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AB类驱动放大器 -3

AB类驱动放大器 -3

电流反馈和其他结构 ( Current Feedback and other Principles )

 

用于定义输出晶体管中的静态电流的跨线性电路具有最大输出电流受到限制的缺点, 因此还探讨了其他几个 结构,第一个是应用电流反馈来获得扩展特性。

下图展示了一个简单但电流非常高效的实现,左边是一个传统的差分对加载一个折叠的级联,其输出电流仅为B乘以差分对的环形电流,电流方向由箭头表示,这个输出电流限制在B倍的Ibias,因为每个差分对都有一个限制特性。仅仅增加一个晶体管就会大大改变运行,并将这一级转换为AB类放大器。增加晶体管M4B,并与M4A形成电流镜,它向差分对提供电流反馈。现在有两个相等的电流从电源处流出,第一个流经晶体管M2A、M1A和M4B,另一个流经M2B、M3和M4A,并乘以 B 朝向输出;这些电流不受偏置电流Ibias的限制,它们可以很大,取决于根据晶体管的尺寸大小,它们具有可扩展的或AB类的特征。

显然,这些电流只能增加。 现在需要在输入端带有 pMOST 的另一个级具有双向扩展电流, 这在如下所示。

 

图 1   电流反馈

 

第一个nMOST输入电流反馈级与一个pMOST级并联,它们的输出电流镜像到高阻抗输出节点,用一个大(红色)点标记;第二个类似的nMOST/pMOST电流反馈级作为输出级,因此这是一个二级放大器,米勒的补偿电容清晰可见。

输入处的并联nMOST/pMOST对提供了几乎轨对轨的输入能力,事实上对于低输入共模电压,nMOSTs关闭,但pMOSTs接管,反之亦然。由于二极管连接的晶体管M2a(在第一级),实际上无法到达轨本身。两条电源线都损失了大约0.1V,不提供gm-均衡。

对于10kΩ/100pF负载,GBW为0.37MHz,功耗为0.25mW(适用于±5V电源电压)。

 

图 2   有电流反馈的二级米勒放大器

 

这个放大器有两个并联的输出级,顶上的使用一个源随器,它可以提供中度电压的摆动,但失真非常低;然而大部分增益和电流(功率)来自底部放大器。它由两个误差放大器组成,然后是两个输出晶体管,漏极到漏极。误差放大器(下图右面)内置了一些补偿量,以便对小输出信号关闭输出器件,这样它们就不会产生交叉失真,源随器放大器执行所有的任务。

对于大的输出摆动,源随器放大器不再能跟上,AB类功率放大器仍然可以提供轨到轨的输出摆动,即使输出器件最终在线性区域,误差放大器仍然能提供足够的增益。

低失真源随器放大器中的静态电流由晶体管MO16/MO19和MO17/MO20组成的跨线性环路设置。通过MO17/17的直流电流设置输出器件MO19/20中的电流。对于1kΩ/150pF负载,压摆率为7V/us,GBW为5.5MHz,功耗为6.5mW(±5V),等效输入噪声为10nVRMS/√Hz,这相当的低

 

图 3   低失真对称 AB类放大器

 

低电压实现 ( Low Voltage Realization)

最新的工艺使用较小的沟道长度,因此电源电压也变小了;1.5V及以下的电源电压需要AB类级,跨线性电路不再能使用,下面给出了几个例子:

在低电源电压下,电路变得更简单。在这个1.5V放大器中,输入级是一个折叠级联,接下来是一个输出级,其中输出pMOST直接连接到输入级的输出。然而输出的nMOST驱动却非常不同,它导致电流镜M23/M24进行两个倒置,要留意输出晶体管必须以同相方式驱动,这就产生了额外的极点,必须得到补偿。我们使用了两个技巧:第一个是输出晶体管 M25 周围的本地反馈,带有电阻 Rsh, 这种并联-并联反馈确实降低了输入和输出的阻抗;第二个技巧是引入一个具有时间常数RzCz的零点,这必须调到其中一个非主导极点,这当然不是那么容易

输出器件中的静态电流并没有被很明确地定义,电阻Rsh的局部反馈降低了该电流的变化,然而它永远不会真正独立于电源或输出电压。

 

图 4   1.5 伏电源电压的AB类放大器

 

下图中显示了一个更简单的低压AB类放大器,仅显示了输出级,它由两个具有电流系数β的电流镜组成,它们由两个并联的但具有不同大小的输入器件驱动,事实上,晶体管M1比晶体管M2大(1+α)倍。pMOST的顶部电流镜被αI偏置,nMOST的底部电流镜也同样被偏置;这些是静态电流,定义很明确。

这个驱动器的主要优点是A点和B点可以有非常大的摆动。输出级可以吸收和提供比静态电流大得多的电流。对于例如在点B上的大电压,VGS8变得非常大,但VDS8受到级联M6的限制,晶体管M8进入线性区域,这在某种程度上抵消了输出电流的增加,这个电流仍然比一个跨线性环路要大得多。

 

图 5   1.5 伏AB类驱动器原理

 

完整的放大器显示在下图,第一级是一个简单的差分对,然后是一个电流镜来驱动输出级。只能分辨出两个高阻抗点。电容Cm1连同gm1设置GBW,电容器 Cm2 和 Cm3 只看到小电阻,并没有那么有效。

