CN114244291B - 功率驱动放大电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了功率驱动放大电路及方法，应用于乙类或甲乙类功率驱动放大中。该方法包括：将电压反馈控制施加于下拉驱动功率管，将电流反馈控制施加于上拉驱动功率管；将连接推挽输出一路的所述上拉驱动功率管由一电压反馈控制环路控制，使得电路的输出电压满足预定工作要求；将连接推挽输出另一路的所述下拉驱动功率管由电流反馈控制环路控制；对上拉电流进行检测，将上拉电流与一电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，输入电流反馈控制环路，以实现对下拉驱动功率管的电流反馈控制。本方案上拉驱动和下拉驱动的匹配性更好，具有更高的整体稳定性，谐波失真极小，且生产成本更低。

Description

功率驱动放大电路及方法

技术领域

本发明涉及推挽式乙类/甲乙类功率放大电路领域，尤其涉及一种推挽式的乙类/甲乙类的功率驱动放大电路及其驱动方法。

背景技术

一般的推挽式乙类或甲乙类功放，在信号的下拉驱动和上拉驱动中使用不同类型的功率放大管。例如，在射极跟随式的推挽式放大器中，下拉驱动一般采用PNP型三极管或者P型场效应管；而在上拉驱动中，则采用NPN型三极管或者N型场效应管。漏极驱动的推挽放大器上拉和下拉驱动管也属于不同类型。

现有技术方案中，其电路放大结构非常对称，实现方案简单，在设计中只需要进行对偏置工作点的调整，即可较好的对交越失真进行调整和优化。

但是由于现有的推挽式乙类或甲乙类功放电路工作必须要采用不同类型的功率管进行配对使用，而在半导体中，空穴载流子和电子载流子的迁移率有很大的区别，因此P型驱动管和N型驱动管本质上无法实现精确的匹配。更重要的是，主要载流子为空穴的功率管，由于迁移率较低，驱动能力受限。例如典型半导体工艺中，P型场效应管的导通阻抗为N型场效应管的3到4倍。为使得上拉驱动和下拉驱动的输出阻抗匹配，P型场效应管的面积和输入电容均为N型场效应管的3到4倍。所以P型场效应管的面积和成本占据主导地位。

另外，在温度和电压变化，以及半导体生产工艺中的参杂浓度改变时，由于空穴和电子载流子的变化特性不同，因此上拉驱动管和下拉驱动管的失配会随之变大，由此会导致功率放大电路谐波失真急剧增加。

而在采用三极管或者IGBT等不同驱动晶体管类型的推挽放大电路中，由于上拉驱动和下拉驱动管主要载流子类型不同，也存在类似的问题。

现有技术中，目前较为优良的规驱动方法主要有两种：其一，如在《IntegratedAudio Amplifiers in BCD Technology.》(The Springer International Series inEngineering and Computer Science,vol 418.Springer,Boston,MA.)中记载的方案，采用相位分割和电流镜的方法对全N管DMOS驱动级进行驱动的方法，但是该方法需要先对信号进行分割，分为上下半周期，然后采用比例电流放大的方法对输出驱动管进行控制，这种方法实现复杂，功耗较大，同时，对信号的周期分割的极大影响了输出谐波分量，使得较难控制交越失真。其二，如在《A class A/B floating buffer BiCMOS power op-amp》(IEEEjournal of solid-state circuits30.6(1995):670-676.Lish,C.Andrew)中记载的，采用浮动上下电压反馈驱动方法进行驱动，由于上下功率驱动管均采用电压反馈回路，因此其静态工作点较难控制，该方法中采用非线性的参考点设置方法，导致整体的工作点随温度电压和工艺波动较大，同时，为了使得下拉驱动管的增益与上拉驱动管一致，该方案降低控制环路增益，从而导致噪声增加，浪费部分功耗，同时对于电源纹波和干扰的抑制能力显著的降低。

发明内容

针对现有技术的不足，。具体而言，本发明提供了以下的技术方案：

一方面，本发明提供了一种功率驱动放大电路，所述电路为单端驱动；

所述功率驱动放大电路包括电压放大电路、电流检测电路、电流选择器、电流控制回路；所述射极跟随放大电路接电流检测电路，电流检测电路接电流选择器，电流选择器将选择后电流送入电流控制回路中，用来对输出的电流进行控制；

所述射极跟随放大电路由反向输入运算放大电路，以及与反向输入运算放大电路输出端连接的功率管NH1构成；

所述电流检测电路由运算放大器OP2及功率管NH2、晶体管PH1构成，以使得功率管NH1与功率管NH2的电流等比例缩小；其中，功率管NH2接运算放大器OP2反相输入端，晶体管PH1接运算放大器OP2输出端；电流检测电路输出电流接入电流选择器；

