CMOS功率運放輸出級電路的原理圖分析及詳解

前面介紹的CMOS運放，大都采用共源輸出級電路，因而輸出阻抗較高，且驅動力也較差。CMOS功率輸出級電路。本節將討論輸出阻抗低，能驅動大容負載（包括低阻值的電阻負載）、靜態功耗小的CMOS功運放，CMOS功率運放的設計包括兩部分，即前置放大和輸出級，而前置放大器的設計同前面討論的各類CMOS運放的設計沒有什么區別，因此本節主要討論CMOS功率運放輸出級電路的設計方法。

1、CMOS輸出級電路原理

圖3.7-1是CMOS功率運放輸出級電路的原理圖，A1放大器與共源放大器M1構成全負反饋放大器；同樣，A2放大器與共源放大器M2也構成全負反饋放大器，即構成電壓跟隨器，所以它的電壓增益為且具有低的輸出阻抗。CMOS功率輸出級電路。圖3.7-1電路主要缺點是由于A1和A2的失調電壓使驅動電路M1和M2的靜態工作電流很難確定。

在圖3.7-1電路的基礎上，給出實用的CMOS功率運放輸出級電路，其原理圖如圖3.7-2所示。

圖中的放大器A作為輸出級電路的前置放大器，Cc為前置放大器的補償電容。輸入信號經輸入級A放大器放大以后加到的柵極，其源極得到較大幅度的信號。正半周信號經放大器之后送到輸出端，由于構成負反饋回路，A1負輸入端的信號幅值與A1正輸入端的信號（輸出信號）幅值相同，即構成增益為1的負反饋放大器。CMOS功率輸出級電路。負半周信號經放大器之后送到輸出端，構成負反饋回路，增益也為1。因此，輸出級是增益為1的負反饋放大器，正因為深度負反饋，所以工作點穩定且具有低的輸出阻抗。M18和M17的漏極信號電壓處于正半周時，A1驅動M6，向負載提供電流，此時處于小電流或截止狀態；當M18和M17的漏極信號電壓處于負半周時，A2驅動，從負載吸入電流，此時處于小電流或截止狀態，因而圖3.7-2輸出級電路是甲、乙類推挽式放大器。

圖中的，可使輸出管的靜態電流保持平衡，并具有確定的值。假如由于A1放大器的失調電壓使M6管的靜態電流增大，由于M6管電流增大，使管電流也增大，通過電流增大，其VGS電壓也增大，由于輸出電壓處于定值（零伏），這祥在放大器A2的正輸入端得到負電壓，其輸出端電壓變負即驅動柵極電壓減小，使電流減小。

由圖及上面討論可知，A1與A2的失調可由源跟隨器的VGS的變化量來消除，以保證在靜態條件下其工作電流具有額定值。

正向輸出增益為1的負反饋放大電路A1如圖3.7-3所示。

由M1~M5構成差分放大器，它與共源放大器組成增益為1的負反饋放大器，圖中的Cc和MPC管組成放大器的頻率補償，該電路具有大的正向共模輸入電壓范圍。CMOS功率輸出級電路。當輸入電壓為正向電壓時，管的VGS電壓加大，使輸出電流增大。為了盡可能增大輸出電流，除了提高M6管的跨導外應提高VGS的最大值。在條件下，M1、M2應仍工作在飽和區。

由圖可得

而

所以

由（3.7-3）式可知，增大，應增大M1，M2管閾值電壓加大閾值電壓除了在工藝上保證外，將M1和M2的襯底接在負電源Vss上，即利用襯底偏置效應使閾值電壓。加大，并且增大VT也隨之加大，這樣，保證了隨著輸入信號增大，管的VGS，電壓也隨之加大，增大了輸出電流，其最大輸出電流決定于的跨導。

關于負向輸出電路A2的結構可參看圖3.7-4，其工作原理與正向輸出電路相同，這里不再贅述。

2、CMOS功率運放輸出級實際電路

根據圖3.7-2原理圖，設計出CMOS功率運放輸出級電路圖如圖3.7-4所示。圖中構成A1放大器，構成A2放大器，為運放的輸出級電路，分別為A1和A2的頻率補償電容。CMOS功率輸出級電路。現對圖中MOS管的作用作些說明，當很大的負向電壓加到M1管的柵極時，使M5管的漏源電壓為零，差分放大器M1和M2無電流流過，若無出管，則管的柵極電位是浮置的，即不確定，這樣管可能不處于截止狀態；當加管后，使管的柵極電位等于電源電壓Vcc，保證管處于良好截止狀態。

同樣的作用是，的柵極為很大的正向電壓時，的柵極電位為Vss，從而使管處于良好的裁止狀態。

圖3.7-4電路還具有限流性能，若過流，MP1電流加大，經，使的柵極電壓上升，從而減小流過的電流，起了限流作用。的最大電流限制在60毫安左右。

最后，對圖3.7-4電路的頻率響應作些說明。為簡單起見，只討論A1放大器與M6構成的正向放大器在開環條件下所產生的零極點。其交流等效電路如圖。3.7-5所示。

圖中是輸入差分放大器的跨導，是管的跨導，R1、C1分別是輸入差分放大器的輸出阻抗和輸出電容，R1、C1分別是輸出端的負載電阻和負載圖電容，Rc、Cc是頻率補償元件。經計算（可參閱文獻[16]），其零點、極點額率為

以上各式中P1是低頻極點（即主板點），P2、P3為高頻極點，管的輸出電導，Z為零點。CMOS功率輸出級電路。只要適當選擇零點，可消去由于極點所產生的相移，使電路在閉環錯況下保持穩定。

這電路的主要參數和器件尺寸、電容值分別列于表3.7-1和表3.7-2。

聯系方式：鄒先生

聯系電話：0755-83888366-8022

手機：18123972950

QQ：2880195519

聯系地址：深圳市福田區車公廟天安數碼城天吉大廈CD座5C1

請搜微信公眾號:“KIA半導體”或掃一掃下圖“關注”官方微信公眾號

請“關注”官方微信公眾號:提供  MOS管  技術幫助