馈式输出采用晶体管实现栅极间耦合，比采用电阻的AB类反馈式输出更节省电路面积，具有良好的高频特性，几乎不会增加输出级的功耗，同时降低了该栅极间电压对电源、工艺的敏感性，并且适用于低压运放，所以在设计中采用前馈式AB类控制。因为浮动电流源同AB类控制具有相同的结构，所以共源共栅电流镜对电源的依赖性补偿了AB类控制对电源的依赖性。这样，推挽输出管的静态电流对电源纹波不再敏感。
2．2 一种改进型AB类输出结构
针对输出级的设计，在AB类前馈非截止型输出级电路的基础上，提出了一种改进型AB类输出级的设计，采用准B类互补共源放大器控制全摆幅输出级，其工作原理如图3所示。

由图3可知，音频输入信号经过输入级产生差分信号Iin+，Iin-，输出信号又分别进入下一级差分放大器A直接控制输出功率管的栅极电压，从而实现Rail-to-Rail AB类输出。静态时，bIB1=IM4，aIB2=IM2，令a=K2／K1，b=K4／K3，当IB1=IB2时可以得出输出级的静态电流Iout=aIB1=bIB2。
当运放正常工作时，输出级电流为
IM2=a(A△I+IB1)
IM4=b(-A△I+IB2) （13）
其中，A为差分放大器A的增益，△I=Iin+-Iin-，该差分放大器的具体电路如图4所示。

在图4中，一组差分放大器由M15，M16，M17，M18，M19，M20，M21，M22，M23，M24，M25组成，输出级为Voutn，用来直接驱动PowerNM OS管的栅极。当差分输入端INP比INN电压低时，Voutn端电流会变大，而由于M16，M17为电流镜结构，所以多余的电流通过M18到地，而M18，M15又为电流镜结构，故M18，M15漏电流基本相等，增加的电流通过M22镜像给M23使运放的电流变大，实现正反馈。同样当INN端电压低于INP端电压时，流过M18的电流减小，从而减小运放所消耗的电流。M18的二极管连接可以确保Voutn端有一个最低电压，进而保证PowerNMOS管始终不会关断。
另一组差分放大器由M26，M27，M28，M29，M30，M31，M32，M33，M34，M36，M37组成，输出级为Voutp，用来直接驱动PowerPMOS管的栅极。具体电路实现方式与前一个运放相同，M28的二极管连接确保Voutp端有一个最高电压，从而使PowerPMOS管始终不会关断。
通过两个运放分别控制两个功率管，避免因PMOS管与NMOS管的不匹配而引起的误差，同时可以通过调节两个运放的增益进而控制两个功率管的栅压，使功率管在要求的功率指标内有最小的宽长比，进而节约芯片的面积。两个二极管连接的MOS管M18，M28分别保证两个功率管在任何状态下输出电流都不为零，改善了输出的失真特性。

3 整体电路实现
运算放大器的整体电路如图5所示。

由图5可知，Ibias为电流源偏置，通过电流镜结构为整个运放提供恒定的电流，输入级采用电流抵消技术提高输入阻抗，输入信号由双端输入再由双端输出，提高了输入信号的增益的同时又分别作为下一级差分运放的输入，经过两级放大，从而提高了输入信号对功保两个功率管在静态时工作在微导通状态，从而避免了CLASSB中由于功率管截止而导致的交越失真。为保证运放稳定工作，在电路第一级加入了密勒电阻电容网络，适当选取其取值，可以将运放的相位裕度补偿至60℃以上，达到稳定性要求。由于运放工作于放大状态时输出管p管和n管之间的小信号电阻较小，输出管p管和n管没有必要做密勒补偿，而第一级放大器输出端在运放工作时输出电阻较大，所以要在该点做密勒补偿。

4 仿真结果与讨论
对该运放采用0．35μm CMOS数模混合工艺，用Cadence仿真工具进行仿真验证，仿真环境为：电源电压Vdd=5 V，Rload=32 Ω，T=27℃，典型条件下，运算放大器的幅频，相频特性如图6所示，电路的直流开环增益为97．4 dB，相位裕度为84°，单位增益带宽为4．23 MHz。运放主要性能指标的仿真结果如表1所示。