專(zhuān)利名稱(chēng)：功率放大器模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)功率放大器模塊，特別是涉及音頻功率放大器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)展示了很多可以用于音頻放大的功率放大器。具體地，美國(guó)專(zhuān)利No.5,216,381示出了一個(gè)單位增益末級(jí)，特別用于可單片集成功率放大器，該功率放大器使用AB-驅(qū)動(dòng)類(lèi)N溝道MOS晶體管作為電源裝置。該功率放大器包括一個(gè)高增益反饋差分放大器，其倒相輸入端與功率放大器的輸入端相連。該現(xiàn)有技術(shù)放大器有一些重要缺陷靜態(tài)電流控制不精確且穩(wěn)定性不夠。
圖1示出一個(gè)相應(yīng)的包含有一對(duì)末端N-溝道MOS功率晶體管1和2的單位增益末級(jí)。第一晶體管1將其漏極端子與一個(gè)電源電壓3相連，其源極端子與第二晶體管2的漏極端子相連。第二晶體管2的源極端子接地。功率放大器的輸出端4接在第一晶體管1的源極端子與第二晶體管2的漏極端子之間。高增益反饋差分放大器5有一個(gè)倒相輸入端，它與功率放大器的輸入端相連。差分放大器5的非倒相輸入端子連接到放大器的輸出端4，且所述的差分放大器5的輸出端連接到第二晶體管的控制端。此外，校平電路6連接到第二晶體管2的控制端。第三MOS晶體管7的源極端子連接到功率放大器的輸入；控制端和第三MOS晶體管7的漏極端子連接到第一晶體管1的控制端和第一電流源8。
美國(guó)專(zhuān)利No.5,361,041示出了一個(gè)包含了一個(gè)具有用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)源極跟隨輸出晶體管的驅(qū)動(dòng)器電路地推挽放大器的一個(gè)類(lèi)似電路結(jié)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)電路包含有一個(gè)具有與源極跟隨器晶體管的電氣特性基本相似的復(fù)制晶體管，一個(gè)隔離放大器，和一個(gè)與復(fù)制晶體管和隔離放大器耦合的電路，用于將復(fù)制晶體管與緩沖輸出信號(hào)間的電壓求和，向源極跟隨器輸出晶體管提供控制信號(hào)。交叉電流反饋電路通過(guò)響應(yīng)檢測(cè)到的流過(guò)下面的輸出晶體管的電流，調(diào)節(jié)提供到上面的源極跟隨器輸出晶體管的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)輸出晶體管的靜態(tài)電流。
美國(guó)專(zhuān)利No.5,973,564示出一個(gè)典型的用于控制流過(guò)功率晶體管的靜態(tài)電流的可選方案。即，流過(guò)末級(jí)的各個(gè)功率晶體管的電流流入最小值選擇器。這樣測(cè)得的最小電流通過(guò)一個(gè)比較器與參考電流進(jìn)行比較。接著比較器的輸出通常會(huì)按需要加大或減小靜態(tài)電流。然而對(duì)于勵(lì)磁較大的情況，該靜態(tài)電流控制回路不再與信號(hào)回路正交。結(jié)果是犧牲了總體穩(wěn)定性。這可以通過(guò)將靜態(tài)電流控制環(huán)的增益降低來(lái)抵消，但是會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)電流控制不準(zhǔn)確的結(jié)果。
美國(guó)專(zhuān)利No.4,539,529示出了一個(gè)包含了第一和第二可操作放大器和第一和第二分壓器的半導(dǎo)體放大器，該第一和第二分壓器分別連接在第一第二可操作放大器的輸出端與一個(gè)參考電壓源之間。第一和第二電阻被分別接到第一和第二分壓器的分壓點(diǎn)與第一和第二可操作放大器的倒相輸入之間，分別形成實(shí)際的負(fù)反饋。
放大器電路的一個(gè)第一信號(hào)輸入端分別連接到第一和第二可操作放大器的倒相輸入端。第三公共分壓器連接在參考電壓源與一個(gè)供電電壓源之間。一個(gè)共用中間電阻被連接到公共分壓器的分壓點(diǎn)，且第一和第二電源電阻與中間電阻串連在一起。第一和第二電源電阻分別連接在中間電阻與第一與第二可操作放大器的非倒相輸入端之間。第一電阻的阻值基本上等于第一電源電阻的阻值加中間電阻阻值的兩倍。第二電阻的阻值基本上等于第二電源的阻值加中間電阻的阻值的兩倍。該放大器電路的一個(gè)缺陷是該結(jié)構(gòu)不能用于不對(duì)稱(chēng)輸入。
