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AB类驱动放大器 -2

AB类驱动放大器 -2

 

带有跨线性电路的 IQ 控制 ( IQ Control with translinear circuits )

AB 类输出级也可以被跨线性电路偏置,如前面解释的;跨线性环路是一种利用非线性电路提供线性关系的电路,最简单的例子是一个电流镜,这两个晶体管都有非线性的电流-电压关系,但电流增益是完全线性的,不过这两个晶体管之间的电压却严重失真。

由晶体管MA2/MA4和MA9/MA10形成一个跨线性环路, 它们的VGS之和相等。 通过MA9-MA10的电流由直流电流源(本例中约为4uA)设置,通过MA4的电流也由前级的直流电流(在本例中也约4uA)设置。只有通过大输出晶体管MA2的电流还不知道。

然后由下图的表达式定义其电流, 所有晶体管尺寸W/L 均已知,所有参数VT和K’p 均已抵消,因此我们得到了一个连接电流与晶体管尺寸的表达式。通过晶体管MA2的电流IDS2比通过晶体管MA9的电流大约大120 倍,现在已经定义好了,它与电源电压无关。

然而这个环路的一个缺点是,由于IDS9 是常数,所以只有当IDS4变成零时,IDS2才会变大。晶体管MA4对大的驱动器关闭,并限制输出电流。

 

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图 1     跨线性环路的静态电流控制

 

下图展示了这样一个跨线性环路的实际例子,晶体管MA2/MA4和MA9/MA10实际上是复制上一张图的,它们形成了一个跨线性的环路。这也适用于晶体管MA1/MA3,它们和MA5/MA6形成了一个跨线性环路, 因此输出晶体管中的静态电流由上一个图中的表达式给出。现在很容易看到直流电流是从哪里来的,通过MA9/MA10的电流形成一个直流偏置电流镜,通过MA4的直流电流来自于nMOST 第一级末尾的pMOST差分电流放大器M11-14,(该电流流过 pMOST 第一级末端的nMOST差分电流放大器M5-8)该电流在 pMOST 第一级结束时流过 nMOST 差分电流放大器 M5-8。

通过 MA9/MA10 的电流形成直流偏置电流镜。 通过 MA4 的直流电流来自 nMOST 第一级末端的 pMOST 差分电流放大器 M11-14。

晶体管 MA3 和 MA4 也承载此 DC 电流,但不承载 AC 电流。 它们被引导出来用于 AC 行为, 它们对来自第一级的电流呈现无限大的交流阻抗, 这如下图所示。

 

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图 2     跨线性环路的案例

 

输出级显示了三次,但越来越简化。首先请注意,由第一级的电流差分放大器提供的电流处于同相状态,第一级的输出阻抗详见下图中第二个图,晶体管MA3和MA4被第三个图中的阻抗Z 取代。由于两个输入电流具有相同的相位,因此它们都使输出晶体管的栅极增加大约相同的电压,阻抗 Z上几乎没有交流电压降,它被引导出来。它并不出现在增益Av 的表达式中。

晶体管MA3和MA4只在跨线性环路中起作用,以通过输出器件设置静态电流,他们并没有在 GBW的获得中发挥作用。晶体管MA3和MA4也携带这个直流电流,但没有交流电流。它们被引导为AC 行为,它们对来自第一级的电流有无限的交流阻抗。

 

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图 3     输出级,增益

 

在该放大器中发现了一个类似的设置通过输出器件的静态电流的跨线性环路, 它是一个两级放大器,补偿电容通过级联M14和M16连接到第一级的输出。具有输出晶体管M25的跨线性环路被突出显示,输出晶体管M26也有类似的情况。

同样,晶体管 M19/M20被引导出来以实现交流性能,第一级是轨对轨输入级,上章已讨论过。

 

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图 4     跨线性环路的 AB 类放大器

 

这也是一个两级放大器,一个单端折叠的共源共栅是第一级,第二级电路由两个输出晶体管组成。晶体管M13/M15和M16/M18在第一级的输出和输出晶体管的栅极之间形成宽带电平转换器,它们被引导到交流信号中。输出晶体管中的静态电流由两个跨线性环路设置, 输出晶体管M11和M13与晶体管M23和M21形成跨线性环路,晶体管M13和M21相等,并且携带的电流相等,M11中的静态电流由晶体管 M23设置。这同样适用于M22/M20和M12/M14 组成的跨线性环路。

 

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图 5     有电压多路选择器的 AB 类运放

 

这是一个嵌套米勒补偿的三级放大器, 高阻抗节点上有大(红色)点标记;输入级由两个折叠共源共栅组成,gm−均衡由晶体管M5、电阻R1和之后的电流镜完成。当平均输入电压增加时,pMOST 缓慢关闭,但通过电阻R1的电流增加,从而增加了输入nMOST中的电流。这是一个简单的解决方案,然而电阻的使用使这个解决方案取决于电源电压。

第二级是差分对,其中一个输出直接连接到输出 nMOST  M53的栅极,其他输出必须先倒置,才能应用到输出 pMOST M52,AB 类级的输出器件必须始终同相驱动。

