CN1575541A - 功率放大器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一个功率放大器模块，它包括两个排列成BTL结构的单端放大器(101和102)。这两个单端放大器(101和102)具有低阻抗倒相输入，由一个电阻R1耦合用来提高稳定性和静态电流控制。

Description

功率放大器模块

技术领域

本发明涉及一个功率放大器模块，特别是涉及音频功率放大器。

背景技术

现有技术展示了很多可以用于音频放大的功率放大器。具体地，美国专利No.5,216,381示出了一个单位增益末级，特别用于可单片集成功率放大器，该功率放大器使用AB-驱动类N沟道MOS晶体管作为电源装置。该功率放大器包括一个高增益反馈差分放大器，其倒相输入端与功率放大器的输入端相连。该现有技术放大器有一些重要缺陷：静态电流控制不精确且稳定性不够。

图1示出一个相应的包含有一对末端N-沟道MOS功率晶体管1和2的单位增益末级。第一晶体管1将其漏极端子与一个电源电压3相连，其源极端子与第二晶体管2的漏极端子相连。第二晶体管2的源极端子接地。功率放大器的输出端4接在第一晶体管1的源极端子与第二晶体管2的漏极端子之间。高增益反馈差分放大器5有一个倒相输入端，它与功率放大器的输入端相连。差分放大器5的非倒相输入端子连接到放大器的输出端4，且所述的差分放大器5的输出端连接到第二晶体管的控制端。此外，校平电路6连接到第二晶体管2的控制端。第三MOS晶体管7的源极端子连接到功率放大器的输入；控制端和第三MOS晶体管7的漏极端子连接到第一晶体管1的控制端和第一电流源8。

美国专利No.5,361,041示出了一个包含了一个具有用来驱动一个源极跟随输出晶体管的驱动器电路地推挽放大器的一个类似电路结构。该驱动电路包含有一个具有与源极跟随器晶体管的电气特性基本相似的复制晶体管，一个隔离放大器，和一个与复制晶体管和隔离放大器耦合的电路，用于将复制晶体管与缓冲输出信号间的电压求和，向源极跟随器输出晶体管提供控制信号。交叉电流反馈电路通过响应检测到的流过下面的输出晶体管的电流，调节提供到上面的源极跟随器输出晶体管的控制信号来调节流过输出晶体管的静态电流。

美国专利No.5,973,564示出一个典型的用于控制流过功率晶体管的静态电流的可选方案。即，流过末级的各个功率晶体管的电流流入最小值选择器。这样测得的最小电流通过一个比较器与参考电流进行比较。接着比较器的输出通常会按需要加大或减小静态电流。然而对于励磁较大的情况，该静态电流控制回路不再与信号回路正交。结果是牺牲了总体稳定性。这可以通过将静态电流控制环的增益降低来抵消，但是会产生静态电流控制不准确的结果。

美国专利No.4,539,529示出了一个包含了第一和第二可操作放大器和第一和第二分压器的半导体放大器，该第一和第二分压器分别连接在第一第二可操作放大器的输出端与一个参考电压源之间。第一和第二电阻被分别接到第一和第二分压器的分压点与第一和第二可操作放大器的倒相输入之间，分别形成实际的负反馈。

放大器电路的一个第一信号输入端分别连接到第一和第二可操作放大器的倒相输入端。第三公共分压器连接在参考电压源与一个供电电压源之间。一个共用中间电阻被连接到公共分压器的分压点，且第一和第二电源电阻与中间电阻串连在一起。第一和第二电源电阻分别连接在中间电阻与第一与第二可操作放大器的非倒相输入端之间。第一电阻的阻值基本上等于第一电源电阻的阻值加中间电阻阻值的两倍。第二电阻的阻值基本上等于第二电源的阻值加中间电阻的阻值的两倍。该放大器电路的一个缺陷是该结构不能用于不对称输入。

对于音频功率放大器，经常在一个BTL结构中使用两个串联级联倒相放大器来用一个差分输出信号驱动负载，如，扬声器。这样的音频放大器可以从Philips Electronics N.V.处购买，如TDA8941P音频放大器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一个改进的功率放大器模块，克服现有技术的缺陷。

对发明中的潜在问题的解决方法由独立的权利要求中设计的特征来提供。该发明的优选实施例在从属权利要求中给出。

本发明的优点在于以精确的静态电流控制及增强的稳定性为特征的功率放大器模块。

本发明的另一个优点是静态电流控制可以非常精确而不牺牲稳定性。再有一优点是本发明使电路结构可以用于不对称输入。

另外，本发明特别适用于BiMos工艺，象Philips半导体ABCD工艺。在这样的工艺中，可伴随小型双极型晶体管的高跨导性及低噪音性能开发出MOST功率晶体管的低RdsOn的热动态鲁棒性。