對(duì)于音頻功率放大器，經(jīng)常在一個(gè)BTL結(jié)構(gòu)中使用兩個(gè)串聯(lián)級(jí)聯(lián)倒相放大器來(lái)用一個(gè)差分輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)負(fù)載，如，揚(yáng)聲器。這樣的音頻放大器可以從Philips Electronics N.V.處購(gòu)買(mǎi)，如TDA8941P音頻放大器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一個(gè)改進(jìn)的功率放大器模塊，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。
對(duì)發(fā)明中的潛在問(wèn)題的解決方法由獨(dú)立的權(quán)利要求中設(shè)計(jì)的特征來(lái)提供。該發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中給出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于以精確的靜態(tài)電流控制及增強(qiáng)的穩(wěn)定性為特征的功率放大器模塊。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)電流控制可以非常精確而不犧牲穩(wěn)定性。再有一優(yōu)點(diǎn)是本發(fā)明使電路結(jié)構(gòu)可以用于不對(duì)稱(chēng)輸入。
另外，本發(fā)明特別適用于BiMos工藝，象Philips半導(dǎo)體ABCD工藝。在這樣的工藝中，可伴隨小型雙極型晶體管的高跨導(dǎo)性及低噪音性能開(kāi)發(fā)出MOST功率晶體管的低RdsOn的熱動(dòng)態(tài)魯棒性。
按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，與耦合倒相輸入的電阻相比，單端放大器的倒相輸入為低阻抗電流輸入，一直到高頻。這樣，兩個(gè)放大器的反饋導(dǎo)納保持恒定。這樣，放大器幾乎“看不到”對(duì)方，因而保持了穩(wěn)定性。
按照本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，各個(gè)單端放大器都有一個(gè)npn晶體管作為輸入級(jí)。這樣，由于對(duì)每個(gè)單端放大器使用單個(gè)輸入晶體管，因而可達(dá)到共同補(bǔ)償。兩個(gè)單端放大器的倒相輸入的補(bǔ)償電流需要施加。
按照本發(fā)明的功率放大器的應(yīng)用包括了干線供電的應(yīng)用，如電視音響，PC的音響，隨身聽(tīng)的音響，汽車(chē)音響系統(tǒng)及所有其它種類(lèi)的音頻和音響系統(tǒng)。然而本發(fā)明不限于音頻信號(hào)放大的領(lǐng)域，而是也可以用于其它種類(lèi)的信號(hào)。例如，本發(fā)明可以用于其它在電感性負(fù)載下的應(yīng)用及由于大量市場(chǎng)需求較大而需要有高穩(wěn)定性和低價(jià)的應(yīng)用中，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)。


下面通過(guò)參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行較詳細(xì)的描述，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的單位增益末級(jí)的電路圖，圖2是按照本發(fā)明的一個(gè)功率放大器模塊的優(yōu)選實(shí)施例的電路圖，圖3是圖1的功率放大器模塊的一個(gè)輸入結(jié)構(gòu)的電路圖，圖4是圖1的功率放大器模塊的一個(gè)末端模塊的第一實(shí)施例的電路圖，圖5是圖1的功率放大器模塊的一個(gè)末端模塊的第二實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖2示出按照本發(fā)明的一個(gè)功率放大器模塊的電路圖。該功率放大器模塊包括一個(gè)單端放大器101和一個(gè)單端放大器102?？偟恼f(shuō)來(lái)，一個(gè)單端放大器是一個(gè)具有單個(gè)相對(duì)于接地操作的輸出端的放大器。輸入端與地間的電壓差被放大。
單端放大器101包括一個(gè)npn-晶體管103和一個(gè)末端模塊104。晶體管103的偏壓端連接至單端放大器101的非倒相端105，晶體管103的發(fā)射極連接至單端放大器101的倒相端106。晶體管103的集電極連接至末端模塊104的輸入端。末端模塊104的輸出連接至單端放大器101的輸出端107。
單端放大器102有一個(gè)對(duì)應(yīng)的npn晶體管108和一個(gè)末端模塊109。晶體管108的基極連接到單端放大器102的非倒相端110，晶體管108的源極連接到單端放大器102的倒相端111。晶體管108的漏極連接到末端模塊109的輸入端。末端模塊109的輸出連接到單端放大器102的輸出端。
