本文中運(yùn)用兩個(gè)AB類輸出的運(yùn)放組成橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一個(gè)放大器的增益可由外部設(shè)置，而第二個(gè)放大器的增益是內(nèi)部固定的單位增益。第一個(gè)放大器的閉環(huán)增益由Rf和RI的比值來(lái)確定，第二個(gè)放大器的增益由內(nèi)部?jī)蓚€(gè)20 kΩ的電阻固定。圖l中可以看出，第一個(gè)放大器的輸出作為第二個(gè)放大器的輸入，這樣使得兩個(gè)放大器的輸出在幅值上是相等的，而相位上相差180°。因此，整個(gè)電路的差分增益為：
   
    橋式結(jié)構(gòu)的工作不同于經(jīng)典的單端輸出而負(fù)載另一端接地的放大器結(jié)構(gòu)。和單端結(jié)構(gòu)的放大器相比，橋式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。它可以差動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因此在工作電壓一定的情況下輸出電壓的擺幅可以加倍。在相同條件下，輸出功率是單端結(jié)構(gòu)的4倍。橋式結(jié)構(gòu)和單端結(jié)構(gòu)相比還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。由于是差分輸出，Vo1和Vo2偏置在1／2VDD，因此在負(fù)載上沒(méi)有直流電壓。這樣就不需要輸出耦合電容，而在單電源供電單端輸出的放大器中這個(gè)電容是必須的，沒(méi)有輸出耦合電容，負(fù)載上1／2VDD的偏置可以導(dǎo)致集成電路內(nèi)部的功耗和可能的響度損失。鑒于以上的種種優(yōu)點(diǎn)，這里選擇的電路結(jié)構(gòu)為，由兩個(gè)AB類輸出運(yùn)放組成的橋式連接放大器結(jié)構(gòu)。
1．2 放大器電路結(jié)構(gòu)
    放大器電路圖如圖2所示。放大器第一級(jí)為折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)改善了兩級(jí)運(yùn)算放大器的共模輸入范圍以及電源噪聲抑制特性。它可以看做是一個(gè)差分跨導(dǎo)級(jí)與電流級(jí)級(jí)聯(lián)再緊跟一個(gè)Cascode電流鏡負(fù)載的結(jié)構(gòu)。第二級(jí)為AB類推挽式輸出，這種輸出可以高效地利用電源電壓和電源電流。和一般共源共柵放大器所不同的是，在輸出端加入了M11，M12，M13，M14四個(gè)管子，使單端輸出變成了雙端輸出。這四個(gè)管子與偏置電路、第二級(jí)的推挽式輸出電路共同組成了兩個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)。

    跨導(dǎo)線性環(huán)是一個(gè)通過(guò)非線性電路提供線性關(guān)系的電路。圖2中M21，M13，M23，M24和M22，M12，M25，M26各組成了一個(gè)跨導(dǎo)線性環(huán)，容易得出：
   
    結(jié)果得到了一個(gè)與晶體管尺寸有關(guān)的電流表達(dá)式，由式中可以看出，輸出功率管M21的靜態(tài)電流由M13，M21，M23，M24的寬長(zhǎng)比與電流決定，與輸入信號(hào)無(wú)關(guān)。因此，預(yù)先設(shè)定好四個(gè)管子的寬長(zhǎng)比，給M13，M23，M24以固定的電流，輸出功率管的靜態(tài)電流就被確定下來(lái)了。但是運(yùn)放中加入四個(gè)MOS管是否不會(huì)影響運(yùn)放的其他性能。從信號(hào)通路的角度看，晶體管M11，M12，M13，M14中只流過(guò)直流電流，沒(méi)有交流電流從中通過(guò)，它們屏蔽了交流行為，對(duì)來(lái)自第一級(jí)的電流表現(xiàn)為一個(gè)無(wú)窮大的交流阻抗。這四個(gè)MOS管設(shè)置了輸出功率管的靜態(tài)電流，但是對(duì)于第一級(jí)的增益、帶寬均不起作用。所以放大器的增益仍然為：
   
    使用跨導(dǎo)線性環(huán)的目的是當(dāng)一個(gè)輸出晶體管流過(guò)大電流時(shí)，防止另一個(gè)輸出晶體管關(guān)斷。實(shí)際上，當(dāng)M21流過(guò)一個(gè)大的輸出電流時(shí)，M22就有可能被關(guān)斷。在流過(guò)大的輸出電流的情況下，至少要保證M22上能流過(guò)一個(gè)最小的電流，這樣就可以減少交越失真并且提高速度。
    對(duì)于這樣的多極點(diǎn)兩級(jí)運(yùn)放來(lái)說(shuō)，在輸出端電阻和電容串聯(lián)做米勒補(bǔ)償，以增大相位裕度，提高穩(wěn)定性。通過(guò)頻率補(bǔ)償，兩個(gè)主極點(diǎn)分別為：
   
式中：RA是從M9漏端到地的總阻抗；CA是M9漏端到地的總寄生電容；CL是輸出端的總電容。p1是第一級(jí)放大器的輸出端產(chǎn)生的極點(diǎn)，米勒補(bǔ)償后離原點(diǎn)最近，成為主極點(diǎn)；p2是輸出端產(chǎn)生的極點(diǎn)。米勒補(bǔ)償后離原點(diǎn)較遠(yuǎn)。同時(shí)由于電阻和電容形成了通路，產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)：
   
    適當(dāng)調(diào)節(jié)R，使z=p2，可使零點(diǎn)與第二主極點(diǎn)相互抵消，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 仿真結(jié)果及分析

    仿真性能參數(shù)如表1所示。用Cadence Spectre進(jìn)行仿真。使用了華潤(rùn)尚華0．5μm的N阱CMOS工藝模型，模擬環(huán)境是VDD=5 V，T=27 ℃典型條件。在5 V單電源下驅(qū)動(dòng)8 Ω負(fù)載。對(duì)于1 kHz，4 V峰一峰值的正弦波激勵(lì)，仿真得到負(fù)載上的電壓基波幅度為3．9l V。此時(shí)電源消耗的平均功率為3．15 W，功率放大器的效率為60．7％。總諧波失真為0．098％?？傮w上THD和效率隨輸入電壓變大而增加。放大器頻域響應(yīng)如圖3所示。

3 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)的AB類輸出功率放大器電路，采用折疊式共源共柵結(jié)構(gòu)，功率管推挽式輸出，同時(shí)利用外部電流源供電，采用低壓共源共柵電流鏡結(jié)構(gòu)的偏置電路。仿真結(jié)構(gòu)表明該運(yùn)放具有高增益，低輸入失調(diào)電壓，低THD等特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的頻率特性，較低的靜態(tài)功耗，滿足一塊高性能的AB類音頻功放芯片的要求。