CN105122640A - 用于ab类放大器的输出级 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种AB类放大器，其用于接收输入电流并且生成放大的输出电流并且具有经连接以提供所述输出电流的第一和第二输出晶体管，其中如果所述输入电流小于阈值，那么启用所述第一输出晶体管并且禁用所述第二输出晶体管，并且如果所述输入电流超过阈值，那么启用所述第二输出晶体管。

Description

用于AB类放大器的输出级
技术领域
本发明涉及AB类放大器，并且尤其(但非排他地)涉及并入AB类放大器的封包追踪电源。
背景技术
封包追踪应用可能需要具有输出高频下的广泛范围的输出电流的能力的误差放大器。封包追踪的一个实例实施方案是具有切换电源以提供大部分有用信号能量的封包追踪电源，以及误差放大器以移除提供剩余部分的信号能量的不希望的切换假象。此类放大器必须具有高效率、是线性的，并且必须能够处理高带宽信号。
通常此类实施方案的误差放大器是AB类放大器并且需要处理高峰值到平均电流波动。然而，如果经正确地大小设定以处理大峰值到平均电流波动，那么常规AB类放大器通常需要较大静态电流。
用于封包追踪电源中的AB类误差放大器的典型现有技术方法是提供各自相应地处理波形的正偏移和负偏移的两个晶体管。典型的AB类放大器具有输入级和输出级。通常，输入级在A类上运行。因此，现有AB类布置通常由具有供给到包含在输入处的拆分的输出级中的单个输出的输入级组成。此布置说明了通常在许多高带宽放大器中观察到的高静止功率耗散。电流放大的使用允许从晶体管中提取最大带宽。
图1中说明了现有技术的示例性AB类放大器的输出级，并且所述输出级包括第一级10和第二级12。到AB类放大器的输入级的单线馈送由具有通过参考标号3表示的电流I输入的输入馈电电流源表示。
第一级10具有单输入I输入并且包括第一对晶体管Ml和M100，所述晶体管处理来自正偏移上的单输入电流I输入的输入信号。晶体管M100和Ml连接在电流镜布置中，其中晶体管M100为二极管连接。由参考标号5表示的偏压电流I偏压+从正电源轨VDD提供用于晶体管M100，以保持晶体管M100和M1接通。输入馈电电流I输入连接到晶体管Ml。
第一级10额外包括第二对晶体管M2和M200，所述晶体管处理来自负偏移上的单输入电流I输入的输入信号。晶体管M200和M2连接在电流镜布置中，其中晶体管M200为二极管连接。由参考标号7表示的偏压电流I偏压-从负电源轨Vss提供用于晶体管M200，以保持晶体管M200和M2接通。输入馈电电流I输入连接到晶体管M2。
由参考标号9表示的DC恒定电压Vref应用于第一级10的晶体管Ml00和M200的普通连接。DC恒定电压Vref确定晶体管Ml和M2接通的电压。DC恒定电压Vref源连接在负电源轨Vss与晶体管M100和M200的普通连接之间。
第一级10的晶体管Ml和M2拆分由输入馈送I输入供应的输入信号。晶体管Ml在线路11上提供输入信号I输入+的正的部分，并且晶体管M2在线路13上提供输入信号I输入-的负的部分。
第一级10由此具有一个输入I输入和两个输出I输入+和I输入-。
第二级12包括由晶体管M3和M4提供的高侧(或正)电流镜布置14。高侧(或正)电流镜布置14接收信号I输入+的正的部分。高侧(或正)电流镜布置14提供从上部电源VDD到输出电流I输出的电流，表示为正输出电流I输出+。
第二级12还包括由晶体管M5和M6提供的低侧(或负)电流镜布置16。低侧(或负)电流镜布置16接收信号I输入-的负的部分。低侧(或负)电流镜布置16将来自表示为负输出电流I输出-的输出电流I输出的电流返回到下部电源Vss。
正输出电流I输出+和负输出电流I输出-组合在一起以形成线路15上的输出电流I输出。
为了防止在交叉点处的增益的损失，两个晶体管M4和M5同时在交叉区域中传导。通过使两个晶体管进行传导，有可能补偿低电流下的个体晶体管M4或M5的增益中的损失。
然而，当用作封包追踪布置(例如，封包追踪电源)中的误差放大器的一部分时，第二级12必须处理较大范围的电流，但是不幸的是大部分的分配的电流需要围绕输出波形的中心发生，交叉区域恰好位于所述中心处，并且此处电流相对较小。因此，所述布置经大小设定以处理较大电流，然而大部分时间中所述布置处理较小电流。