 

图 6   1.5 伏AB类驱动器放大器

 

在这个放大器中使用了一些类似静态电流的原理,它是一个二级放大器,可以在低电源电压下工作。输入器件为横向pnp晶体管,实际上它们是pMOSTs,其中源-衬底二极管是正向偏置的,它们表现出非常低的1/f噪声;输出晶体管M12直接由第一级驱动,另一输出晶体管M11由两个反相器M7-M9和M10-M11驱动。 输出晶体管中的静态电流由电流源M6控制,事实上它的电流被分为两部分,第一部分流过M7,该M7具有与输出晶体管M12相同的VGS,并且与M12具有固定的电流比;另一部分流过M8,它通过两个电流镜来控制输出晶体管M11中的电流。输出晶体管中的电流必须相同,通过M6的电流控制该电流。使用下图中晶体管的尺寸,静态电流比晶体管M6中的电流大了约1.6倍。

 

图 7   1.5 BiCMOS低电压放大器

 

一个非常不同的原理是基于电流差分放大器,这已在第 3 章中讨论过。它具有三个电流输入,如果将额外的电流输入源应用于晶体管 M4 的漏极,则实际上是四个。 此外它可以在非常低的电源电压下运行。如果采用的阈值电压VT为0.7V,而VGS−VT(和VDSsat)仅为0.15V,则电源电压可低至1伏,最大输出电压可高达0.7V;但是,如果VT只有0.3V,且采用相同的VGS−VT为0.15V,那么电源电压可仅为0.6V!

接下来要讨论的AB类放大器也使用类似的偏置,因此它能在只有0.6V的电源电压下使用!

 

图 8   小于1伏的电流差分放大器

 

下图中显示了AB类放大器,乍一看它似乎由一个差分对组成,其输出反馈回电流镜,偏置这个差分对;然而从差分输出到共模节点的反馈是无法掌握的。理解这一电路的更好方法是注意晶体管M2具有恒定电流,即电流IB1;如果没有达到恒定,到M3栅极的反馈环路将确保这一点。晶体管仅承载直流电流的唯一基本单晶体管配置是源随器,晶体管M2作为一个源随器,它将未衰减的输入电压Vin2传递到另一个输入晶体管M1的源极。

输入晶体管M1本身就是一个差分放大器,一个输入电压Vin1在其栅极处,另一个输入电压Vin2在其源极处。它将该差动输入电压转换为交流电流,从电源通过晶体管M3和M1到地。它被电流镜M3/M4镜像到输出端,然而它也可以在 M1 的漏极处被镜像出来,就像在下面完整个电路中所做的那样,如图所示。

此交流电流不受任何直流电流的限制,此外由于MOST的平方定律特征,它具有扩展特征。晶体管 M1 用作 AB 类放大器。

 

图 9   AB类差分电压放大器

 

下图中给出了完整的电路原理示意图,它是全差分的,未显示共模反馈CMFB。AB类电压到电流转换晶体管为M1b和M1c。晶体管M1a将输入电压in1传递到M1b的源级,由晶体管M1b产生交流电流, 该电流通过电流镜M2a/M3a镜像到输出 out1,并通过电流像M5b/M6b镜像到输出out2。

这同样也适用于晶体管M1c产生的交流电流,它也被镜像到输出中。CMFB可以通过施加电流到M7a/M7b的源极来实现。

 

图 10   1 伏电源电压的差分AB类 OTA放大器

 

输入晶体管M1b和M1c确定从输入电压到输出电流的增益,增加它们的尺寸会增加它们的增益,如下图左边所示。对于零差分输入电压,差分输出电流也为零;对于小输入电压,获得了扩展特性;对于非常大的输入电压,最大输出电流饱和,这取决于相对晶体管比。静态电流由电流源IB设置,其约为2uA,电流的驱动能力也相当高。直流电流源IB的增加,显然也增加了最大输出电流,这一点如下图右边所示

 

图 11   AB类特性

 

这最后一个AB类放大器实际上是使用电流反馈的AB类放大器的简化版本,前面讨论过。为了方便比较,两个都绘制在下图。两者都使用晶体管M2作为源随器,在最后一个放大器(下图左侧)中,只有一个晶体管提供电压到电流的转换,只有三个晶体管携带交流电流,这对于高频或低功耗设计或两者来说显然是一个优势。 在右侧放大器中,七个晶体管携带一个交流电流,原则上,承载交流电流的晶体管越多,产生的极点就越多,电路运行速度就越慢 。左侧放大器在这方面更好一些。

此外,左侧放大器可以在较低的电源电压下工作,右侧放大器的最小电源电压为VGS+2VDSsat,但左侧的仅为VGS+VDSsat。 对于VT仅为0.3V,VGS−VT取为0.2V,左侧放大器的最小供电电压为0.7V,右侧放大器为0.9V。左侧放大器显然更优越

 

图 12   低压AB类放大器

 

讨论和比较了各种AB类放大器。根据所需的功耗水平和输出负载,有许多不同的结构。这只是精选的一些已发布的放大器,但这是一个很好的概述。

Posted in CMOS模拟集成电路

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