电流选择器选择参考电流Iref1与电流检测电路的输出电流中较小的电流，送入电流控制回路；

所述电流控制回路基于电流选择器的输出电流、工作电流Iref2，通过运算放大器OP3及与运算放大器OP3输出端连接的功率管NL1，形成电流控制负反馈电路，控制功率管NL1的工作状态。

优选的，所述功率管NH1为上拉驱动管，所述功率管NL1为下拉驱动管；

所述功率管NH1的源极、功率管NL1的漏极均连接所述功率驱动放大电路的输出管脚。

优选的，所述反向输入运算放大电路由运算放大器OP1、反馈电阻Rf、输入电阻Rin构成；

所述输入电阻Rin接运算放大器OP1的反向输入端，所述运算放大器OP1输出端接功率管NH1栅极连接；所述反馈电阻Rf与运算放大器OP1的反向输入端及功率管NH1的源极连接；

所述运算放大器OP1的输出端与功率管NH2栅极连接。

优选的，所述运算放大器OP2正相输入端连接功率管NH1源极及所述功率驱动放大电路的输出管脚；

所述运算放大器OP2反相输入端接功率管NH2源极、晶体管PH1的漏极。

优选的，所述运算放大器OP3的反相输入端接电流选择器选择后的输出电流端Imin、功率管NL2的漏极；所述运算放大器OP3的正相输入端接工作电流Iref2；

所述功率管NL2栅极接运算放大器OP3输出端。

优选的，所述功率管NH1、功率管NL1采用相同的载流子类型。

另一方面，本发明还提供了一种功率驱动放大方法，可以通过如上所述的功率驱动放大电路来实现，该方法可应用于乙类或甲乙类功率驱动放大中，所述方法包括：

将电压反馈控制施加于上拉驱动功率管，将电流反馈控制施加于下拉驱动功率管；

将连接推挽输出一路的所述上拉驱动功率管由一电压反馈控制环路控制，使得电路的输出电压满足预定工作要求；

将连接推挽输出另一路的所述下拉驱动功率管由电流反馈控制环路控制；

对上拉电流进行检测，将上拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，输入电流反馈控制环路，以实现对下拉驱动功率管的电流反馈控制；

上拉驱动功率管和下拉驱动功率管采用相同的载流子类型。

优选的，所述功率驱动放大方法中，将电压反馈控制施加于下拉驱动功率管，将电流反馈控制施加于上拉驱动功率管；将连接推挽输出一路的所述下拉驱动功率管由一电压反馈控制环路控制，使得电路的输出电压满足预定工作要求；将连接推挽输出另一路的所述上拉驱动功率管由电流反馈控制环路控制；对下拉电流进行检测，将下拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，输入电流反馈控制环路，以实现对上拉驱动功率管的电流反馈控制；

上拉驱动功率管和下拉驱动功率管采用相同的载流子类型。

此外，本发明还提供了一种功率驱动放大电路，所述功率驱动放大电路为差分驱动；

所述功率驱动放大电路包括差分驱动电路一、差分驱动电路二、电流选择器；

所述差分驱动电路一由射极跟随放大电路一、电流检测电路一、电流控制回路一构成；所述射极跟随放大电路一接电流检测电路一，电流检测电路一接电流选择器；电流选择器将选择后电流用于电流控制回路一中对下拉驱动管的共模电流控制；

所述差分驱动电路二由射极跟随放大电路二、电流检测电路二、电流控制回路二构成；所述射极跟随放大电路二接电流检测电路二，电流检测电路二接电流选择器；电流选择器将选择后电流用于电流控制回路二中对下拉驱动管的共模电流控制；

所述射极跟随放大电路一用于驱动差分输出的OUTP管脚，所述射极跟随放大电路二用于驱动差分输出的OUTN管脚；

所述电流检测电路一由运算放大器OP2P及功率管NH2、晶体管PH1、晶体管PH2构成，用于差分正端的电流检测；运算放大器OP2P的输出电压与OUTP管脚相同；电流检测电路一的输出电流Iph1、Iph2用于差分正端下拉驱动的电流控制回路一；

电流检测电路二由运算放大器OP2N及功率管NH4、晶体管PH3、晶体管PH4构成，用于差分负端的电流检测；运算放大器OP2N的输出电压与OUTN管脚相同；电流检测电路二的输出电流Inh1、Inh2用于差分负端下拉驱动的电流控制回路二；

