CN109120234B - 一种新型功率放大电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型功率放大电路，包括级联的初级运放单元以及至少一个次级运放单元，所述初级运放单元的输出对所述初级运放单元形成局部反馈，所述次级运放单元的输出对所述初级运放单元形成级间反馈；本发明的有益效果是本发明提供的功率放大电路能够实现单端或全差分结构，适用于不同的应用情景，适合在保持高信号带宽同时，显著提高功率放大器的开环增益从而降低其总谐波失真，并保证其稳定性。

Description

一种新型功率放大电路
技术领域
本发明属于功率放大器领域，尤其是涉及一种使用级联运算放大器的功率放大电路。
背景技术
在在现有的技术中，功率放大器广泛用于通讯系统，音频系统等诸多领域。宽信号带宽，低谐波失真，低功耗，并保持电路的稳定性一直是高性能功率放大器的追求目标。为了保证低谐波失真，传统的功率放大器采用单级甲乙类放大器，由于受集成电路带宽增益积的影响，这类结构在应对高信号带宽，低谐波失真率以及低功耗的系统中，面临诸多挑战。降低谐波失真的有效途径是提高运放的环路增益，但是提高高频信号的增益，意味着更高的功耗以及稳定性变差的风险。
Vom：共模电压
Vin:输入信号电压
Vinn：V in negative负极性的输入信号电压
Vinp：V in positive正极性的输入信号电压
Vo：输出信号电压
Vop：V out positive正极性的输出信号电压
Von：V out negative负极性的输出信号电压
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种功率放大电路，尤其适合在保持高信号带宽同时，显著提高功率放大器的开环增益从而降低其总谐波失真，并保证其稳定性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种新型功率放大电路，其特征在于：包括级联的初级运放单元以及至少一个次级运放单元，所述初级运放单元的输出对所述初级运放单元形成局部反馈，所述次级运放单元的输出对所述初级运放单元形成级间反馈。
还包括补偿电路；所述补偿电路包括电阻和/或电容和/或电感，或其组合。其值可以取任意数值，甚或为0。以适应不同应用情景的需求。
所述初级运放单元包括第一运算放大器OP1，所述次级运放单元包括第二运算放大器OP2；
所述第一运算放大器OP1的输出端与所述第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
所述第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到所述第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；
所述第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到所述第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；
所述第一运算放大器OP1的反相输入端连接反相输入补偿电路Z1。
所述第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压Vin；
所述第一运算放大器OP1的反相输入端通过所述反相输入补偿电路Z1连接共模电压Vom。
假定所述第一运算放大器OP1，所述第二运算放大器OP2均为单极点运放，则其传输函数分别可以表述为：
Figure BDA0001743889490000021
Figure BDA0001743889490000022
其中H1(s)，H2(s)运放为第一，第二运算放大器的传输函数，A1和A2为第一，第二运算放大器的直流增益，p1,p2为第一，第二运算放大器的主极点。从而，该结构的环路增益可以表述为
Figure BDA0001743889490000031
从上式可以看出，环路增益提高到
Figure BDA0001743889490000032
第一运算放大器OP1的极点被推远(1-b)A1倍，并引入了一个负零点，从而改善环路的相位裕度，提高结构的稳定性。
第一运算放大器OP1的反相传输系数可以但不限于通过改变差分输入管的分配比例实现。
有优选地，也可以在第二运算放大器OP2采用局部反馈结构以优化系统的稳定性。
即在以上原电路的基础上：
所述第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到所述第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为c；
所述第二运算放大器OP2的输出端局部反馈到所述第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为(1-c)。
进一步的，对第二运算放大器OP2的局部反馈可以与第一运算放大器OP1局部反馈组合使用，以进一步增强系统的稳定性。
在以上电路的基础上，还包括设置于所述第二运算放大器OP2的输出端到所述第二运算放大器OP2的反相输入端局部反馈回路的第二运放局部反馈补偿电路Z4；
所述第二运算放大器OP2的反相输入端通过第二运放反相输入补偿电路Z3连接共模电压Vom。
优选地，以上本发明所提供的单端放大电路均可以组合成全差分放大电路。即，所述新型功率放大电路还包括级联的第二初级运放单元以及至少一个第二次级运放单元；所述第二初级运放单元及所述第二次级运放单元与所述初级运放单元及所述次级运放单元组合成全差分结构。与单端放大电路相比，全差分放大电路能提供更大的输出电压摆幅，并具有不易受共模噪声影响，更高的线性度，减少偶次谐波干扰等优点。
进一步的，也可以在Z1的输入端加载共模信号。
本发明具有的优点和积极效果是：由于采用上述技术方案，本发明提供的功率放大电路能够实现单端或全差分结构，适用于不同的应用情景，适合在保持高信号带宽同时，显著提高功率放大器的开环增益从而降低其总谐波失真，并保证其稳定性。