如果晶体管经正确地大小设定以输出所需的最大电流，那么为了满足保持通过交叉区域的增益的AB类标准需要较大的静止偏压电流。较大的静止偏压电流通常很大程度上通过使用封包追踪使效率增益偏移，尤其是在反向关闭的输出功率下。需要此较大静态电流以满足较大电流的操作需求，即使大部分操作是针对交叉区域中的较小电流的。
产生的另一问题涉及Gm/C因数。Gm/C因数确定输出晶体管M4和M5的高频响应。希望的是Gm/C因数较高，以用于改进的线性和低输出阻抗。然而，Gm/C因数随着电流而改变。此变化导致晶体管在最需要高Gm/C因数的操作点处以较低的Gm/C因数操作，即，在交叉区域中的低电流下。在高电流下，gm/C因数最高，但是由于此操作区域(交叉区域外部)是不频繁地访问的，所以在这些电流下不存在从改进的线性和低输出阻抗中获得的益处。
用于高电流的高Gm/C因数可能进一步潜在地产生问题，因为反馈的回路增益增加带来了高频不稳定性的风险。
图2示出了操作此类型的AB类输出级时的示例性增益效果。目的是通过高侧输出晶体管(M4)的增益的上升获得低侧输出晶体管(M5)的Gm中的转降以进行补偿。驻流IQ放置在增益重叠的点处，并且因此各自低了6dB。通过典型的CMOS输出级，IQ可以多达完整输出电流的20％。
参考标号200表示增益对高侧(正偏移)宽电流范围输出级的电流的曲线。参考标号202表示针对低侧(负偏移)输出级的增益的曲线。参考标号204表示组合增益的曲线。参考标号206表示曲线的x轴上的零电流，参考标号208表示曲线的x轴上的静态电流，并且参考标号210表示曲线的x轴上的最大电流。
发明内容
本发明有利的提供了具有宽操作范围以及具有低静态电流的最小交叉失真的AB类放大器。
根据本发明提供了AB类放大器以用于接收输入电流并且生成放大的输出电流并且具有经连接以提供输出电流的第一和第二输出晶体管，其中如果输入电流小于阈值，那么启用第一输出晶体管并且禁用第二输出晶体管，并且如果输入电流超过阈值，那么启用第二输出晶体管。
优选地提供通过偏移电压由级联驱动的两个输出级。第一较小输出级在输出波动的较大大部分上操作。随着此级增益开始在较高电流处降低，第二较大级开始接管此第二级增益上升。由于误差信号的统计，第二较大级将被调用以不频繁地传递电流。这意味着由在两个增益路径之间传送引入的任何非线性并不显著地使有用信号降级。
对于最大带宽和线性，输出级优选地是电流驱动的。因此，输出级优选地配备有位于顶部和底部处的电流镜。
此输出级可以在放大器链中较早的从其它电流镜中馈送。
串联级可以位于镜的输入侧上。此串联级的功能是接收来自先前级的电流并且在先前级处固定净空电压。如果将级联级拆分成两个，并且晶体管栅极发生偏移，那么在低电流处实际上全部电流以最高栅极电压经过晶体管。然而，随着输出电流升高，具有较低栅极电压的晶体管开始进行传导。因为此电流现在被拆分，所以增益下降。这补偿了较高电流下的增益，并且限制了输出级的整个操作范围中的增益的改变。
电流的拆分用于为与较低电流输出级并联存在的较大较高电流输出级提供电流。
优选地本发明还提供控制AB类放大器的方法，所述AB类放大器包括用于接收输入电流和生成放大的输出电流并且具有经连接以提供输出电流的第一和第二输出晶体管的AB类放大器，其中如果输入电流小于阈值，那么启用第一输出晶体管并且禁用第二输出晶体管，并且如果输入电流超过阈值，那么启用第二输出晶体管。
附图说明
现将参考以下附图描述本发明，在附图中:
图1说明AB类输出级的现有技术实例；
图2说明图1的现有技术布置的增益曲线；
图3说明根据本发明的AB类输出级的改进的一个示例性实施例；
图4说明根据本发明的改进的AB类输出级的增益曲线；
图5说明增益曲线；以及
图6说明根据一个示例性实例的图3的布置的改进。
具体实施方式
在以下描述中，参考示例性实施例和实施方案描述本发明。本发明不限于所陈述的任何布置的具体细节，提供所述细节是为了理解本发明。
一般来说，提供AB类放大器用于接收输入电流并且用于生成放大的输出电流。AB类放大器具有连接以提供输出电流的第一和第二输出发射器。根据所描述的布置，如果输入电流小于阈值，那么启用第一输出晶体管，并且禁用第二输出晶体管。如果输入电流超过阈值，那么启用第二输出晶体管。