电流控制回路一基于电流检测电路一的输出电流、电流选择器的输出电流、参考电流Iref，得到其输入电流Ip1，并基于该输入电流Ip1，控制用于下拉驱动的功率管NL1输出电流与目标电流一致；

电流控制回路二基于电流检测电路二的输出电流、电流选择器的输出电流、参考电流Iref，得到其输入电流In1，并基于该输入电流In1，控制用于下拉驱动的功率管NL4输出电流与目标电流一致。

优选的，所述电流控制回路一由运算放大器OP3P、NL1、NL2构成；

所述运算放大器OP3P的反相输入端接管脚OUTP、功率管NL1的漏极；所述运算放大器OP3P的正相输入端接输入电流Ip1；

所述功率管NL2栅极、功率管NL1栅极分别接运算放大器OP3P输出端，功率管NL2漏极接输入电流Ip1；

所述电流控制回路二由运算放大器OP3N、NL3、NL4构成；

所述运算放大器OP3N的反相输入端接管脚OUTN、功率管NL3的漏极；所述运算放大器OP3N的正相输入端接输入电流In1；

所述功率管NL3栅极、功率管NL4栅极分别接运算放大器OP3N输出端，功率管NL4漏极接输入电流In1。

优选的，所述功率驱动放大电路包括：用于作为上拉驱动管的功率管NH1、功率管NH4，所述功率管NH1用于驱动输出OUTP信号的上半周，所述功率管NH4用于驱动输出OUTN信号的上半周；

功率管NH2、NH3是功率管NH1的小比例镜像，用于检测功率管NH1的输出电流，功率管NH5、NH6作为功率管NH4的小比例镜像，用于检测功率管NH4的输出电流。

优选的，所述功率驱动放大电路包括：作为下拉驱动管的功率管NL1、功率管NL4，所述功率管NL1用于驱动输出OUTP信号的下半周，所述功率管NL4用于驱动输出OUTN信号的下半周；

功率管NL2、功率管NH3是功率管NL1的小比例镜像，用于对下拉驱动电流控制环路中的参考比对。

优选的，所述运算放大器OP1P/OP1N、OP2P/OP2N、OP3P/OP3N分别用于环路控制；输入电阻Rinp/Rinn和反馈电阻Rfp/Rfn用于调整功率放大电路的电压增益；电流选择器输出所选择的控制电流用于电流控制环路。

优选的，所述Ip1为输出电流Inh2与参考电流Iref之和，减去电流选择器选择后输出的较小电流Imin。

优选的，所述In1为输出电流Iph2与参考电流Iref之和，减去电流选择器选择后输出的较小电流Imin。

优选的，所述功率管NH1、NH4、NL1、NL4采用相同的载流子类型。

此外，本发明同时提供了一种功率驱动放大方法，可应用于乙类或甲乙类差分输出推挽放大输出驱动中，所述方法包括：

将基于有源反馈网络的电压反馈控制施加于连接推挽输出一路上拉驱动功率管，使得输出电压满足电压要求；将电流反馈控制施加于连接推挽输出另一路的下拉驱动功率管；对上拉电流进行检测，将上拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，基于选择出的一路电路、工作电流、电流检测电路的输出电流，作为电流反馈控制对下拉驱动功率管的控制依据；或者

将基于有源反馈网络的电压反馈控制施加于连接推挽输出一路下拉驱动功率管，使得输出电压满足电压要求；将电流反馈控制施加于连接推挽输出另一路的上拉驱动功率管；对下拉电流进行检测，将下拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，基于选择出的一路电路、工作电流、电流检测电路的输出电流，作为电流反馈控制对上拉驱动功率管的控制依据；

所述上拉驱动功率管和下拉驱动功率管采用相同的载流子类型。

优选的，所述电流选择器包括：电流比较器CMP，场效应管PSW1、PSW2、PSW3、PSW4；

所述电流比较器CMP通过对输入电流的采样进行比较，当正端输入电流较大时，电流比较器CMP的outp输出高电平，电流比较器CMP的outn输出低电平；当正端输入电流较小时，电流比较器CMP的outp输出低电平，电流比较器CMP的outn输出高电平；

所述场效应管PSW1、PSW2、PSW3、PSW4用于对电流比较器CMP的outn、outp进行开关选择，以控制电流选择器的输出。

优选的，所述功率驱动放大电路集成于一电路芯片中。为便于本功率驱动放大电路在具体产品中的应用，上述的单端及差分功率驱动放大电路可以集成于一电路芯片中进行使用，也可以根据具体的使用需求或设计需求，采用常规的电路模块部件方式来实现，进行一体化的封装，或者按照电路模组的区分(例如功能区分等)，进行分块化的封装，或者与其他关联使用的电路模组进行搭配组合形成一个或多个电路模组，进行封装或者不进行封装。