基本上，末端模塊104和109各實(shí)現(xiàn)一個(gè)集成IV轉(zhuǎn)換器。
電阻R1耦合在單端放大器101的106端子與單端放大器102的111端子之間。而且，電阻R2連接到端子106和107之間，且電阻R3連接到端子111和112。通過(guò)電阻R2和R3分別從輸出端107和112提供一個(gè)反饋部分。
在操作中輸入電壓Vin加在端子105上，且電源參考電壓Hvp加在端子110上。為了獲得最大的輸出振幅而無(wú)削波，其數(shù)值通常選在電源電壓(Vp)的一半。這就分別在端子107和112產(chǎn)生電壓Vout1和Vout2。電壓Vout1和Vout2用于在BTL結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)負(fù)載。
與R1相比，單端放大器101和102的對(duì)應(yīng)倒相輸入端106和111一直到高頻都為低阻抗電流輸入。因此反饋回路的傳遞函數(shù)分別保持放大器101和102的導(dǎo)納因數(shù)在(1/R2)和(1/R3)。產(chǎn)生的結(jié)果是，兩個(gè)單端放大器101和102幾乎“看不到”對(duì)方。因此，即使在高頻下，放大器101的環(huán)路增益也未被放大器102的環(huán)路增益惡化，反之亦然。這樣，穩(wěn)定性保持在最佳。
由于分別將一個(gè)單端輸入晶體管103和108用于單端放大器101和102，輸出電壓低于Hvp。它可以通過(guò)在倒相輸入端106和111上加上補(bǔ)償電流加以補(bǔ)償，數(shù)值分別為Vd/R2和Vd/R3，其中Vd是一個(gè)正向偏置二極管的電壓，或者也可通過(guò)將Hvp增加Vd來(lái)補(bǔ)償。
在象此處考慮的帶符號(hào)非對(duì)稱(chēng)輸入的情況下，電阻R2和R3應(yīng)選擇不同的數(shù)值，使得共模輸出電壓保持固定，最好是保持最大0.5％的削波變形輸出功率，從而使未削波的差分輸出電壓振幅達(dá)到最大。一個(gè)較好的選擇是R3＝R1+R2。這種情況下增益變?yōu)?×R3/R1。
應(yīng)注意輸入信號(hào)是不對(duì)稱(chēng)的。如果需要也能夠在端子106電壓為Hvp+Vin且端子110電壓為Hvp-Vin時(shí)使用對(duì)稱(chēng)輸入信號(hào)。由于經(jīng)濟(jì)的原因在驕車(chē)無(wú)線電中大多使用平衡輸入信號(hào)，因?yàn)楫?dāng)組合頻道時(shí)共用接地線和很多電容器因而能節(jié)省費(fèi)用。為了使輸出功率達(dá)到最大，在負(fù)載上加上對(duì)稱(chēng)的(差分)輸出信號(hào)。
圖3示出了一個(gè)電路圖，對(duì)圖2的功率放大器模塊的一個(gè)輸入結(jié)構(gòu)做了描述。電壓e_in是一個(gè)需要放大的音頻信號(hào)，例如一臺(tái)CD機(jī)的輸出信號(hào)。該信號(hào)通過(guò)一個(gè)電容器Cx進(jìn)行濾波來(lái)提供加在端子105(參照?qǐng)D2)上的電壓，該電壓為Vin。
還提供一個(gè)參考電壓e_hvp。該電壓加在地和兩個(gè)電阻Rx和Ry的連接之間。電阻Rx的另一端連接到Vin且電阻Ry的另一端提供電壓Hvp，該電壓加在端子110上(參考圖2)。另外，有一個(gè)濾波電容器Cy連接在電阻Ry與地之間。Hvp是一個(gè)固定電壓。Vin是一個(gè)在Hvp附近波動(dòng)的信號(hào)。
即，與對(duì)稱(chēng)輸入不同，當(dāng)一個(gè)輸入隨另一個(gè)輸入降低而上升時(shí)，在這里，我們有一個(gè)不對(duì)稱(chēng)的輸入一半是固定的，另一半是變動(dòng)的。結(jié)果是，如果選擇(R3＝R2)，則共模輸出電壓(Vout1+Vout2)/2將不固定在Hvp。結(jié)果是，輸出信號(hào)將提早削波到電源，造成(差分)削波失真。由于這個(gè)原因，選擇R3＝R1+R2。這樣，共模輸出電壓將對(duì)于每個(gè)Vin數(shù)值都保持在完全等于Hvp。由此，所能產(chǎn)生的不被削波的差分輸出信號(hào)就能夠達(dá)到最大。由于集成音頻放大器的失真一般低于0.05％，削波探測(cè)電路通常在測(cè)到失真約在0.5％時(shí)“點(diǎn)火”。
圖4分別示出了一個(gè)末端模塊為104和109的優(yōu)選實(shí)施例的電路圖。電容器Cm1連接到末端模塊的輸入端。電容器Cm1的另一端連接到功率晶體管M2的門(mén)極。另外，晶體管M3的門(mén)極連接到末端模塊的輸入端113。電流源114耦合到晶體管M2的門(mén)極和晶體管M3的漏極。晶體管M3的源極耦合到一個(gè)電流宿115。電流源114提供電流I，電流宿115吸收電流I+2×Iq。