附图说明
图1是本发明一单端形式实施例示意图
图2是本发明一二级运放带局部反馈的单端形式实施例示意图
图3是本发明另一二级运放带局部反馈的单端形式实施例示意图
图4是本发明一全差分形式实施例示意图
图5是本发明一带共模输入的全差分形式实施例示意图
图6是传统二级运放开环增益的Bode图
图7是本发明一实施例开环增益的Bode图
图8是本发明一带共模输入保护的实施例局部示意图
图9是本发明一带输出保护的实施例局部示意图
图10是本发明一带电源端保护的实施例局部示意图
具体实施方式
本发明提供了一种新型功率放大电路，包括级联的初级运放单元以及至少一个次级运放单元，初级运放单元的输出对初级运放单元形成局部反馈，次级运放单元的输出对初级运放单元形成级间反馈。
还包括补偿电路；补偿电路包括电阻和/或电容和/或电感，或其组合。其值可以取任意数值，甚或为0。以适应不同应用情景的需求。
在图1所示的本发明一单端形式实施例中，由级联的第一运算放大器OP1与第二运算放大器OP2组成一个单端放大电路。
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；
第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；
第一运算放大器OP1的反相输入端连接反相输入补偿电路Z1。
第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压Vin；
第一运算放大器OP1的反相输入端通过反相输入补偿电路Z1连接共模电压Vom。
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第二运算放大器OP2的反相输入端。
在本实施例中，假定A1＝100,A2＝1000,
Figure BDA0001743889490000051
Z1＝Z2＝0
则可得到如图7所示的本发明一实施例开环增益的Bode图，
与相同条件下的传统二级运放的开环增益，如图6所示进行对比。
可以看出，本发明的实施例中尽管直流增益有所减少，但是高频增益几乎相同，相位特性明显改善，相位裕度从0度提高到80度，稳定性大大提高。
在本发明的一些实施例中，也可以在OP2采用局部反馈结构，或者与OP1局部反馈组合使用。
如图2所示，在本发明一二级运放带局部反馈的单端形式实施例中，由级联的第一运算放大器OP1与第二运算放大器OP2组成一个单端放大电路。
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；
第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；
第一运算放大器OP1的反相输入端连接反相输入补偿电路Z1。
第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压Vin；
第一运算放大器OP1的反相输入端通过反相输入补偿电路Z1连接共模电压Vom。
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为c；
第二运算放大器OP2的输出端局部反馈到第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为(1-c)。
如图3所示，在本发明另一二级运放带局部反馈的单端形式实施例中，由级联的第一运算放大器OP1与第二运算放大器OP2组成一个单端放大电路。
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；
第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；
第一运算放大器OP1的反相输入端连接反相输入补偿电路Z1。
第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压Vin；
第一运算放大器OP1的反相输入端通过反相输入补偿电路Z1连接共模电压Vom。
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为c；
第二运算放大器OP2的输出端通过第二运放局部反馈补偿电路Z4反馈到所述第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为(1-c)；
第二运算放大器OP2的反相输入端通过第二运放反相输入补偿电路Z3连接共模电压Vom。
如图4所示，在本发明一全差分形式实施例中，级联的第一运算放大器OP1与第二运算放大器OP2组成差分电路的一端，
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；
第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；
第一运算放大器OP1的反相输入端连接补偿电路Z1。
第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第二运算放大器OP2的反相输入端。
与前述电路相同的电路组成差分放大电路的另一端；
差分放大电路两端的第一运算放大器的反相输入端通过补偿电路Z1互相连接；
差分放大电路一端的第一运算放大器的同相输入端连接负极性的输入信号电压Vinn，对应的，该端的第二运算放大器的输出端连接负极性的输出信号电压Von；差分放大电路另一端的第一运算放大器的同相输入端连接正极性的输入信号电压Vinp，对应的，该端的第二运算放大器的输出端连接正极性的输出信号电压Vop。
如图5所示，在本发明一带共模输入的全差分形式实施例中，级联的第一运算放大器OP1与第二运算放大器OP2组成差分电路的一端，
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第一运算放大器OP1的输出端与第二运算放大器OP2的同相输入端连接；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；