按照本发明的一个优选实施例，与耦合倒相输入的电阻相比，单端放大器的倒相输入为低阻抗电流输入，一直到高频。这样，两个放大器的反馈导纳保持恒定。这样，放大器几乎“看不到”对方，因而保持了稳定性。

按照本发明的另一个优选的实施例，各个单端放大器都有一个npn晶体管作为输入级。这样，由于对每个单端放大器使用单个输入晶体管，因而可达到共同补偿。两个单端放大器的倒相输入的补偿电流需要施加。

按照本发明的功率放大器的应用包括了干线供电的应用，如电视音响，PC的音响，随身听的音响，汽车音响***及所有其它种类的音频和音响***。然而本发明不限于音频信号放大的领域，而是也可以用于其它种类的信号。例如，本发明可以用于其它在电感性负载下的应用及由于大量市场需求较大而需要有高稳定性和低价的应用中，如电机驱动。

附图说明

下面通过参照附图对本发明的优选实施例进行较详细的描述，其中：

图1是现有技术的单位增益末级的电路图，

图2是按照本发明的一个功率放大器模块的优选实施例的电路图，

图3是图1的功率放大器模块的一个输入结构的电路图，

图4是图1的功率放大器模块的一个末端模块的第一实施例的电路图，

图5是图1的功率放大器模块的一个末端模块的第二实施例。

具体实施方式

图2示出按照本发明的一个功率放大器模块的电路图。该功率放大器模块包括一个单端放大器101和一个单端放大器102。总的说来，一个单端放大器是一个具有单个相对于接地操作的输出端的放大器。输入端与地间的电压差被放大。

单端放大器101包括一个npn-晶体管103和一个末端模块104。晶体管103的偏压端连接至单端放大器101的非倒相端105，晶体管103的发射极连接至单端放大器101的倒相端106。晶体管103的集电极连接至末端模块104的输入端。末端模块104的输出连接至单端放大器101的输出端107。

单端放大器102有一个对应的npn晶体管108和一个末端模块109。晶体管108的基极连接到单端放大器102的非倒相端110，晶体管108的源极连接到单端放大器102的倒相端111。晶体管108的漏极连接到末端模块109的输入端。末端模块109的输出连接到单端放大器102的输出端。

基本上，末端模块104和109各实现一个集成IV转换器。

电阻R1耦合在单端放大器101的106端子与单端放大器102的111端子之间。而且，电阻R2连接到端子106和107之间，且电阻R3连接到端子111和112。通过电阻R2和R3分别从输出端107和112提供一个反馈部分。

在操作中输入电压Vin加在端子105上，且电源参考电压Hvp加在端子110上。为了获得最大的输出振幅而无削波，其数值通常选在电源电压(Vp)的一半。这就分别在端子107和112产生电压Vout1和Vout2。电压Vout1和Vout2用于在BTL结构中驱动负载。

与R1相比，单端放大器101和102的对应倒相输入端106和111一直到高频都为低阻抗电流输入。因此反馈回路的传递函数分别保持放大器101和102的导纳因数在(1/R2)和(1/R3)。产生的结果是，两个单端放大器101和102几乎“看不到”对方。因此，即使在高频下，放大器101的环路增益也未被放大器102的环路增益恶化，反之亦然。这样，稳定性保持在最佳。

由于分别将一个单端输入晶体管103和108用于单端放大器101和102，输出电压低于Hvp。它可以通过在倒相输入端106和111上加上补偿电流加以补偿，数值分别为Vd/R2和Vd/R3，其中Vd是一个正向偏置二极管的电压，或者也可通过将Hvp增加Vd来补偿。

在象此处考虑的带符号非对称输入的情况下，电阻R2和R3应选择不同的数值，使得共模输出电压保持固定，最好是保持最大0.5％的削波变形输出功率，从而使未削波的差分输出电压振幅达到最大。一个较好的选择是R3＝R1+R2。这种情况下增益变为2×R3/R1。

应注意输入信号是不对称的。如果需要也能够在端子106电压为Hvp+Vin且端子110电压为Hvp-Vin时使用对称输入信号。由于经济的原因在骄车无线电中大多使用平衡输入信号，因为当组合频道时共用接地线和很多电容器因而能节省费用。为了使输出功率达到最大，在负载上加上对称的(差分)输出信号。

图3示出了一个电路图，对图2的功率放大器模块的一个输入结构做了描述。电压e_in是一个需要放大的音频信号，例如一台CD机的输出信号。该信号通过一个电容器Cx进行滤波来提供加在端子105(参照图2)上的电压，该电压为Vin。

