基于两级密勒补偿结构的CMOS功率放大器的设计

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(文章来源:华中科技大学学报,作者:刘三清  ,  张诗娟  ,  余岳辉   ) 本文设计了一种用于耳机驱动的CMOS 功率放大器 ,该 放大器 采用0.35μm双层

(文章来源:华中科技大学学报,作者:刘三清 , 张诗娟 , 余岳辉 

本文设计了一种用于耳机驱动的CMOS功率放大器,该放大器采用0.35μm双层多晶硅工艺实现,驱动32Ω的电阻负载。该设计采用三级放大两级密勒补偿的电路结构,通过提高增益带宽来提高音频放大器的性能。仿真结果表明,该电路的开环直流增益为70dB,相位裕度达到86.6°,单位增益带宽为100MHz。输出级采用推挽式AB类结构,能有效地提高输出电压的摆幅,从而得到电路在低电源电压下的高驱动能力。结果表明,在3.3V电源电压下,电压输出摆幅为2.7V。

低功耗、高性能是音频放大器一直追求的目标。近几年来CMOS功率放大器得到很大发展,采用此工艺将会有效地降低功耗,但是随之而来的问题是如何获得有效的增益带宽,降低电源等产生的噪声,如何有效降低谐波失真,在低电源电压下获得近乎满幅的输出,以获得有效的电压输出等。

本文介绍的两级密勒补偿结构的放大器结构简单,很好地满足了增益带宽及电压输出摆幅的要求。

放大器的结构

该功率放大器采用三级放大结构。输入级为折叠式放大结构,输入管为p管,以降低闪烁噪声。折叠式输入级的输出,直接作为输出级中p沟晶体管的驱动。

第二级为非反相放大级,它由一个共源p沟输入管,一个电流镜和一个电流为80μA的恒流源组成。该级电路的重要作用在于为输出级的n管提供合理的偏置电压,以使输出级的两个管子的偏置电压分开,从而实现AB类输出。

输出级则为推挽式的AB类结构,该结构的特点是p管和n管交替导通,这样输出电压仅损失一个管子的过驱动电压,有效地提高输出电压的水平,满足在低电源电压下信号的输出驱动的要求。本设计电路输出级的静态电流为1mA。放大器的输出级和第一级及第二级之间有两个密勒型的补偿回路,密勒补偿采用了零电阻补偿法,该方法通过将补偿电容CC串联一个电阻RZ,消除了仅由电容进行补偿引起的右半平面(RHP)零点效应,增加电路的稳定性。

npower2线用于省功耗控制,当它的值为低电位时,整个电路不工作,处于省功耗状态。省功耗控制对于便携式系统是十分必要的。

具体结构如图1所,其中Vp1,Vp2,Vn2和Vn2为偏置电压。

图1 放大器电路的结构

放大器电路稳定性分析

在未接补偿电容和电阻的情况下,开环响应的极点频率

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