第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；
第一运算放大器OP1的反相输入端连接补偿电路Z1。
第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压；
第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到第二运算放大器OP2的反相输入端。
第一运算放大器OP1的反相输入端通过反相输入补偿电路Z1连接共模电压Vom。
与前述电路相同的电路组成差分放大电路的另一端；
差分放大电路一端的第一运算放大器的同相输入端连接负极性的输入信号电压Vinn，对应的，该端的第二运算放大器的输出端连接负极性的输出信号电压Von；差分放大电路另一端的第一运算放大器的同相输入端连接正极性的输入信号电压Vinp，对应的，该端的第二运算放大器的输出端连接正极性的输出信号电压Vop。
值得说明的是，在以上各实施例中，补偿电路Z1,Z2可以为电阻，电容，电感等结构或其组合形式等其他类型，其值可以取任意数值，甚或为0。
值得说明的是，在本发明的各实施例中，还可以设置保护电路，现有的保护电路的形式与目的有多种，包括但不限于共模输入保护电路，输出保护电路以及电源端保护电路。
如图8、本发明一带共模输入保护的实施例局部示意图所示，本发明的一些较优选实施例中，具有共模输入保护电路，能够防止在运放器处于闭环状态时，共模电压超出极限值导致运放器的损坏。
本实施例中，共模输入保护单元包括电压源V，电阻R1，二极管D1及二极管D2；
第一级运放器OP1的正相输入端连接结点O1；
结点O1连接电阻R1；
结点O1正向串联二极管D1与电压源V正极连接；
结点O1反相串联二极管D2与电压源V负极连接。
通过以上设置，利用二极管的单向导通特性，OP1输入端的电压被限制在±(V+VD)之间。
如图9、本发明一带输出保护的实施例局部示意图所示，本发明的一些较优选实施例中，具有输出保护电路，一方面能够限制运放的输出电流；另一方面也限制输出电压的幅值。
本实施例中，输出保护单元包括电阻R2以及稳压管DZ；
第二级运放器的输出端串联电阻R2连接结点O2；
结点O2串联稳压管DZ接地；
结点O2引出放大电路输出端。
如图10、本发明一带电源端保护的实施例局部示意图所示，本发明的一些较优选实施例中，具有电源端保护电路，避免误将运放器电源极性接反导致运放器损坏。
本实施例中，电源端保护单元包括分别设置于OP1电源端的二极管，二极管方向OP1接入电源正确时的电流方向相同；误将电源极性接反时，由于二极管的单向导通特性，运放器不工作，避免发生损坏。
保护电路可以有多种形式，不局限于以上提出的形式，但带有不同保护电路或其组合的本发明的不同实施例仍均属于本发明的技术方案范畴之内。
值得说明的是，在本发明的各实施例中，并不局限于两个运算放大器级联的形式，可以为三个乃至更多的运算放大器级联，但对每个运算放大器的性能要求较高，且需要在多级解决噪声，温漂，电路成本会上升。故在本发明中选用两个运算放大器级联以兼顾性能与成本，但三个乃至更多运算放大器级联的形式仍归属于本发明的技术方案范畴之内。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (3)

1.一种新型功率放大电路，其特征在于：包括级联的初级运放单元以及至少一个次级运放单元，所述初级运放单元的输出对所述初级运放单元形成局部反馈，所述次级运放单元的输出对所述初级运放单元形成级间反馈；
所述次级运放单元的输出对所述次级运放单元形成局部反馈；
还包括级联的第二初级运放单元以及至少一个第二次级运放单元；所述第二初级运放单元及所述第二次级运放单元与所述初级运放单元及所述次级运放单元组合成全差分结构；
还包括补偿电路；所述初级运放单元包括第一运算放大器OP1，所述次级运放单元包括第二运算放大器OP2；所述第一运算放大器OP1的输出端与所述第二运算放大器OP2的同相输入端连接；所述第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到所述第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为b；所述第一运算放大器OP1的输出端局部反馈到所述第一运算放大器OP1的反相输入端，反相传输系数为(1-b)；所述第一运算放大器OP1的反相输入端连接反相输入补偿电路Z1；
所述第二运算放大器OP2的输出端通过反馈补偿电路Z2反馈到所述第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为c；
所述第二运算放大器OP2的输出端局部反馈到所述第二运算放大器OP2的反相输入端，反相传输系数为(1-c)；
还包括设置于所述第二运算放大器OP2的输出端到所述第二运算放大器OP2的反相输入端局部反馈回路的第二运放局部反馈补偿电路Z4；
所述第二运算放大器OP2的反相输入端连接第二运放反相输入补偿电路Z3；所述第二运算放大器OP2的反相输入端通过所述第二运放反相输入补偿电路Z3连接共模电压Vom；
当所述第一运算放大器OP1以及所述第二运算放大器OP2为主极点分别为的单极点运放时；
所述第一运算放大器OP1的直流增益为时，所述第一运算放大器OP1的传输函数可表示为；
所述第二运算放大器OP2的直流增益为时，所述第二运算放大器OP2的传输函数可表示为；
功率放大电路的环路增益：
。
2.根据权利要求1所述的一种新型功率放大电路，其特征在于：
所述第一运算放大器OP1的同相输入端连接输入信号电压Vin；
所述第一运算放大器OP1的反相输入端通过所述反相输入补偿电路Z1连接共模电压Vom。
3.根据权利要求1所述的一种新型功率放大电路，其特征在于：所述补偿电路包括电阻和/或电容和/或电感，或其组合。
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