还提供一个参考电压e_hvp。该电压加在地和两个电阻Rx和Ry的连接之间。电阻Rx的另一端连接到Vin且电阻Ry的另一端提供电压Hvp，该电压加在端子110上(参考图2)。另外，有一个滤波电容器Cy连接在电阻Ry与地之间。Hvp是一个固定电压。Vin是一个在Hvp附近波动的信号。

即，与对称输入不同，当一个输入随另一个输入降低而上升时，在这里，我们有一个不对称的输入：一半是固定的，另一半是变动的。结果是，如果选择(R3＝R2)，则共模输出电压(Vout1+Vout2)/2将不固定在Hvp。结果是，输出信号将提早削波到电源，造成(差分)削波失真。由于这个原因，选择R3＝R1+R2。这样，共模输出电压将对于每个Vin数值都保持在完全等于Hvp。由此，所能产生的不被削波的差分输出信号就能够达到最大。由于集成音频放大器的失真一般低于0.05％，削波探测电路通常在测到失真约在0.5％时“点火”。

图4分别示出了一个末端模块为104和109的优选实施例的电路图。电容器Cm1连接到末端模块的输入端。电容器Cm1的另一端连接到功率晶体管M2的门极。另外，晶体管M3的门极连接到末端模块的输入端113。电流源114耦合到晶体管M2的门极和晶体管M3的漏极。晶体管M3的源极耦合到一个电流宿115。电流源114提供电流I，电流宿115吸收电流I+2×Iq。

另外，晶体管M3的源极连接到功率晶体管M1的基极。一个电容器Cm2连接到晶体管M3的基极、功率晶体管M2的源极和功率晶体管M1的漏极。在该点上提供输出电压Vout。

另外，末端模块有箝位电路116和117。静态电流控制通过使用箝位电路116和117来完成。电流Iq输入电流镜，主要是M2b。以此方式获得的箝位电压通过箝位晶体管T1和T3施加到M2的门极。使用npn型晶体管使箝位电压的误差较低，这很重要，因为在静态条件下，M2和M1倾向于在弱倒相下操作。

在静态条件下，在负载上无电压降落。因此，不会有电流离开放大器。结果是，M1和M2的电流必须相等，他们的电压Vgs也必须相等。由此，流过T1和T2的箝位电流相等。按照Kirchoff的电流法则，T1，T2，T3，T4，M1b和M2b都将流过等于Iq的电流。通过M1和M2的静态电流因而分别变成：Iq乘以M1b和M1之间的面积之比及M2b和M2之间的面积之比。

该静态电流控制还有一个附加的优点。箝位电路的发射极协助在电源端的门极降低阻抗。用这种方式，相应的(亚优势的)极变到一个较高的频率，提高了放大器的稳定性。

按照一个优选实施例，M3的漏极不直接接到M2的门极，而是通过一个折叠栅-阴放大器。该栅-阴放大器也栅-阴放大电流源114以保证输出电压平衡变化而不会阻塞M3。

图5示出末端模块的另一个优选实施例。与图4的实施相比，功率晶体管M1和M2为互补的，用于提高声音的质量。在该实施例中晶体管M3的漏极连接到电流反向器118。

Claims (8)

1.一种功率放大器模块，包括一个第一单端放大器(101)和一个第二单端放大器(102)，以桥式连接负载(BTL)结构排列，该第一和第二单端放大器分别有一个第一和二低阻抗倒相输入(106，110)，通过一个第一电阻性元件(R1)耦合。

2.权利要求1中的功率放大器模块，所述第一单端放大器有一个非倒相输入端(105)，用于接收一个输入电压(Vin)，且所述第二单端放大器有一个第二非倒相输入端(110)，用于接收电源电压(Hvp)或是在完全差分输入信号的情况下，接收反转输入电压。

3.权利要求1或2中的功率放大器，所述第一和第二单端放大器各有一个NPN晶体管(103，108)做为输入级，该NPN晶体管的发射极分别被耦合到第一和第二低阻抗倒相输入端。

4.权利要求1，2或3中的功率放大器模块，所述第一单端放大器有一个第二阻性元件(R2)以提供第一反馈部分，且第二单端放大器有第三阻性元件(R3)以提供一个第二反馈部分，该第一和第二阻性元件的总阻抗等于第三阻性元件的阻值。

5.上述权利要求1到4的任一项中的功率放大器模块，所述第一和第二单端放大器各自包括一个带静态电流控制的末端模块(104，109)。

6.权利要求5中的功率放大器模块，所述末端模块各自包括第一和第二箝位电路(116，117)。

7.前面要求1到6中任一项的功率放大器模块，所述各个末端模块包括一对互补功率晶体管(M1，M2)。

8.权利5，6或7中的功率放大器模块，所述各个末端模块包括一个电流镜(118)。

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