以此方式根据输出电流相对于阈值的大小从物理地小型的或物理地大型的输出晶体管中提供AB类放大器的输出电流。根据输出晶体管的相对大小，所述阈值可以是实施方案依赖性的。所述阈值可以是与输入电流信号相比。
一般来说，阈值经设定使得当输出信号较小时使用物理地较小的输出晶体管，并且当输出较大时使用物理地较大的输出晶体管。实际上阈值可以是值的范围，其中随着达到值范围的底部较大晶体管接通。
在图3中示出了根据一个实施例的修改的AB类放大器。
比较图3与图1，高侧(或正)电流镜布置14被适配成包括两个电流镜布置14a和14b。电流镜布置14a和14b中的每一个包括复制图1的电流镜布置14的电流镜布置。高侧(或正)电流镜布置14a包括电流镜布置中的晶体管M3A和M4A，并且高侧(或正)电流镜布置14b包括电流镜布置中的晶体管M3B和M4B。
低侧(或负)电流镜布置16被适配成包括两个电流镜布置16a和16b。电流镜布置16a和16b中的每一个包括复制图1的电流镜布置16的电流镜布置。低侧(或负)电流镜布置16a包括电流镜布置中的晶体管M5A和M6A，并且低侧(或负)电流镜布置16b包括电流镜布置中的晶体管M5B和M6B。
图1布置的晶体管Ml在图3布置中拆分成两个晶体管M1A和M1B。图1布置的晶体管M100在图3布置中拆分成两个晶体管M100A和M100B。
图1布置的晶体管M2在图3布置中拆分成两个晶体管M2A和M2B。图1布置的晶体管M200在图3布置中拆分成两个晶体管M200A和M200B。
晶体管M100A和M100B中的每一个连接到不同的偏压电流，由参考标号5A和5B相应地表示的I偏压+1和I偏压+2。这导致根据它们的对应的偏压电流，在晶体管M100A和M100B中的每一个的漏极端子上形成不同的电压。继而，这在晶体管M1A和M1B的栅极端子上提供了不同的电压。晶体管M1A的栅极接收参考电压Vref，并且晶体管M1B的栅极上的电压是参考电压Vref加上晶体管M100A和M100B的漏极之间的电压差。以此方式晶体管M1A和M1B的阈值电压是有效地不同的，使得它们对输入电流具有不同的响应。
晶体管M1A控制电流镜对M3A和M4A，并且晶体管M1B控制电流镜对M3B和M4B。
在低输入电流M1A处，仅M3A和M4A是激活的。M1B并不传导，并且因此由M3B和M4B形成的电流镜布置禁用。这意味着M4A可以经大小设定以仅足够处理大部分的信号动态，这在交叉区域中的低电流处发生。
随着输入电流信号朝向其峰值增大，M1B开始开启并且开始围绕M1A使电流分流，这允许M4B起始有助于输出。在此类较高水平处，电流M4A开始接近饱和并且增益下降。此时，增益主要由M4B贡献。
因此随着输入电流接近并且超过阈值，较大输出晶体管开启以提供较大输出电流。
可以参考图4，其示出了如所描述的扩展AB类放大器的操作。
图4的参考标号302表示由晶体管M4A提供的图3的较小输出级的增益的曲线。参考标号304表示由晶体管M4B提供的图3的较大输出级的增益的曲线。
在图4中还通过参考标号300表示当示例性放大器用作切换封包追踪器中的误差放大器时将遇到的信号的典型分配。这意味着通过转换到较大级的任何非线性贡献是可忽略的。因为较小级的此大量减小的大小，可以使交叉静态电流低的较多，并且可以低至总体最大输出电流的2％。
由参考标号306表示的虚线表示误差放大器信号分配(按对数标度)。如通过参考标号301表示，大部分活动在图的左手侧上。
上述说明描述了AB类放大器输出的高侧的操作。在某些布置中，仅可以提供高侧，但是在更实际的布置中，可以提供高侧和低侧布置这两者。
第一和第二输出晶体管因此可连接到第一多个电源电压。第三和第四输出晶体管可以提供为连接到第二多个电源电压。如果输入电流小于阈值，那么第一第三和输出晶体管可以启用，并且如果输入电流超过阈值，那么第二和第四输出晶体管可以启用。
上文所述的用于高侧的操作的原理同等地适用于低侧。
晶体管M200A和M200B中的每一个连接到不同的偏压电流，由参考数字7A和7B相应地表示的I偏压-1和I偏压-2。这导致根据它们的对应的偏压电流，在晶体管M200A和M200B中的每一个的漏极端子上形成不同的电压。继而，这在晶体管M2A和M2B的栅极端子上提供了不同的电压。晶体管M2A的栅极接收参考电压Vref，并且晶体管M1B的栅极上的电压是参考电压Vref加上晶体管M200A和M200B的漏极之间的电压差。