优选的，所述功率驱动放大电路应用于音频功率放大。

优选的，所述功率管为场效应管、三极管、LDMOS、IGBT中的任一种。

与现有技术相比，本发明的方案采用了相同的高效率多数载流子，因此在该推挽放大电路中上拉驱动和下拉驱动的匹配性更好，对温度、电压、半导体工艺等变化均不敏感，从而得到更高的整体稳定性。此外，由于采用控制环路对功率管的工作点进行控制，因此电路的谐波失真极小。最后，由于电子迁移率远高于空穴，因此相较于典型的全N型场效应管驱动，现有方案中的N型/P型场效应管驱动，有相同输出能力时，面积和成本可节约50％以上。因此就整体的性能和成本而言，本设计与现有方案相比，均具备较大的优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例的单端驱动推挽功率放大电路示意图；

图2为本发明实施例的差分驱动推挽功率放大电路的示意图；

图3为本发明实施例的电流选择器模块的一实施方式示意图；

图4为本发明实施例的乙类/甲乙类功率驱动电路的实现方法示意图；

图5为本发明实施例的差分输出的乙类/甲乙类功率驱动电路的实现方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种乙类/甲乙类驱动电路及其驱动方法。在一个具体的实施例中，其主要方式如下：

推挽电路中，上拉驱动和下拉驱动均采用多数载流子相同的功率驱动管(即功率管)。例如NPN型三极管或者N型场效应管等，也可以使用多数载流子为空穴的功率驱动管，例如PNP型三极管或者P型场效应管，或者其它类型的半导体工艺功率驱动管(例如LDMOS、IGBT)等。

上拉驱动和下拉驱动分别使用电压反馈控制环路和电流反馈控制环路，使得其稳定工作。其中，采用NPN型三极管或者N型场效应管时，上拉驱动通过电压反馈控制环路进行稳定；下拉驱动通过电流反馈控制环路进行稳定。采用PNP型三极管或者P型场效应管时，则上拉驱动采用电流反馈环路控制，下拉驱动采用电压反馈控制环路。

其中电流反馈控制环路的控制电流，是通过检测采集得到的电压控制回路中的功率管电流。根据该检测电流来对下拉驱动管进行控制，从而使得整体驱动电路的工作电流和工作电压均能稳定。

在一个更为具体的电流控制方法实例中，可以采用一个电流选择器，避免了需要对信号的正负半周进行划分并分别驱动，整体电路简洁高效。

实施例1

在一个具体的实施例中，结合图1所示，是本发明提供的一个单端驱动的推挽功率放大电路的优选结构。该实施例中，为便于阐述本发明的思路和具体方案，功率管以N型场效应管为例进行说明。当然，此处的功率管可以采用场效应管，也可以采用三极管，LDMOS，IGBT等任何一种半导体功率放大器件，本发明不应以此处例举单独N型场效应管作为对本发明保护范围的限定来理解。

其中，NH1是上拉驱动管，用于驱动输出信号的上半周；NH2是上拉驱动管的小比例镜像，用于检测上拉驱动管的输出电流；NL1是下拉驱动管，用于驱动输出信号的下半周；NL2和NL3是下拉驱动管的小比例镜像，用于对下拉驱动电流控制环路中的参考比对；运算放大器OP1、OP2、OP3分别用于环路控制；输入电阻Rin和反馈电阻Rf用来调整功率放大电路的电压增益；电流选择器输出所选择的控制电流给电流控制环路。

在本实施例中，该单端驱动的推挽功率放大电路由电压放大电路、电流检测电路、电流选择器及电流控制回路构成。电压放大电路接电流检测电路，电流检测电路接电流选择器，电流选择器将选择后电流送入电流控制回路中，用来对输出管的电流进行控制。

在一个更为具体的实施方式中，电压放大电路可以采用增强型射极跟随放大电路，结合图1，该增强型射极跟随放大电路由运算放大器OP1、输出功率管NH1、反馈电阻Rf、输入电阻Rin共同构成，该电路的电压增益为-Rf/Rin。运算放大器OP1和反馈电阻网络Rf、Rin组成一个反向输入运算放大电路。在对电压增益有不同要求的应用中，运算放大器OP1和反馈电阻网络Rf、Rin也可以被替换成其它类型的放大/缓冲电路，例如单位增益缓冲放大器、同相输入运算放大电路等。甚至可以省略掉该放大电路，输入端直接连接到NH1和NH2的栅极控制，这样NH1和NH2均工作在射极跟随放大模式，即自身分别作为单位增益缓冲的电压放大电路，此时构成一射极跟随放大电路结构。

