《電子技術(shù)應(yīng)用》
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CMOS音頻功率放大器的旁路電壓控制電路
摘要: 音頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于諸如移動(dòng)電話,、MP3,MP4等便攜式設(shè)備中,,而為了使音頻功率放大器能正常工作,,其內(nèi)部必須含有旁路電壓控制電路,以產(chǎn)生正確的直流偏置電壓使電路正常工作,。這里在O.5μm CMOS工藝條件下,,設(shè)計(jì)了一種采用電流反饋實(shí)現(xiàn)遲滯功能的旁路電壓控制電路。
Abstract:
Key words :

  音頻功率放大器被廣泛應(yīng)用于諸如移動(dòng)電話,、MP3,MP4等便攜式設(shè)備中,,而為了使音頻功率放大器能正常工作,,其內(nèi)部必須含有旁路電壓控制電路,以產(chǎn)生正確的直流偏置電壓使電路正常工作,。這里在O.5μm CMOS工藝條件下,,設(shè)計(jì)了一種采用電流反饋實(shí)現(xiàn)遲滯功能的旁路電壓控制電路。

  1 電路結(jié)構(gòu)

  旁路電壓控制電路包括施密特電路,、比較器電路和控制電路三大部分,。其整體的電路如圖1所示,。下面將分別介紹。

整體的電路圖

  1.1 施密特電路

  集成電路的廣泛應(yīng)用為芯片添加關(guān)斷功能以降低芯片的功耗成為必需,。該設(shè)計(jì)中的M25~M29組成的施密特電路就提供了此功能,。當(dāng)外部引腳“SHUTDOWN”電壓Vin為低電平時(shí),M25,,M26導(dǎo)通,,M27,M28截止,,D點(diǎn)輸出高電平,,此時(shí)整個(gè)電路處于關(guān)斷狀態(tài),內(nèi)部功耗極低,。隨著Vin逐漸升高,,當(dāng)Vin>VTH(M28)時(shí),M28,,M29均處于導(dǎo)通狀態(tài),,則M28的漏端電壓為M28,M29對(duì)電源的分壓,,近似為VDO/2.故M27仍截止,。當(dāng)Vin繼續(xù)上升,M25,,M26導(dǎo)通能力下降,,導(dǎo)致M27的源端電壓下降,當(dāng)VGS(M27)>VTH(M27)時(shí),,M27開(kāi)始導(dǎo)通,,使D點(diǎn)電壓急劇下降,進(jìn)一步使M25,,M26的導(dǎo)通減弱直至截止,,此時(shí),輸出翻轉(zhuǎn),,D點(diǎn)輸出低電平,,電路轉(zhuǎn)為正常工作。

  施密特觸發(fā)器的特點(diǎn)在于其可將緩慢變化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫呇囟盖偷木匦蚊}沖,,所以即使外部引腳“SHUTDOWN”的電壓變化緩慢或包含噪聲,,電路都能正常地工作;同時(shí)也能看出,,只有在輸入大于一定電壓時(shí),,電路才會(huì)正常工作,這樣的設(shè)計(jì)提高了電路的抗干擾能力,。

  1.2 電壓比較器電路

  比較器用于比較兩個(gè)輸入模擬信號(hào)并由此產(chǎn)生一個(gè)二進(jìn)制輸出,。而通常情況下,,比較器工作于噪聲環(huán)境中,并且在閾值點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)的變化,。當(dāng)一個(gè)包含噪聲的信號(hào)加在沒(méi)有遲滯功能的比較器的輸入端,,會(huì)使比較器的輸出充滿噪聲,甚至有可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,。故在設(shè)計(jì)時(shí)往往借助正反饋以實(shí)現(xiàn)滯后功能,,使電路具有一定的抗噪聲能力。這種正反饋往往分為外部正反饋和內(nèi)部正反饋,,又由于外部正反饋所需的高精度的電阻在集成電路中很難實(shí)現(xiàn),,所以?xún)?nèi)部正反饋得到了更為廣泛的應(yīng)用。

  在該設(shè)計(jì)中,,電壓比較器的主要功能在于:比較旁路電壓和基準(zhǔn)電壓的大小,,輸出信號(hào)到控制電路以確定是否對(duì)旁路電容進(jìn)行充電。它的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,。當(dāng)PD為低電平時(shí),。比較器正常工作。當(dāng)“+”端電壓低于“-”端電壓時(shí),,M1的漏電流大于M2的漏電流,,多余的電流對(duì)電容Cj(此點(diǎn)到地的等效寄生電容)進(jìn)行充電,M6的柵電壓升高,,當(dāng)|VGS6|<|VTP|時(shí),,M6截止,比較器輸出低電平,;同理,,當(dāng)“+”端電壓高于“-”端電壓時(shí),電容Cj(此點(diǎn)到地的等效寄生電容)放電.M6的柵極電壓降低,,M6飽和導(dǎo)通,,比較器輸出高電平。

電路結(jié)構(gòu)圖

  M8~M12為電流反饋部分,。當(dāng)比較器輸出高電平時(shí),,開(kāi)關(guān)管M9和M12均導(dǎo)通,M11和M8組成電流鏡結(jié)構(gòu),,當(dāng)M11,,M8均處于飽和區(qū)時(shí)電流鏡正常工作且M11,鏡像M8的漏電流并反饋回A點(diǎn),,以改變比較器負(fù)向轉(zhuǎn)折的閾值電壓VTRP-,達(dá)到遲滯的目的,。

