現今的行動(dòng)電話(huà)、PDA、MP3播放器等可攜式設備都需要配備功率放大器來(lái)驅動(dòng)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(xiàn)性和開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)實(shí)現。開(kāi)關(guān)放大器即所謂的D類(lèi)放大器，能同時(shí)滿(mǎn)足低功耗(高效率)和高音質(zhì)的要求，但卻需要對輸出進(jìn)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(lèi)功率放大器，可同時(shí)滿(mǎn)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(kāi)關(guān)所產(chǎn)生不必要的能量輻射降至最低，設計者必須對PCB布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采用線(xiàn)性放大器而非D類(lèi)放大器。在多種模擬放大器中，AB類(lèi)能滿(mǎn)足一定的總諧波失真(THD)和低功耗要求，一般來(lái)說(shuō)，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(mǎn)足這兩方面的要求，自適應Q電流控制(AQC)技術(shù)便應運而生。

AQC電路能按照輸出失真的程度來(lái)提高IQ，當沒(méi)有訊號輸入或感應不到輸出失真時(shí)，它不會(huì )啟動(dòng)。采用AQC電路設計功放在以1W功率驅動(dòng)8Ω負載時(shí)，整個(gè)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(shí)，需要采用如圖1所示的橋接負載結構(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(huì )被AMP2放大，而AMP2的輸出則會(huì )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(guò)有一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法，即引進(jìn)BTL驅動(dòng)電路并改動(dòng)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(guò)比較兩個(gè)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(jìn)行虛擬短接，然而隨著(zhù)輸出失真增加，輸入會(huì )漸漸偏離虛擬接地點(diǎn)，這樣失真就會(huì )在輸入端出現。為了產(chǎn)生IQ控制訊號(IAQC)，無(wú)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(guò)AQ放大，最后由GMQ產(chǎn)生IAQC，并流入AB類(lèi)放大器的Q偏置電路。

圖2是一個(gè)AQC AB類(lèi)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(dòng)；反之，MD15-16則被啟動(dòng)。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訊號被傳輸到MB2和MB5，這樣輸出失真就可自適應地控制通過(guò)MPO和MNO的IQ電流。

在MPO和MNO之前插入的兩個(gè)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，還可提高閘驅動(dòng)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模型得出的瞬變模擬結果。如不采用AQC，PGATE和NGATE訊號分別在MPO與MNO截止態(tài)保持恒壓；反之如應用AQC，每個(gè)訊號都會(huì )由失真量控制。

當AQC被啟動(dòng)時(shí)，將嚴重影響放大器的穩定性，特別是在兩個(gè)輸出晶體管中只有一個(gè)被啟動(dòng)的情況下，更容易引發(fā)穩定性問(wèn)題。圖4所示為高輸出電壓時(shí)的等效電路。AQC模擬為一個(gè)單極點(diǎn)系統，在P點(diǎn)有一個(gè)極點(diǎn)。由于采用了AQC，整個(gè)傳遞函數具有額外兩個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)，包括一個(gè)次要極點(diǎn)(P2)。兩個(gè)極點(diǎn)分別被置于P點(diǎn)和gmB3/CM2(P3)點(diǎn)，其中g(shù)mB3為MB3的跨導。就零點(diǎn)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)零點(diǎn)分別被置于P點(diǎn)下方和P3點(diǎn)上方。如果AQC能達到以下兩個(gè)條件，兩個(gè)零點(diǎn)即會(huì )成為RHP零點(diǎn)，嚴重影響穩定性。這兩個(gè)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，因而保證了穩定性。

在功率應用中，由于DMOS技術(shù)采用垂直組件結構(如垂直NPN雙載子晶體管)，因此具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括高電流驅動(dòng)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0.8微米10V BiCMOS制程經(jīng)濟制造的方案。為了增加輸出動(dòng)態(tài)范圍，傳輸高電流的金屬線(xiàn)設計得越大越好。此外在VDD、接地端和輸出接腳處均采用雙焊接線(xiàn)。一般來(lái)說(shuō)，輸出晶體管的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。本設計并沒(méi)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(xiàn)，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(guò)±2.5kV和±300V ESD電壓測試。

為了說(shuō)明本設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用，其結果仍顯示采用AQC技術(shù)來(lái)實(shí)現低THD高頻放大器(如xDSL線(xiàn)路驅動(dòng)電路)是可行的。圖6所示分別為T(mén)HD+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(shí)，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A(yíng)QC在20kHz時(shí)才被啟動(dòng)，故功率耗散僅增加了0.03W。