晶体管M2A控制电流镜对M6A和M5A，并且晶体管M2B控制电流镜对M6B和M5B。
在低输入电流M2A处，仅M6A和M5A是激活的。M2B并不传导，并且因此由M6B和M5B形成的电流镜布置禁用。这意味着M5A可以经大小设定以仅足够处理大部分的信号动态，这在交叉区域中的低电流处发生。
随着输入电流信号朝向其负峰值减小，M2B开始开启并且开始围绕M2A使电流分流，并且这允许M5B起始有助于输出。在此类较高水平处，电流M5A开始接近饱和并且增益下降。此时，增益主要由M5B贡献。
因此可以理解在输出电流相对低的操作的主要区域-交叉区域中，输出晶体管M4A和M5A用于提供输出电流，所述输出电流经适当的大小设定以用于较小电流。在需要较高电流的操作的区域处，使用经适当的大小设定以处理较大电流的不同的输出晶体管M4B和M5B。
优选地需要提供M1A与M1B(以及M2A与M2B)之间的正确的栅极电压的一些装置，所述装置优选地经布置以考虑过程和温度的改变。这可以通过使用用于晶体管M1A和M1B的复本晶体管获得，所述复本晶体管与图1中的晶体管Ml相比是减小的大小的，但是与图1的Ml的几何形状相同。同样的情况也适用于晶体管M2A和M2B。
生成电流驱动器中的分段所必需的偏移电压是通过在每一侧中提供两个不同偏压电流获得的，所述偏压电流在高侧中表示为I偏压+1和I偏压+2。电流I偏压+1优选地与既定交叉电流成比例，而I偏压+2表示到较高电流区段的过渡电流。
可以理解的是驱动电流的分段可以通过一些其它装置获得，并且图3中说明的实施例仅仅是示例性的。
关于图5说明了对图3的AB类放大器的带宽的作用。通过假定每个级(正侧上的M3A/M4A和M3B/M4B)具有相同增益而简化分析。
通过电流镜布置M3A/M4A和M5A/M6A提供的较小级具有增益曲线510和由参考标号502表示的β处的极点。通过电流镜布置M3B/M4B和M5B/M6B提供的较大级具有增益曲线508和由参考标号506表示的α处的较低频率极点，这是因为较大晶体管具有较低的电流密度。
当两个极点之和如通过图5的增益曲线512所示分解成因子时，低频极点出现在输出处，但是因在(α+β)/2处为零而被取消。因此高频响应由β处的极点支配，并且对完整放大器的相位容限上存在极小的负影响。
在图5中比较了现有技术和扩展输出级的相位。在低频率处，扩展级具有额外滞后，但是在较高频率处当将获得放大器单位增益时，在两个级之间存在极小差异。随着电流的增大α处的极点将开始支配，但是在该点处极点将处于足够高的频率以避免包括输出带宽。
参考图6，说明了图3的布置的另一可选提高。
级联晶体管M7连接在晶体管M4A与电流输出端之间，级联晶体管M8连接在晶体管M4B与电流输出端之间，级联晶体管M9连接在晶体管M5A与电流输出端之间，并且级联晶体管M10连接在晶体管M5B与电流输出端之间。晶体管M7和M8的栅极接收连接的在栅极与VDD之间的电压源V+602的电压。晶体管M9和M10的栅极接收来自连接在栅极与Vss之间的电压源V—604的电压。
这些额外的串联晶体管M7、M8、M9、M10引入在每个输出晶体管中分离极点的益处，因此保持了带宽。
与使用此类级联布置相关联的缺点在于晶体管M4A和M5A必须制造的较大以容纳输出路径中的额外的晶体管。然而，在呈现于所描述的布置中的平行路径的存在下，这并未是相当大的问题并且可以完全实现级联级的优点。
本文中已经借助于实例参考实施例描述了本发明。本发明不限于所描述的实施例，也不限于在实施例中特征的特定组合。在本发明的范围内可以对实施例作出修改。本发明的范围由所附权利要求书界定。

Claims (20)

1.一种AB类放大器，其用于接收输入电流并且生成放大的输出电流并且具有经连接以提供所述输出电流的第一和第二输出晶体管，其中如果所述输入电流小于阈值，那么启用所述第一输出晶体管并且禁用所述第二输出晶体管，并且如果所述输入电流超过阈值，那么启用所述第二输出晶体管。
