現(xiàn)今的行動電話、PDA、MP3播放器等可攜式設(shè)備都需要配備功率放大器來驅(qū)動微型揚聲器，且要求功率放大器待機功耗低、效率高、失真小，這些放大器可利用傳統(tǒng)的線性和開關(guān)技術(shù)來實現(xiàn)。開關(guān)放大器即所謂的D類放大器，能同時滿足低功耗(高效率)和高音質(zhì)的要求，但卻需要對輸出進行濾波處理，因而增加了執(zhí)行成本。本文介紹自適應(yīng)Q電流控制AB類功率放大器，可同時滿足對諧波失真、功耗以及成本的要求。
為了將大型輸出組件硬開關(guān)所產(chǎn)生不必要的能量輻射降至最低，設(shè)計者必須對PCB布局結(jié)構(gòu)和噪音濾波器的設(shè)計做出額外考慮，這些因素使得設(shè)計人員傾向采用線性放大器而非D類放大器。在多種模擬放大器中，AB類能滿足一定的總諧波失真(THD)和低功耗要求，一般來說，失真減少與輸出Q電流(IQ)成正比，但功率效率卻與其成反比。為了滿足這兩方面的要求，自適應(yīng)Q電流控制(AQC)技術(shù)便應(yīng)運而生。
AQC電路能按照輸出失真的程度來提高IQ，當沒有訊號輸入或感應(yīng)不到輸出失真時，它不會啟動。采用AQC電路設(shè)計功放在以1W功率驅(qū)動8Ω負載時，整個音訊頻寬的THD低于0.3%，且靜態(tài)下僅消耗2.6mA電流。
在5V電壓下向8Ω負載輸出1W功率時，需要采用如圖1所示的橋接負載結(jié)構(gòu)(BTL)。AMP1輸出顯示了由于輸出階段所產(chǎn)生的失真，這種失真會被AMP2放大，而AMP2的輸出則會受到失真和其自身產(chǎn)生的失真所影響，將使THD性能降低6dB。不過有一個非常簡單的方法，即引進BTL驅(qū)動電路并改動很少組件就可改變放大器的整體增益。
圖1所示的AQC單元由以下幾部份組成：微分放大器、整流器、增益級(AQ)和跨導(GMQ)。其中，失真值可透過比較兩個放大器的輸入而獲得。通常+/-輸入利用負反饋和高回路增益進行虛擬短接，然而隨著輸出失真增加，輸入會漸漸偏離虛擬接地點，這樣失真就會在輸入端出現(xiàn)。為了產(chǎn)生IQ控制訊號(IAQC)，無論所檢測的失真極性為何，都要使用整流器。經(jīng)整流的訊號將透過AQ放大，最后由GMQ產(chǎn)生IAQC，并流入AB類放大器的Q偏置電路。
圖2是一個AQC AB類放大器，失真電壓被轉(zhuǎn)換為源自MD1和MD2的電流ID1和ID2。如果ID1>ID2，MD17-18將被啟動；反之，MD15-16則被啟動。因此IAQC訊號與所檢測到的失真絕對值成正比，AQ增益由MD16和MD15(MD18和MD17)的比值決定。最后，IAQC訊號被傳輸?shù)組B2和MB5，這樣輸出失真就可自適應(yīng)地控制通過MPO和MNO的IQ電流。
在MPO和MNO之前插入的兩個緩沖器也可提升THD性能，這是由于緩沖器不但能增加放大器頻寬，還可提高閘驅(qū)動能力。圖3顯示了在溫度Tj=
當AQC被啟動時，將嚴重影響放大器的穩(wěn)定性，特別是在兩個輸出晶體管中只有一個被啟動的情況下，更容易引發(fā)穩(wěn)定性問題。圖4所示為高輸出電壓時的等效電路。AQC模擬為一個單極點系統(tǒng)，在P點有一個極點。由于采用了AQC，整個傳遞函數(shù)具有額外兩個極點和兩個零點，包括一個次要極點(P2)。兩個極點分別被置于P點和gmB3/CM2(P3)點，其中g(shù)mB3為MB3的跨導。就零點來說，兩個零點分別被置于P點下方和P3點上方。如果AQC能達到以下兩個條件，兩個零點即會成為RHP零點，嚴重影響穩(wěn)定性。這兩個條件是：AQC具有負增益(MD15-16接通)；AQC的整體增益頻率fuAQC高于主放大器的增益頻率。在本設(shè)計中，利用Cc1和Cc2使AQC的頻寬小于放大器的頻寬，因而保證了穩(wěn)定性。
在功率應(yīng)用中，由于DMOS技術(shù)采用垂直組件結(jié)構(gòu)(如垂直NPN雙載子晶體管)，因此具有很多優(yōu)點，包括高電流驅(qū)動能力、低Rds導通電阻和高擊穿電壓。然而，DMOS技術(shù)需要額外的加工制程和更高制造成本，故推薦使用傳統(tǒng)0.8微米10V BiCMOS制程經(jīng)濟制造的方案。為了增加輸出動態(tài)范圍，傳輸高電流的金屬線設(shè)計得越大越好。此外在VDD、接地端和輸出接腳處均采用雙焊接線。一般來說，輸出晶體管的DCGS比最低設(shè)計要求大一些，這是因為DCGS電阻器具有限流電阻器的作用，可提高抗ESD性能。本設(shè)計并沒有采用增大DCGS的方式，而是在漏極與源極電路大量采用二層金屬走線，以減少電阻的集中，因此本芯片能在HBM和MM模型下分別經(jīng)過±2.5kV和±300V ESD電壓測試。
為了說明本設(shè)計如何在高頻下有效消除交*干擾失真，圖5顯示了在8Ω負載、4Vpp和50kHz條件下的輸出波形。盡管這里的放大器是針對音訊應(yīng)用，其結(jié)果仍顯示采用AQC技術(shù)來實現(xiàn)低THD高頻放大器(如xDSL線路驅(qū)動電路)是可行的。圖6所示分別為THD+N及功率耗散與輸出功率的對比，在頻率為20kHz及輸出為1W時，THD+N僅為0.3%，1kHz和20kHz訊號的功率耗散僅有細微的差別，這是由于AQC在20kHz時才被啟動，故功率耗散僅增加了0.03W。
我司的AB類音頻功放IC資料請查閱：http://m.uxxk.cn/product_1017.htm
