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1、前如今的蜂窝电话、PDA、MP3 播放机等便携式设备都需要配备功率放大器来驱动微型扬声器，且要求功率放大器待机功耗低、效率高、失真小，这些放大器可利用传统的线性和开关技术来实现。开关放大器即所谓的 D 类放大器，能同时满足低功耗(高效率)和高音质的要求，但却需要对输出进行滤波处理，因而增加了运行成本。本文介绍自适应 Q 电流控制 AB 类功率放大器，可同时满足对谐波失真、功耗以及成本的要求。 为了将大型输出器件硬开关所产生不必要的能量辐射降至最低，设计者必须对 PCB 布局结构和噪声滤波器的设计做出额外考虑，这些因素使得设计人员倾向采用线性放大器而非 D 类放大器。在多种模拟放大器中，AB 类
2、能满足一定的总谐波失真(THD)和低功耗要求，一般来说，失真减少与输出 Q 电流(IQ)成正比，但功率效率却与其成反比。为了满足这两方面的要求，自适应 Q 电流控制(AQC)技术便应运而生。 AQC 电路能按照输出失真的程度来提高 IQ，当没有信号输入或感应不到输出失真时，它不会激活。采用 AQC 电路设计的功放在以1W 功率驱动 8 负载时，整个音频带宽的 THD 低于 0.3%，且静态下仅消耗 2.6mA 电流。 在 5V 电压下向 8 负载输出 1W 功率时，需要采用如图 1 所示的桥接负载结构(BTL)。AMP1 输出显示了由于输出阶段推挽作用所产生的失真，这种失真会被 AMP2 放大
3、，而 AMP2 的输出则会受到失真和其自身产生的失真所影响，将使 THD 性能降低 6dB。不过有一个非常简单的方法，即引进 BTL 驱动电路并改动很少元件就可改变放大器的整体增益。 AQC 单元由以下几部分组成：微分放大器、整流器、增益级(AQ)和跨导(GMQ)。其中，失真值可通过比较两个放大器的输入而获得。通常+/-输入利用负反馈和高回路增益进行虚拟短接，然而随着输出失真增加，输入会渐渐偏离虚拟接地点，这样失真就会在输入端出现。为了产生 IQ 控制信号(IAQC)，无论所检测的失真极性为何，都要使用整流器。经整流的信号将通过 AQ 放大，最后由 GMQ 生成 IAQC，并流入 AB 类放大
4、器的 Q 偏置电路。 在 MPO 和 MNO 之前插入的两个缓冲器也可提升 THD 性能，这是由于缓冲器不但能增加放大器带宽，还可提高门驱动能力。图 3 显示了在温度 Tj=120、8 负载、4Vpp 20kHz 信号和 5V 电源情况下，使用 BSIM3V3 模型 得出的瞬变模拟结果。如不采用AQC，PGATE 和 NGATE 信号分别在 MPO 与 MNO 截止态保持恒压；反之如应用 AQC，每个信号都会由失真量控制。 当 AQC 被激活时，将严重影响放大器的稳定性，特别是在两个输出晶体管中只有一个被激活的情况下，更容易引发稳定性问题。图 4所示为高输出电压时的等效电路。AQC 模拟为一个
5、单极点系统，在P 点有一个极点。由于采用了 AQC，整个传递函数具有额外两个极点和两个零点，包括一个次要极点(P2)。两个极点分别被置于 P 点和 gmB3/CM2(P3)点，其中 gmB3 为 MB3 的跨导。就零点来 说，两个零点分别被置于 P 点下方和 P3 点上方。如果 AQC 能达到以下两个条件，两个零点即会成为 RHP 零点，严重影响稳定性。这两个条件是：AQC 具有负增益(MD15-16 接通)；AQC 的整体增益频率fuAQC 高于主放大器的增益频率。在本设计中，利用 Cc1 和 Cc2使 AQC 的带宽小于放大器的带宽，因而保证了稳定性。 在功率应用中，由于 DMOS 技术采
6、用垂直器件结构(如垂直 NPN 双极晶体管)，因此具有很多优点，包括高电流驱动能力、低 Rds 导通电阻和高击穿电压。然而，DMOS 技术需要额外的加工工艺和更高制造成本，故推荐使用传统 0.8 微米 10V BiCMOS 工艺经济制造的方案。为了增加输出动态范围，传输高电流的金属线设计得越大越好。此外在 VDD、接地端和输出引脚处均采用双焊接线。一般来说，输出晶体管的 DCGS 比最低设计要求大一些，这是因为 DCGS 电阻器具有限流电阻器的作用，可提高抗 ESD 性能。本设计并没有采用增大 DCGS 的方式，而是在漏极与源极电路大量采用二层金属走线，以减小电阻的集中，因此本芯片能在 HBM 和 MM 模型下分别通过2.5kV 和300V ESD 电压测试。 为了说明本设计如何在高频下有效消除交叉干扰失真，尽管这里的放大器是针对音频应用，其结果仍表明采用 AQC 技术来实现低THD 高频放大器(如 xDSL 线路驱动电路)是可行的。图 6 所示分别为 THD+N 及功率耗散与输出功率的对比，在频率为 20kHz 及输出为 1W 时，THD+N 仅为 0.3%，1kHz 和 20kHz 信号的功率耗散仅有细微的差别，这是由于 AQC 在 20kHz 时才被激活，故功率耗散仅增加了 0.03W。 文章来自 外汇城论坛 www.fx.cc