另外，晶體管M3的源極連接到功率晶體管M1的基極。一個(gè)電容器Cm2連接到晶體管M3的基極、功率晶體管M2的源極和功率晶體管M1的漏極。在該點(diǎn)上提供輸出電壓Vout。
另外，末端模塊有箝位電路116和117。靜態(tài)電流控制通過(guò)使用箝位電路116和117來(lái)完成。電流Iq輸入電流鏡，主要是M2b。以此方式獲得的箝位電壓通過(guò)箝位晶體管T1和T3施加到M2的門(mén)極。使用npn型晶體管使箝位電壓的誤差較低，這很重要，因?yàn)樵陟o態(tài)條件下，M2和M1傾向于在弱倒相下操作。
在靜態(tài)條件下，在負(fù)載上無(wú)電壓降落。因此，不會(huì)有電流離開(kāi)放大器。結(jié)果是，M1和M2的電流必須相等，他們的電壓Vgs也必須相等。由此，流過(guò)T1和T2的箝位電流相等。按照Kirchoff的電流法則，T1，T2，T3，T4，M1b和M2b都將流過(guò)等于Iq的電流。通過(guò)M1和M2的靜態(tài)電流因而分別變成Iq乘以M1b和M1之間的面積之比及M2b和M2之間的面積之比。
該靜態(tài)電流控制還有一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)。箝位電路的發(fā)射極協(xié)助在電源端的門(mén)極降低阻抗。用這種方式，相應(yīng)的(亞優(yōu)勢(shì)的)極變到一個(gè)較高的頻率，提高了放大器的穩(wěn)定性。
按照一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，M3的漏極不直接接到M2的門(mén)極，而是通過(guò)一個(gè)折疊柵-陰放大器。該柵-陰放大器也柵-陰放大電流源114以保證輸出電壓平衡變化而不會(huì)阻塞M3。
圖5示出末端模塊的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。與圖4的實(shí)施相比，功率晶體管M1和M2為互補(bǔ)的，用于提高聲音的質(zhì)量。在該實(shí)施例中晶體管M3的漏極連接到電流反向器118。
權(quán)利要求
1.一種功率放大器模塊，包括一個(gè)第一單端放大器(101)和一個(gè)第二單端放大器(102)，以橋式連接負(fù)載(BTL)結(jié)構(gòu)排列，該第一和第二單端放大器分別有一個(gè)第一和二低阻抗倒相輸入(106，110)，通過(guò)一個(gè)第一電阻性元件(R1)耦合。
2.權(quán)利要求1中的功率放大器模塊，所述第一單端放大器有一個(gè)非倒相輸入端(105)，用于接收一個(gè)輸入電壓(Vin)，且所述第二單端放大器有一個(gè)第二非倒相輸入端(110)，用于接收電源電壓(Hvp)或是在完全差分輸入信號(hào)的情況下，接收反轉(zhuǎn)輸入電壓。
3.權(quán)利要求1或2中的功率放大器，所述第一和第二單端放大器各有一個(gè)NPN晶體管(103，108)做為輸入級(jí)，該NPN晶體管的發(fā)射極分別被耦合到第一和第二低阻抗倒相輸入端。
4.權(quán)利要求1，2或3中的功率放大器模塊，所述第一單端放大器有一個(gè)第二阻性元件(R2)以提供第一反饋部分，且第二單端放大器有第三阻性元件(R3)以提供一個(gè)第二反饋部分，該第一和第二阻性元件的總阻抗等于第三阻性元件的阻值。
5.上述權(quán)利要求1到4的任一項(xiàng)中的功率放大器模塊，所述第一和第二單端放大器各自包括一個(gè)帶靜態(tài)電流控制的末端模塊(104，109)。
6.權(quán)利要求5中的功率放大器模塊，所述末端模塊各自包括第一和第二箝位電路(116，117)。
7.前面要求1到6中任一項(xiàng)的功率放大器模塊，所述各個(gè)末端模塊包括一對(duì)互補(bǔ)功率晶體管(M1，M2)。
8.權(quán)利5，6或7中的功率放大器模塊，所述各個(gè)末端模塊包括一個(gè)電流鏡(118)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個(gè)功率放大器模塊，它包括兩個(gè)排列成BTL結(jié)構(gòu)的單端放大器(101和102)。這兩個(gè)單端放大器(101和102)具有低阻抗倒相輸入，由一個(gè)電阻R1耦合用來(lái)提高穩(wěn)定性和靜態(tài)電流控制。
文檔編號(hào)H03F3/68GK1575541SQ02820980
公開(kāi)日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月23日
發(fā)明者M·G·J·維斯蒂根 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司