NH2是NH1的一个小比例镜像功率管，一般来讲，NH2的大小是NH1的万分之一到十分之一。运算放大器OP2、NH2、晶体管PH1三者共同组成一个电流检测电路。运算放大器OP2输出电压和正端输入电压，也即OUT引脚电压相同。这样使得于NH2和NH1的栅极、源极、漏极电压均相同，因此NH2的电流与NH1的电流会精确按等比例缩小。该电流通过PH1后送入电流选择器，用于下拉驱动的电流控制回路。

上述OP2、PH1和NH2构成的电流检测电路，也可以有各种不同的具体实现方式。不同的具体实现方式不影响本实施例的覆盖范围。

电流选择器的引脚I1和I2分别接受两路电流输入，通过比较和选择，输出一路较小的电流即lmin到电流控制环路。较大的一路电流即lomx通过lmax引脚输出，可用于过流报警监控等辅助功能。

上述电流选择器选择Iref1和通过PH1的电流检测器输出电流中较小一路电流，并和Iref2一同送至电流控制回路，用来对输出管的电流进行控制。

运放OP3、输出功率管NL1、小比例输出镜像功率管NL2和NL3、电流选择器Imin输出端电流、以及Iref2共同构成了输出管的电流控制回路。

当输出为正半周时，此时OUT引脚上电压大于共模值，其输出电流方向为从引脚输出。这时，上拉驱动管NH1处在工作状态，NH2检测到的上拉输出电流大于Iref1参考电流，电流比较器输出为Iref1的值。电流控制回路会将NL1的电流维持在一个静态偏置点，该偏置点由Iref1和Iref2决定，其中Iref1电流与Iref2电流大致相当。

当输出为负半周时，此时OUT引脚上的电压小于共模值，其输出电流方向为从引脚输入。这时，下拉驱动管NL1处在驱动工作状态。此时，OP1、NH1和反馈网络构成的电压环路依然工作，电压反馈控制回路会使得输出电压满足要求，NH1的工作电流为由Iref2设定的工作电流，此处需要说明的是，本实施例中，可以以Iref2为静态工作电流作为参考电流，当然，该参考电流也可以是动态的，或者使用多个电流综合获得的一参考工作电流，其作用能够实现将NH1等相应的功率管工作电流进行控制和限制的适当方式，均可以应用。如果在该OUT引脚的输出电压，NL1下拉驱动电流过大，那么流过NL1的额外电流将通过NH1提供，使得NH1中电流将大于所设定的工作电流，例如可以是一设定的静态工作电流，电流检测电路输出NH2比例电流将大于Iref2，电流选择器输出的最小电流也大于Iref2，OP3放大器的输出电压变低，降低NL1栅极电压，从而使得下拉驱动电流降低，由此形成完整的电流控制负反馈回路。相似的，如果在该OUT引脚的输出电压，NL1下拉驱动电流过小，那么NH1中电流将小于所设定的工作电流，电流检测电路输出NH2比例电流小于Iref2时，电流选择器输出的最小电流小于Iref2，OP3放大器的输出电压变高，增加NL1栅极电压，从而使得下拉驱动电流增加，由此形成完整的电流控制负反馈回路。

在上述的实施例中，上述电流控制回路和电压控制回路的共同作用，分别对输出电压和输出电流进行反馈控制。从而使得电路在正常工作的前提下整体性能得到最大提升。

需要指出的是，在具体的方案实施中，由于不同的功率驱动管的负载特性不同，因此在上述电路基础上，可能需要增加额外的频率补偿通路。例如，在反馈电阻Rf两端并联一个滤波电容。该频率补偿通路不对关键的信号控制回路和整体的电路驱动方法产生影响。

在一具体应用实施方式中，所述功率驱动放大电路可以是集成于一电路芯片中。为便于本功率驱动放大电路在具体产品中的应用，上述的单端功率驱动放大电路可以集成于一电路芯片中进行使用，例如应用于音频放大驱动等应用场景之中。当然，本实施例的方案，也可以根据具体的使用需求或设计需求，采用常规的电路模块部件方式来实现，进行一体化的封装，或者按照电路模组的区分，进行分块化的封装等，或者与其他电路模块进行适当的组合来使用。

