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功率技術/新能源  

用於可攜音響設備的自適應Q電流控制AB類功率放大器

上網時間: 2004年01月31日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:power amplifier  class AB  BiCMOS  adaptive Q-current  portable equipment 

現今的行動電話、PDA、MP3播放器等可攜式設備都需要配備功率放大器來驅動微型揚聲器,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的線性和開關技術來實現。開關放大器即所謂的D類放大器,能同時滿足低功耗(高效率)和高音質的要求,但卻需要對輸出進行濾波處理,因而增加了執行成本。本文介紹自適應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。

為了將大型輸出元件硬開關所產生不必要的能量輻射降至最低,設計者必須對PCB佈局結構和噪音濾波器的設計做出額外考慮,這些因素使得設計人員傾向採用線性放大器而非D類放大器。在多種類比放大器中,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Q電流控制(AQC)技術便應運而生。

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不到輸出失真時,它不會啟動。採用AQC電路設計功放在以1W功率驅動8Ω負載時,整個音訊頻寬的THD低於0.3%,且靜態下僅消耗2.6mA電流。

在5V電壓下向8Ω負載輸出1W功率時,需要採用如圖1所示的橋接負載結構(BTL)。AMP1輸出顯示了由於輸出階段所產生的失真,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驅動電路並改動很少元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迴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。為了產生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。經整流的訊號將透過AQ放大,最後由GMQ產生IAQC,並流入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。最後,IAQC訊號被傳輸到MB2和MB5,這樣輸出失真就可自適應地控制通過MPO和MNO的IQ電流。

在MPO和MNO之前插入的兩個緩衝器也可提升THD性能,這是由於緩衝器不但能增加放大器頻寬,還可提高閘驅動能力。圖3顯示了在溫度Tj=120℃、8Ω負載、4Vpp 20kHz訊號和5V電源情況下,使用BSIM3V3模型得出的瞬變類比結果。如不採用AQC,PGATE和NGATE訊號分別在MPO與MNO截止態保持?壓;反之如應用AQC,每個訊號都會由失真量控制。

當AQC被啟動時,將嚴重影響放大器的穩定性,特別是在兩個輸出電晶體中只有一個被啟動的情況下,更容易引發穩定性問題。圖4所示為高輸出電壓時的等效電路。AQC類比為一個單極點系統,在P點有一個極點。由於採用了AQC,整個傳遞函數具有額外兩個極點和兩個零點,包括一個次要極點(P2)。兩個極點分別被置於P點和gmB3/CM2(P3)點,其中gmB3為MB3的跨導。就零點來說,兩個零點分別被置於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高於主放大器的增益頻率。在本設計中,利用Cc1和Cc2使AQC的頻寬小於放大器的頻寬,因而保證了穩定性。

在功率應用中,由於DMOS技術採用垂直元件結構(如垂直NPN雙載子電晶體),因此具有很多優點,包括高電流驅動能力、低Rds導通電阻和高擊穿電壓。然而,DMOS技術需要額外的加工製程和更高製造成本,故推薦使用傳統0.8微米10V BiCMOS製程經濟製造的方案。為了增加輸出動態範圍,傳輸高電流的金屬線設計得越大越好。此外在VDD、接地端和輸出接腳處均採用雙焊接線。一般來說,輸出電晶體的DCGS比最低設計要求大一些,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。本設計並沒有採用增大DCGS的方式,而是在漏極與源極電路大量採用二層金屬走線,以減少電阻的集中,因此本晶片能在HBM和MM模型下分別經過±2.5kV和±300V ESD電壓測試。

為了說明本設計如何在高頻下有效消除交叉干擾失真,圖5顯示了在8Ω負載、4Vpp和50kHz條件下的輸出波形。儘管這裡的放大器是針對音訊應用,其結果仍顯示採用AQC技術來實現低THD高頻放大器(如xDSL線路驅動電路)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,這是由於AQC在20kHz時才被啟動,故功率耗散僅增加了0.03W。

作者:Jong-Tae Hwang


Han-Seung Lee


Fairchild公司電源產品部門




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