  則通過(guò)調(diào)節(jié)M11和M8管的寬長(zhǎng)比,,可以改變反饋回A點(diǎn)的電流大小,,從而改變電路的負(fù)向轉(zhuǎn)折閾值電壓。此時(shí)比較器的正向轉(zhuǎn)折點(diǎn)和負(fù)向轉(zhuǎn)折點(diǎn)不等,,比較器電路具有雙穩(wěn)態(tài)特性,,其寬度為:

公式

  該寬度電壓表明了比較器所允許的最大噪聲幅度。

  與文獻(xiàn)中所介紹的利用內(nèi)部電壓正反饋實(shí)現(xiàn)遲滯的電路相比,,采用電流反饋的方法,,一方面避免了同時(shí)使用正、負(fù)反饋,,使電路的性能更為穩(wěn)定,;另一方面也減少了MOS管狀態(tài)改變的次數(shù),降低了比較器傳輸時(shí)延,。當(dāng)PD為高電平時(shí),,M13截止,M14導(dǎo)通,,使得M5,,M7,M10均處于截止?fàn)顟B(tài),,整個(gè)電路處于低功耗狀態(tài),。

  1.3 控制電路

  控制電路所實(shí)現(xiàn)的功能為產(chǎn)生比較器所需的基準(zhǔn)電壓和對(duì)旁路電容進(jìn)行充、放電,。圖1中,,M17,M18的柵極電壓由放大器的偏置電路產(chǎn)生,。當(dāng)PD為低電平時(shí),,開(kāi)關(guān)管M15導(dǎo)通,調(diào)節(jié)R1,,R2的值,,使B點(diǎn)的電壓等于VDD/2,并將B點(diǎn)的電壓作為比較器的正向轉(zhuǎn)折電壓,,此時(shí)開(kāi)關(guān)管M19導(dǎo)通,。電路對(duì)旁路電容CB充電且將C點(diǎn)電壓作為比較器的正向輸入。當(dāng)電容上的電壓低于時(shí),,比較器輸出低電平,,M21截止;當(dāng)電容上的電壓高于正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí),,比較器輸出高電平,,M19截止,電路停止對(duì)旁路電容充電,同時(shí)M21導(dǎo)通,。此時(shí)C點(diǎn)的電壓為:

公式

  式中:VC+為M21導(dǎo)通后電容上的電壓,;VC-為M21導(dǎo)通前的電容上的電壓;τ為時(shí)間常數(shù),,τ=(RB+R)C,;RB為B點(diǎn)到地的等效電阻??梢钥吹皆谝欢螘r(shí)間后,,旁路電容上的電壓將近似等于B點(diǎn)電壓,即VDD/2,,則得到所需的旁路電壓,。同時(shí),考慮到音頻功率放大器上電,、掉電的“POP”噪聲是由旁路電壓的瞬間跳變引起的,,所以可以適當(dāng)?shù)脑龃笈月冯娙菀栽龃笈月冯妷旱纳仙⑾陆邓俣?,起到減少“POP”噪聲的作用,。

 

  當(dāng)PD為高電平時(shí).M16截止,電路不工作,。

  2 仿真結(jié)果

  該使設(shè)計(jì)采用Candence Spectre仿真工具進(jìn)行仿真,,所采用的工藝是華潤(rùn)上華O.5μm的N阱CMOS工藝典型模型。

  圖3為該設(shè)計(jì)中旁路電壓的輸出變化曲線,。“SHUTDOWN”引腳低電平有效,,輸出曲線在電路從關(guān)斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)小突刺,這是由于旁路電容上的電壓比節(jié)點(diǎn)C略高,,電容會(huì)有一個(gè)小的放電過(guò)程,。在常溫下,輸出約在3.4μs處開(kāi)始穩(wěn)定在2.5 V,。當(dāng)t=7.5μs時(shí),,輸出為2.501 6 V,其誤差為O.064%,。電路的靜態(tài)功耗為O.685 mW,。

中旁路電壓的輸出變化曲線

  圖4為電壓比較器的正端電壓從2.0~3.O V變化以及從3.O~2.0 V變化時(shí),比較器的輸出變化曲線,??梢钥闯觯容^器的正向閾值電壓,,負(fù)向閾值電壓,。與的不等說(shuō)明引入遲滯后電路抑制噪聲的能力明顯增強(qiáng),。

比較器的輸出變化曲線

  圖5和圖6分別為比較器的正向傳輸時(shí)延和負(fù)向傳輸時(shí)延。由圖可知,,比較器的正向傳輸時(shí)延為7.632 ns,,負(fù)向傳輸時(shí)延為35.32 ns。對(duì)于大部分的芯片而言,,這個(gè)數(shù)量級(jí)的延遲是可以忽略的。

圖5和圖6分別為比較器的正向傳輸時(shí)延和負(fù)向傳輸時(shí)延

圖5和圖6分別為比較器的正向傳輸時(shí)延和負(fù)向傳輸時(shí)延

  3 結(jié)語(yǔ)

  從上面的仿真結(jié)果可以看出,,該設(shè)計(jì)的旁路電壓控制電路可以產(chǎn)生輸出穩(wěn)定的旁路電壓,,且具有一定的噪聲抑制能力。此外,,整個(gè)電路的靜態(tài)功耗低,,信號(hào)的延遲時(shí)間較短,可以廣泛應(yīng)用于各種音頻放大器電路中,。

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