摘要：设计了一种用于耳机驱动的cmos功率放大器，该放大器采用0.35μm双层多晶硅工艺实现，驱动32ω的电阻负载。该设计采用三级放大两级密勒补偿的电路结构，通过提高增益带宽来提高音频放大器的性能。仿真结果表明，该电路的开环直流增益为70db，相位裕度达到86.6°，单位增益带宽为100mhz。输出级采用推挽式ab类结构，能有效地提高输出电压的摆幅，从而得到电路在低电源电压下的高驱动能力。结果表明，在3.3v电源电压下，电压输出摆幅为2.7v。

　关键词：cmos；功率放大器；单位增益带宽；输出摆幅

　　低功耗、高性能是音频放大器一直追求的目标。近几年来cmos功率放大器得到很大发展，采用此工艺将会有效地降低功耗，但是随之而来的问题是如何获得有效的增益带宽，降低电源等产生的噪声，如何有效降低谐波失真，在低电源电压下获得近乎满幅的输出，以获得有效的电压输出等。

　本文介绍的两级密勒补偿结构的放大器结构简单，很好地满足了增益带宽及电压输出摆幅的要求。

放大器的结构

　该功率放大器采用三级放大结构。输入级为折叠式放大结构，输入管为p管，以降低闪烁噪声。折叠式输入级的输出，直接作为输出级中p沟晶体管的驱动。

　 第二级为非反相放大级，它由一个共源p沟输入管，一个电流镜和一个电流为80μa的恒流源组成。该级电路的重要作用在于为输出级的n管提供合理的偏置电压，以使输出级的两个管子的偏置电压分开，从而实现ab类输出。

　输出级则为推挽式的ab类结构，该结构的特点是p管和n管交替导通，这样输出电压仅损失一个管子的过驱动电压，有效地提高输出电压的水平，满足在低电源电压下信号的输出驱动的要求。本设计电路输出级的静态电流为1ma。放大器的输出级和第一级及第二级之间有两个密勒型的补偿回路，密勒补偿采用了零电阻补偿法，该方法通过将补偿电容c_c串联一个电阻r_z，消除了仅由电容进行补偿引起的右半平面(rhp)零点效应，增加电路的稳定性。

　npower2线用于省功耗控制，当它的值为低电位时，整个电路不工作，处于省功耗状态。省功耗控制对于便携式系统是十分必要的。

　具体结构如图1所，其中v_p1，v_p2，v_n2和v_n2为偏置电压。

图1　放大器电路的结构

放大器电路稳定性分析

　在未接补偿电容和电阻的情况下，开环响应的极点频率

f₁=1/(2πr₁c₁)；　f₂=1/(2πr₂c₂)；f₃=1/(2πr₃c₃)，

　式中：r_i和c_i(i=1，2，3)分别是第i级的等效输入电阻和电容，其中r3为输出负载电阻。

　带补偿的三级功率放大器稳定性设计的条件是主极点f₁≤f_t<f_n，n=2，3，，n，f_t为放大器的单位增益频率，即在f_t频率范围内开环增益以20db每10倍频程的速度下降。

　图2是未加补偿的带有32ω负载的三级放大器的波特相位特性的仿真结果，由此图可以看出，未加补偿前在单位增益频率范围内有两个极点，相位裕度只有36°，电路不够稳定。

图2　未加补偿时的波特相位图

　图3给出了负载为32ω的三级放大器加补偿之后的仿真结果，f₁，f₂极点通过补偿被有效分离，f₁向低频点移动，移动到较低的频率，而f₂则移动到f_t频率外，达到很高的频率。由f₁≤f_t<f₂推出，极点很好地满足了电路稳定性条件。

图3　补偿后的波特相位图

　采用两级零电阻补偿的方法将引入两个零点，一个为右半平面(rhp)零点，另一个则为左半平面(lhp)零点。它们的值分别为：z_rhp=1/(c_c2/g_m3-r_z2c_c2)；z_lhp=-1/(r_z1c_c1)，其中c_c1，r_z1，c_c2，r_z2分别为第一级和第二级的补偿电容与电阻，g_m3为第三级的跨导。

　右半平面的零点存在将会减缓幅值下降，因而使增益交点外推，更远离原点，从而大大降低电路的稳定性，因此必须将其消除。由右半平面零点的公式，理论上可以推出：选择零电阻rz2的值，使其满足r_z2<