在又一个具体的实施方式中，图4给出了一种实现乙类/甲乙类功率驱动的方法，该方法可以通过如本实施例图1所示的单端驱动的推挽功率放大电路来实现。

在该方法中，其上拉驱动和下拉驱动的功率放大管具有相同的主要载流子类型。其具体的半导体功率器件类型可以是，N型场效应管、NPN三极管、P型场效应管、PNP型三极管等半导体功率放大管中任意一种。

其中推挽输出的上拉驱动功率管由一个电压反馈控制环路所控制，使得电路的输出电压满足工作要求。在具体实施方式中可使用运算放大器构成一个有源反馈网络来实现，也可以利用器件本身的特性实现，例如采用N型场效应管工作时，将通过将其设定在射极跟随放大模式来进行实现。

推挽放大输出的另外一路则由一套电流反馈控制环路进行控制。例如下拉驱动管采用电流的比例控制方法进行控制。可采用对电流的比例控制、使用运算放大器，或者是通过电流镜电路等不同方式均可实现。

在所述方法中，通过使用一个上拉电流检测模块，对上拉驱动管的输出电流进行检测。具体实现方式如下：上拉电流检测模块输出的电流与一路工作电流参考值(该电流参考值可以是一例如静态工作电流)一同送至一个电流比较选择器，进行电流比较和选择，选择出两路输入电流中较小或者较大的一路。电流比较选择器所选择出来的电流，用于电流反馈控制模块。

即使电流比较选择器可能会有不同的实现方式，只要其输入输出接口和具体的实现功能与所属实施例中一致，均属于该方法的覆盖范围之内。

所述方案的具体实现中，该电路的工作原理相同即：将电压反馈控制施加于下拉驱动管，电流反馈控制施加于上拉驱动管。该种条件下，电流比较选择器将检测下拉驱动管的电流，并交由电流比较器将其与工作电流比较并输出。

实施例2

基于上述实施例1中的单端驱动的推挽功率放大电路，还可以设计对应的差分驱动推挽功率放大电路进行应用。结合图2所示，在该实施例中，功率管以采用N型场效应管为例进行说明，当然，此处的功率管可以采用场效应管，也可以采用三极管，LDMOS，IGBT等任何一种半导体功率放大器件，本发明不应以此处例举单独N型场效应管作为对本发明保护范围的限定来理解。

其中，NH1/NH4是上拉驱动管，用于驱动输出OUTP/OUTN信号的上半周；NH2/NH5、NH3/NH6是上拉驱动管的小比例镜像，用于检测上拉驱动管的输出电流；NL1/NL4是下拉驱动管，用于驱动输出信号的下半周；NL2/NL5、NH3/NH6是下拉驱动管的小比例镜像，用于对下拉驱动电流控制环路中的参考比对；运算放大器OP1P/OP1N、OP2P/OP2N、OP3P/OP3N分别用于环路控制；输入电阻Rinp/Rinn和反馈电阻Rfp/Rfn用于调整功率放大电路的电压增益；电流选择器输出所选择的控制电流用于电流控制环路。

其中，运算放大器OP1P/OP1N、输出功率管NH1/NH4、反馈电阻Rfp/Rfn、输入电阻Rinp/Rinn共同构成增强型射极跟随放大电路，分别驱动差分输出的OUTP引脚和OUTN引脚，该放大电路的差分输出电压增益为(Rfp+Rfn+Rinp+Rinn)/(Rinp+Rinn)。运算放大器OP1P/OP1N和反馈电阻网络Rfp/Rfn、Rinp/Rinn共同构成一个单端转差分放大电路。在对电压增益有不同要求的应用环境中，运算放大器OP1P/OP1N和反馈电阻网络Rfp/Rfn、Rinp/Rinn共同构成的增强型射极放大电路可被替换成其它类型的放大/缓冲电路，例如单位增益缓冲放大器、反向或者同相差分运算放大电路等。在某些应用环境中，可移除运算放大器OP1P/OP1N，输入端直接分别连接到NH1/NH2/NH3、NH4/NH5/NH6的栅极控制端，此时NH1/NH4和NH2/NH5、NH3/NH6均工作在射极跟随放大模式，即自身分别作为单位增益缓冲的电压放大电路。

