AB類(lèi)功率放大器驅動(dòng)電路的研究與設計

　　在實(shí)用電路中，往往要求放大電路的末級(即輸出級)輸出一定的功率，以驅動(dòng)負載。能夠向負載提供足夠信號功率的放大電路稱(chēng)為功率放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)功放。經(jīng)典功率放大器有4種類(lèi)型：A類(lèi)，AB類(lèi)，B類(lèi)和C類(lèi)，他們的主要差別在于偏置的情況不同。理想的4類(lèi)經(jīng)典放大器的最大效率的理論值與導通角的函數關(guān)系如圖1所示。

　　A類(lèi)功率放大器的線(xiàn)性度好，功率傳遞能力差，效率最大值為50％，導通角為360°；B類(lèi)功率放大器通過(guò)減少一個(gè)周期中晶體管工作的時(shí)間來(lái)提高效率(最好可達78.5％)，保持了實(shí)現線(xiàn)性調制的可能性，工作周期為半周期；C類(lèi)功率放大器提供了接近100％的效率，但同時(shí)歸一化的功率傳遞能力和功率增益都趨于零，線(xiàn)性度差；AB類(lèi)放大器的效率和線(xiàn)性度在A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)放大器之間，其最大的特點(diǎn)是導通角的范圍為180°～360°，相應的設計目標就是實(shí)現他在一個(gè)周期的50％和100％之間的某段時(shí)間內導通的工作方式，對于單MOS管來(lái)說(shuō)，就是使他的漏極有電流通過(guò)的時(shí)間多于半個(gè)周期。

　　2 功放驅動(dòng)電路的具體設計和仿真

　　2.1 鏡像電流偏置方式

　　在采用雙電源供電的差分放大電路中，兩管的靜態(tài)工作點(diǎn)電流直接由恒流源電路提供。對恒流源偏置電路的要求，除了提供穩定的靜態(tài)工作點(diǎn)電流外，還應具有高的輸出交流電阻。鏡像恒流源電路是目前應用最廣的一種高穩定恒流源電路，他特別適合于用在集成電路中。圖2就是采用鏡像電流偏置方式實(shí)現的驅動(dòng)電路結構圖。

　　這個(gè)電路是由2個(gè)性能上嚴格匹配的NMOS管和1個(gè)電阻、1個(gè)電感組成，IM1和IM2分別為電路中兩個(gè)NMOS管M1和M2的漏極電流。M1管與M2管的襯底與源短接，不存在體效應。由于兩個(gè)NMOS管寬長(cháng)比完全一樣，因此，改變VDD或R，IM1和IM2相應的也就隨之改變。鑒于IM2猶如IM1的鏡像，故將這種恒流源電路稱(chēng)為鏡像恒流源電路。圖中的C和L作用跟前面分壓偏置方式中論述的一樣。

　　當兩管完全對稱(chēng)時(shí)，溫度的變化就不會(huì )引起IM1和IM2的變化，因此鏡像恒流源電路是一種高熱穩定的偏置電路。這一偏置方法還消除了與固定電壓柵偏置有關(guān)的熱漂移問(wèn)題。

　　對于A(yíng)B類(lèi)功放，給定VDD為3 V，Vin為直流偏置2 V，振幅1 V，頻率1 GHz的正弦波，選定R為800 Ω，C為0.5 pF，L為0.065 nH，M1和M2均為寬0.6μm，長(cháng)0.18 μm的NMOS。從圖3晶體管M2的漏極電流HSpice仿真波形圖中可以看出Vg≥0.297 V的時(shí)長(cháng)為0.69 ns，大于0.5 ns的半個(gè)周期時(shí)長(cháng)，因此實(shí)現了AB類(lèi)功放的驅動(dòng)電路的要求，工作時(shí)間大于半個(gè)周期。

　　2.2 分壓偏置方式

　　分壓式偏置電路，顧名思義就是通過(guò)電阻的分壓以給出所要達到的偏置電壓的電路結構，如圖4所示。

　　電路中的C為隔直電容，隔離輸入的信號中由各種原因引起的直流分量，保證電路特性不被意外的直流分量所影響。電路中的電源一般均通過(guò)扼流圈L對MOS管的漏極饋電，目的是盡量減小電路中不必要的直流功率損耗，提高功放的效率，在較低的電壓下輸出較大的功率。因此電路中將扼流電感L接于電源與M1的漏極之間，將DC功率送到MOS管的漏極。

　　電路中R3為源極電阻，其值很小，使得消耗在他上面的直流功耗也很小，以盡量減小電路中不必要的直流功率損耗，提高功放的效率。R1，R2分別稱(chēng)為上偏置電阻和下偏置電阻，他們的作用是將VDD進(jìn)行分壓，在MOS管柵極上產(chǎn)生柵極靜態(tài)電壓Vg，其值為：

　　分壓式偏置電路不僅能夠有效地穩定靜態(tài)工作點(diǎn)，而且對于換用不同晶體管時(shí)，因參數不一致而引起的靜態(tài)工作點(diǎn)的變化。也同樣具有自動(dòng)調節作用。

　　對于A(yíng)B類(lèi)功放，給定VDD為3 V；Vin為直流偏置2 V，振幅1 V，頻率1 GHz的正弦波，選定R1為2 kΩ，R2為1 kΩ，R3為10 Ω，C為5 pF，L為0.065 nH，M1為寬0.6 μm，長(cháng)0.18 μm的NMOS，從給定的NMOS參數中可算出Vth0約為0.297 V。設置的電阻使得Vg圍繞1 V左右上下擺動(dòng)，擺幅為1 V，即可使得晶體管M1工作時(shí)間大于半個(gè)周期而小于整周期，從圖5晶體管M1漏極電流HSpice仿真波形圖中也可以看出其每周期的工作時(shí)間為0.79 ns，大于半周期，實(shí)現了AB類(lèi)功放的驅動(dòng)要求。

　　2.3 柵極二極管偏置方式

　　如圖6所示，這種電路是一種分壓的特殊結構，通過(guò)電阻、電感、二極管對VDD進(jìn)行分壓，在M1柵極上產(chǎn)生正的靜態(tài)偏置電壓，使每周期內Vg高于0.297 V的部分增加，這樣就可以實(shí)現AB類(lèi)功放驅動(dòng)的偏壓要求。

　　給定VDD為3 V，Vin為直流偏置2 V，振幅1 V，頻率1 GHz的正弦波，選定C為15 pF，R為10 Ω，L1為0.065 nH，L2為2 nH，M1為寬0.6μm，長(cháng)0.18 μm的NMOS。HSpice仿真得出1 ns內的工作時(shí)間為0.75 ns，實(shí)現了AB類(lèi)功放驅動(dòng)電路的設計目標，每周期的工作時(shí)間多于半個(gè)周期。