2.根据权利要求1所述的AB类放大器，其中所述第二输出晶体管物理地大于所述第一输出晶体管。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的AB类放大器，其中所述第一和第二输出晶体管形成第一和第二电流镜的一部分。
4.根据权利要求3所述的AB类放大器，其进一步包括第一和第二输入晶体管，以用于根据所述输入电流控制所述第一和第二电流镜。
5.根据权利要求4所述的AB类放大器，其中所述第一和第二输入晶体管的所述阈值电压是不同的，使得所述第一输入晶体管对低于所述阈值的输入电流做出响应并且所述第二输入晶体管对高于所述阈值的输入电流做出响应。
6.根据权利要求4或权利要求5所述的AB类放大器，其中在所述第一和第二输入晶体管的控制节点处的电压是固定的。
7.根据权利要求6所述的AB类放大器，其中在所述第一和第二输入晶体管的所述控制节点处的所述电压是通过电流源和二极管接法晶体管设定的。
8.根据任一前述权利要求所述的AB类放大器，其中所述第一和第二晶体管相应地经连接以通过级联晶体管提供所述输出电流。
9.根据任一前述权利要求所述的AB类放大器，其中所述第一和第二输出晶体管连接到电源电压的第一极性，还提供了连接到所述电源电压的第二极性的第三和第四输出晶体管，其中如果所述输入电流小于所述阈值，那么启用所述第一和第三输出晶体管，并且如果所述输入电流超过所述阈值，那么启用所述第二和第四输出晶体管。
10.根据权利要求9所述的AB类放大器，其中所述第四输出晶体管物理地大于所述第三输出晶体管。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的AB类放大器，其中所述第三和第四输出晶体管形成第三和第四电流镜的一部分。
12.根据权利要求11所述的AB类放大器，其进一步包括第三和第四输入晶体管，以用于根据所述输入电流控制所述第三和第四电流镜。
13.根据权利要求12所述的AB类放大器，其中所述第三和第四输入晶体管的所述阈值电压是不同的，使得所述第三输入晶体管对低于所述阈值的输入电流做出响应并且所述第四输入晶体管对低于所述阈值的输入电流做出响应。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的AB类放大器，其中在所述第三和第四输入晶体管的控制节点处的电压是固定的。
15.根据权利要求14所述的AB类放大器，其中所述第三和第四输入晶体管的所述控制节点的所述电压是通过电流源和二极管接法晶体管设定的。
16.根据权利要求11到15中任一权利要求所述的AB类放大器，其中所述第三和第四晶体管相应地经连接以通过级联晶体管提供所述输出电流。
17.一种控制AB类放大器的方法，所述AB类放大器包括用于接收输入电流并且生成放大的输出电流并且具有经连接以提供所述输出电流的第一和第二输出晶体管的AB类放大器，其中如果所述输入电流小于阈值，那么启用所述第一输出晶体管并且禁用所述第二输出晶体管，并且如果所述输入电流超过阈值，那么启用所述第二输出晶体管。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括根据权利要求4所述的AB类放大器，其中所述第一和第二输入晶体管的所述阈值电压是不同的，使得所述第一输入晶体管对低于所述阈值的输入电流做出响应并且所述第二输入晶体管对高于所述阈值的输入电流做出响应。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的方法，其进一步包括根据任一前述权利要求所述的AB类放大器，其中所述第一和第二输出晶体管连接到电源电压的第一极性，还提供了连接到所述电源电压的第二极性的第三和第四输出晶体管，其中如果所述输入电流小于所述阈值，那么启用所述第一和第三输出晶体管，并且如果所述输入电流超过所述阈值，那么启用所述第二和第四输出晶体管。
20.根据权利要求17到19中任一权利要求所述的方法，其进一步包括根据权利要求12所述的AB类放大器，其中所述第三和第四输入晶体管的所述阈值电压是不同的，使得所述第三输入晶体管对低于所述阈值的输入电流做出响应并且所述第四输入晶体管对低于所述阈值的输入电流做出响应。
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