NH2/NH5和NH3/NH6分别是NH1/NH4的一个小比例镜像功率管，一般来讲，NH2/NH4和NH3/NH6的大小分别是NH1/NH4的万分之一到十分之一。运算放大器OP2P/OP2N、NH2/NH4、PH1/PH3、PH2/PH4分别组成对应的差分正端和差分负端电流检测器。运算放大器OP2P/OP2N的输出电压分别与OUTP/OUTN引脚电压相同。这样使得于NH1/NH2/NH3的栅极、源极、漏极电压均相同，因此NH2/NH3的电流与NH1的电流精确按比例缩小。该电流通过PH1/PH2后，输出电流Iph1/Iph2将用于差分正端下拉驱动的电流控制回路。同样的，NH4/NH5/NH6的栅极、源极、漏极电压均相同，因此NH5/NH6的电流与NH4的电流精确按比例缩小。该电流通过PH3/PH4后，输出电流Inh1/Inh2用于差分负端下拉驱动的电流控制回路。

上述具体实施例中，OP2P、PH1和NH2构成的电流检测电路和OP2N、PH3和NH5构成的电流检测电路也可以有各种不同的具体实现方式。即使电流检测电路也可以有各种不同的具体实现方式，只要其具体的实现功能与所属实施例中一致，均属于该方法的覆盖范围之内。

电流选择器的引脚I1和I2分别接收Iph1和Inh1两路电流输入，通过比较和选择，得到一路较小的电流Imin和一路较大的电流Imax。Imax引脚输出的较大电流Imax，可用于生成动态偏置或者过流报警监控等辅助功能。电流选择器输出的较小一路电流Imin则用来进行下拉驱动管的共模电流控制。

运放OP3P/OP3N、输出功率管NL1/NL3和分别所对应的小比例输出镜像功率管NL2/NL4共同构成输出管的电流控制回路。电流控制回路的输入为Ipl/Inl，分别使用差分对侧的检测电流Inh2/Iph2，减掉电流选择器的输出电流Imin，然后再加上参考电流Iref得到。也即Ipl＝Inh2-Imin+Iref和Inl＝Iph2-Imin+Iref。在另外的实施方式中，电流控制回路中，其输入Ipl/Inl，也可以使用差分对侧的检测电流Inh2/Iph2，减掉电流选择器的输出电流Imin，或者为减掉的电流选择器的输出电流Imin设置一权重k，以Ip1为例，即其具体计算方式可以是Inh2-Imin，或者Inh2-Imin×k，Inl的求解与之相似，不再赘述。在又一个具体的实施方式中，电流控制回路中，其输入Ipl/Inl，也可以使用差分对侧的检测电流Inh2/Iph2，减掉电流选择器的输出电流Imin或Imin的一比例，再加上参考电流Iref后，再加上一动态参考电流，以Ip1为例，即其具体计算方式可以是Inh2-Imin+Iref+Id，或者Inh2-Imin×k+Iref+Id，Inl的求解与之相似，不再赘述。上述电流的加减在电路中可以很容易的使用电流镜或者运算放大器进行，在此不再赘述。

运算放大器OP3P在正常工作时，会通过控制NL1和NL2的栅极电压，使得运算放大器的输入端，OUTP电压，和NL2的漏极电压基本相等。NL1和NL2的栅极、源极、漏极电压一致，因此其工作电流比例与和NL2与NL1大小比例一致。由此控制输出下拉驱动管NL1的电流与输入的控制电流Ipl一致。例如，假设下拉驱动电流，也即输入OUTP的电流较目标电流偏大，则因为NL1的输出阻抗，OUTP的电压会偏低，运算放大器OP3P的输出电压减小，通过栅极控制NL1和NL2的电流减少，使得输出下拉驱动电流与目标电流一致，形成完整的电流负反馈通路。

同理，OP3N和NL3与NL4共同构成差分负端的电流控制负反馈回路，控制差分负端的电流稳定输出。

和单端驱动不同，在差分驱动中，除保证差分输出电压和差分输出电流，也即OUTP与OUTN输出电压差和输出电流差满足使用要求外，同时还需要共模反馈控制环路，使得OUTP与OUTN的输出共模电压和功率输出级的共模工作电流稳定。

在该实施例中，差分输出的共模电压是由电压反馈控制环路稳定控制的。OP1P/OP1N、Rinp/Rinn、Rfp/Rfn共同组成一个单端转差分的电压放大回路。其中输入的共模值由连接到OP1N正端输入的输入引脚AC_GND电压与输入引脚INPUT的输入电压共同决定。在具体实施例中，输入引脚的直流也设定为AC_GND电压，信号通过交流耦合输入，因此该实施例的输出共模电压由AC_GND决定。并经由运放OP1P/OP1N的负反馈控制稳定。