设置静态电流的跨线性环路突出显示在这里 它们很容易被识别。 该放大器可以驱动 4000 pF, 它可以吸收和提供大约 100 mA 的电流; 在 2.5 V 时,大约是 0.6 mA, 它的 GBW 是 1 MHz。 它的主要缺点是它的压摆率不够高,导致一些交叉失真,

 

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图 6      三级改良的电流镜

 

这是一个三级放大器的第三级,下图显示了由第二级产生的互补输入电压 vin,最上面的一个直接加在pMOST 输出晶体管M2上 ,互补输入−vin 被倒置并应用于nMOST 输出晶体管M1,该晶体管被复制到M3,但要小了M倍,因此通过M3和M4的电流是通过M1的电流的量度。现在已经形成了一个三重跨线环路,其中两个包括输出晶体管,它们是M2/M12和M4/M11,它们被添加到电流镜M9/M7中;第三个是M15/M13+14,它们被添加到电流镜M10/M8中。

这些环路的目的是,当另一个携带一个大电流时,防止一个输出晶体管关闭。事实上当晶体管M2提供较大的输出电流时,M1可以关闭。即使对于较大的输出电流,也必须保证通过M1的最小电流,这降低了交叉失真,并增加了速度。如果通过M1的电流非常小,则通过M3和M4的电流也很小,结果VGS11变得更大。对于M2中的大电流,VGS12会变得更小。通过M11和M12的两个电流的乘积由通过M15的参考电流设置,它们不能低于某个值。

 

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图 7     跨线性的 IQ 控制-1

 

完整的放大器显示在下图,这三个级被用来增加增益,产生非常低的失真。第一级和第二级是对称的放大器,第三级由两个输出器件组成,具有上图中描述的静态电流控制,应用了嵌套米勒补偿方法。

它的 GBW 是 5 MHz, 它在 10 kHz ,在 81Ω 与 15 pF 并联时仅提供 −80 dB THD, 静态电流为 1.4 mA。

 

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图 8     跨线性的 IQ 控制-2

 

在这个两级放大器中,使用一个跨线性环路来控制静态电流,然而它被同时用来提供共模反馈。这个原则相当直观:在输入处使用一个全差分放大器,一个输出直接驱动输出晶体管M2,另一个必须先倒置。由于输出具有差分输出,因此需要使用CMFB。该电路设置平均输出电压,该电压同时用于控制输出器件的VGS值,从而也控制输出晶体管中的静态电流。接下来给出了完整的电路原理图。

 

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图 9     有差分驱动的 AB 类放大器

 

输入级是一个全差分的轨对轨放大器,它的输出被标记有大的(红色的)点,其中一个直接连接到nMOST 输出晶体管,另一个是先倒过来。差分输出需要共模反馈,这是通过使用晶体管 M20/M21 测量两个输出来实现的,它们的源极连接在一起,以消除差分信号,该共模信号随后通过共源共栅 (M22) 供给到具有晶体管M23、M16B和M17B的电流镜中。

相同的晶体管是设置输出级静态电流的跨线性环路的一部分,对于nMOST 输出晶体管,该环路由晶体管M2/M21和M22/M5 组成;对于pMOST 输出晶体管,转而采用M4,于是环路由晶体管M4/M20,同样是和M22/M5组成。第一级设置平均输出电压的也用于设置输出器件的VGS,从而设置静态电流。

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图 10     差分驱动级

 

这个AB类放大器使用一个单独的运放来驱动所有四个输出器件的栅极,负载连接在两个输出电压之间,因此它是浮动的。即使输出器件进入线性区域,这些运放也需要提供足够的增益,结果失真总是很小。驱动输出晶体管 M58 的放大器 EP 也被勾画出来, 反馈回路没有闭合。

它是带有输入器件 M51/M52 的传统电压放大器, 负载电流镜被两个共源共栅分流,但 M55/M56 限制增益(约 7),再次减少失真。

静态电流由跨线性环路 M58/M55和M57/M56设置,使得通过输出晶体管的电流约为M58与M57之比的IB2倍。

 

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图 11     高线性度AB 类放大器-1

 

在完整的电路图上,四个输出晶体管及其放大器很容易识别,放大器显示为单位增益反馈。实际上这是一个三级放大器,输入级是一个折叠的共源共栅,应用了分布式米勒补偿,而不是嵌套米勒,这种补偿方法的透明度要低得多,CMFB 放大器位于中间,带有M20/M21和R2/R3。

 

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图 12     高线性度AB 类放大器-2

 

下图展示了一个三级AB 类放大器, 它使用前馈来提高高频性能。第一级是单端的,这对CMRR 并不好;第二级是一个使用电流镜的非反相放大镜;第三级再次由pMOST 和nMOST 器件漏极到漏极组成,nMOST由一个射随器驱动以驱动CGS8大电容器,pMOST由一个电平转换器 M10/M11驱动,自举用于交流操作。

补偿不是嵌套米勒补偿的纯粹情况,补偿电容器Cc 决定了GBW,其他电容提供前馈。输出晶体管中的静态电流由两个跨线性环路设置,包括用于 pMOST 输出晶体管 M9 的 M9/M11 和 M17/M12,以及用于 nMOST 的 M8/M10 和 M13/M15。总电流消耗(在5V时)为0.35mA,大约22nA 可以输送到低电阻负载上。

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图 13     有前馈的三级 AB类放大器

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