Class-AB Amplifier 笔记


Reading Notes from Mikko Loikkanen “Design and Compensation of High Performance Class AB Amplifiers”

Input stages 输入级

一般Class-AB放大器常有输入轨至轨的要求,关于rail-to-rail的输入级的实现:

1. N/PMOS 互补输入对

NMOS和PMOS互补输入是比较常见的rail-to-rail的实现方法,但他也有一些缺点,如offset随输入共模变化,在低压下的实现问题(Vsupply > VGS-N+VGS-P+2VDS), 额外的恒定跨导的控制电路等。具体恒定跨导的方式:

a.输入对管工作于弱反型(恒定电流的方式)
b.输入对管工作于强反型(恒定Vgs的方式)

2. 基于单输入对管:
a. 基于charge-pump的结构:
利用low-noise,low-ripple的电荷泵得到超出电源电压的电压供给放大器从而提高整个输入范围

b.输入管加体区偏置(bulk bias):
通过bulk bias减小其阈值电压(约100-200mV)从而提高输入范围
c. 输入级加resistive level shifter
rail-to-rail input stage with resistive level shifter

利用上图所示的resistive level shifter,或 common-mode adapter的方法

Class-AB 输出级

一个的合适的class-AB 输出级应该有足够的线性度,同时引进可能满足下面的要求:

1. 精确控制输出管的静态(最小)电流,并不受电源影响
2. 有足够大的最大电流与静态电流之比
3. 不会影响信号通路直流增益
4. 在任何电流水平都不会导致稳定性的下降
5. 可以在低电压下工作
6. 结构简单,不会显著增加面积

关于具体的Class-AB output stage的实现方法,大致可以分为四类:

1. Cross-coupled quad 形式连接的super-source follower结构
2. 从低阻抗节点驱动一个或全部输出管,并用反馈控制输出管静态电流
3. 通过local class-AB 反馈来控制静态电流
4. 通过translinear loops的方法

**关于cross-couple quad的结构一般多用于输入以提升slew-rate,其具体原理在P.R.Gray的书中有具体的分析;至于其他的几种class-AB的结构,Sansen的‘Designg-Essental’中关于Class-AB的章节也有相应介绍

class-AB amplifier 的稳定性问题

放大器应在每一电流水平都能稳定,对米勒补偿及其扩展的方法而言,这通常是通过在Class-AB的输出级加入对称的频率补偿网络来实现的。

在信号通路的稳定性之外,class-AB的控制环路的稳定性也需要保证,如下图中所示(一般根据miller电容本身大小,CAB也可以略去)。

class-ab stage with miller compensation

1.Miller compensation米勒补偿
在负载电阻减小时,由于第二极点向高频方向移动(负载电阻和第二级跨导的并联),稳定性会有改善,即miller补偿在改阻性负载时工作良好。但是由于第二极点和右半平面零点,在大电容负载时有所限制。

2.Miller compensation with a nulling resistor调零电阻的米勒补偿
主要问题是准确的零极点对消的实现,依赖于输出级的跨导,因而会受不同负载电流影响。同时左半平面零点出现在非主极点之前也会是phase margin变坏。

3.Miller compensation with a feed-forward stage 带前馈的米勒补偿
与米勒补偿相同的极点,但有额外的左半平面零点(前馈跨导),大电容负载下亦需注意

4.Miller compensation with a current buffer 带电流 buffer 的米勒补偿
由于缺少 miller 电容的作用,需考虑 Class-AB 控制回路的稳定问题.

5.其他方法
advanced miller compensation
上图中是基于 miller 补偿的扩展,这里的 HBW- high bandwidth stage 相当于在第二级跨导乘以 HBW 的增益, 故而增强了在大电容负载下的稳定性


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