《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)計了一種采用電流反饋實現(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)計了一種采用電流反饋實現(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,M25,M26導(dǎo)通,M27,M28截止,D點輸出高電平,此時整個電路處于關(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,M28,M29均處于導(dǎo)通狀態(tài),則M28的漏端電壓為M28,M29對電源的分壓,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,M27開始導(dǎo)通,使D點電壓急劇下降,進一步使M25,M26的導(dǎo)通減弱直至截止,此時,輸出翻轉(zhuǎn),D點輸出低電平,電路轉(zhuǎn)為正常工作。

  施密特觸發(fā)器的特點在于其可將緩慢變化的電壓信號轉(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;同時也能看出,只有在輸入大于一定電壓時,電路才會正常工作,這樣的設(shè)計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輸入模擬信號并由此產(chǎn)生一個二進制輸出。而通常情況下,比較器工作于噪聲環(huán)境中,并且在閾值點檢測信號的變化。當(dāng)一個包含噪聲的信號加在沒有遲滯功能的比較器的輸入端,會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)計時往往借助正反饋以實現(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現(xiàn),所以內(nèi)部正反饋得到了更為廣泛的應(yīng)用。

  在該設(shè)計中,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,輸出信號到控制電路以確定是否對旁路電容進行充電。它的電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。當(dāng)PD為低電平時。比較器正常工作。當(dāng)“+”端電壓低于“-”端電壓時,M1的漏電流大于M2的漏電流,多余的電流對電容Cj(此點到地的等效寄生電容)進行充電,M6的柵電壓升高,當(dāng)|VGS6|<|VTP|時,M6截止,比較器輸出低電平;同理,當(dāng)“+”端電壓高于“-”端電壓時,電容Cj(此點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,開關(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)時電流鏡正常工作且M11,鏡像M8的漏電流并反饋回A點,以改變比較器負向轉(zhuǎn)折的閾值電壓VTRP-,達到遲滯的目的。

  則通過調(diào)節(jié)M11和M8管的寬長比,可以改變反饋回A點的電流大小,從而改變電路的負向轉(zhuǎn)折閾值電壓。此時比較器的正向轉(zhuǎn)折點和負向轉(zhuǎn)折點不等,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。

  與文獻中所介紹的利用內(nèi)部電壓正反饋實現(xiàn)遲滯的電路相比,采用電流反饋的方法,一方面避免了同時使用正、負反饋,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延。當(dāng)PD為高電平時,M13截止,M14導(dǎo)通,使得M5,M7,M10均處于截止?fàn)顟B(tài),整個電路處于低功耗狀態(tài)。

  1.3 控制電路

  控制電路所實現(xiàn)的功能為產(chǎn)生比較器所需的基準(zhǔn)電壓和對旁路電容進行充、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,開關(guān)管M15導(dǎo)通,調(diào)節(jié)R1,R2的值,使B點的電壓等于VDD/2,并將B點的電壓作為比較器的正向轉(zhuǎn)折電壓,此時開關(guān)管M19導(dǎo)通。電路對旁路電容CB充電且將C點電壓作為比較器的正向輸入。當(dāng)電容上的電壓低于時,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,比較器輸出高電平,M19截止,電路停止對旁路電容充電,同時M21導(dǎo)通。此時C點的電壓為:

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為時間常數(shù),τ=(RB+R)C;RB為B點到地的等效電阻??梢钥吹皆谝欢螘r間后,旁路電容上的電壓將近似等于B點電壓,即VDD/2,則得到所需的旁路電壓。同時,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?、下降速度,起到減少“POP”噪聲的作用。

 

  當(dāng)PD為高電平時.M16截止,電路不工作。

  2 仿真結(jié)果

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

  圖3為該設(shè)計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)時會出現(xiàn)一個小突刺,這是由于旁路電容上的電壓比節(jié)點C略高,電容會有一個小的放電過程。在常溫下,輸出約在3.4μs處開始穩(wěn)定在2.5 V。當(dāng)t=7.5μs時,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,比較器的輸出變化曲線??梢钥闯?,比較器的正向閾值電壓,負向閾值電壓。與的不等說明引入遲滯后電路抑制噪聲的能力明顯增強。

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延和負向傳輸時延。由圖可知,比較器的正向傳輸時延為7.632 ns,負向傳輸時延為35.32 ns。對于大部分的芯片而言,這個數(shù)量級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延和負向傳輸時延

圖5和圖6分別為比較器的正向傳輸時延和負向傳輸時延

  3 結(jié)語

  從上面的仿真結(jié)果可以看出,該設(shè)計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,整個電路的靜態(tài)功耗低,信號的延遲時間較短,可以廣泛應(yīng)用于各種音頻放大器電路中。

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