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。