功率输出级的共模电流，也即同时流过上拉驱动管和下拉驱动管的电流，例如同时通过NH1和NL1，或者同时通过NH4和NL3的电流。在本实施例中，电流选择器的输出最小电流，即为共模工作电流；在一个具体的实施方式中，在输出电流控制回路的输入中，从输入控制电流中减掉该共模电流，并增加一个参考电流Iref，可以将功率输出级的共模工作电流设定为一个由Iref确定的偏置点，从而能进行稳定工作。

本实施例的具体工作原理为，当差分正端输出引脚OUTP的输出为正半周时，OUTP引脚上电压大于输出共模值，其输出电流方向为从引脚输出。这时，上拉驱动管NH1处于工作状态，NH2检测到NH1的上拉输出电流Iph2，并将该电流送至差分负端输出的下拉电流控制环路。同时，差分正端的电流控制回路会将NL1的电流维持在一个静态偏置点，该偏置点由Iref决定以如下方式决定：

当差分正端输出引脚OUTP的输出为正半周时，差分负端输出引脚OUTN的输出为信号负半周，其输出电流方向为从该引脚输入。此时，下拉驱动管NL3处在功率输出状态，其输出电流Inl＝Iph2-Imin+Iref，基本由Iph2决定，也即与NH1的电流相同。上拉驱动管则处在静态工作状态。此时NH4的电流很小，为静态电流，因此电流检测回路中检测到的Inh1/Inh2电流值较小。

在该工作半周期中，电流选择器的输入电流Iph1远大于Inh1/Inh2，因此Imin电流等于Inh1/Inh2。所以NL2的工作电流为Inh2-Inh1+Iref，一般情况下，在该实施例中，Inh1＝Inh2，因此NL2的工作电流为Iref。

如上所述，差分正端输出引脚OUTP的输出为正半周时，电压反馈回路控制OUTP和OUTN的电压输出，电流控制回路则保证了上拉驱动管NH1和下拉驱动管NL3的电流大小一致，方向相反。此时上拉驱动管NH4和下拉驱动管NL1则工作在静态偏置点，其电流由Iref决定。

同样的，当差分正端输出引脚OUTP的输出为负半周时，则NL1和NH4处在功率驱动的工作状态，而NH1和NL3处在静态工作状态。

整体来看，差分输出驱动时，分别在不同的工作周期中，电流控制回路与电压控制回路共同作用，分别对输出电压和输出电流进行反馈控制，从而使得整体功率放大正常工作。

需要指出的是，在具体的方案实施中，由于不同的功率驱动管的负载特性不同，因此在上述电路基础上，可能需要增加额外的频率补偿通路。例如，在反馈电阻Rfp/Rfn两端并联一个滤波电容。该频率补偿通路不对关键的信号控制回路和整体的电路驱动方法产生影响。

另外的，由运放OP3P/OP3N、下拉驱动管NL1/NL3、下拉小比例电流镜像管NL2/NL4等共同组成的电流反馈控制环路，也可以有不同的电流比例反馈方式。以及在具体的不同实施场景中，所需要的不同的频率补偿网络。在不同的电流反馈控制环路，也可以有不同的电流比例反馈方式。即在具体的不同实施场景中，可能需要的不同的频率补偿网络。只要上述变动不影响该实施例的核心方法和电路实现方式，均属于该方法的覆盖范围之内。

在一具体应用实施方式中，上述的功率驱动放大电路可以是集成于一电路芯片中。为便于本功率驱动放大电路在具体产品中的应用，上述的差分功率驱动放大电路可以集成于一电路芯片中进行使用，例如应用于音频放大驱动等应用场景之中。当然，本实施例的方案，也可以根据具体的使用需求或设计需求，采用常规的电路模块部件方式来实现，进行一体化的封装，或者按照电路模组的区分，进行分块化的封装等，或者与其他电路模块进行适当的组合来使用。

在又一个具体的实施方式中，图5给出了一种实现差分输出的乙类/甲乙类功率驱动的方法，该方法可以通过如本实施例图2所示的差分驱动推挽功率放大电路来实现。

在该方法中，其上拉驱动和下拉驱动的功率放大管具有相同的主要载流子类型。其具体的半导体功率器件类型可以是，N型场效应管、NPN三极管、P型场效应管、PNP型三极管等半导体功率放大管中任意一种。

其中推挽输出的上拉驱动功率管由一个电压反馈控制环路进行控制，使得电路的输出电压满足要求。该反馈控制环路可以由一个有源反馈网络，例如使用运算放大器实现，也可以利用器件本身的特性，例如采用N型场效应管工作，将其设定在射极跟随放大模式来实现。

推挽放大输出的另外一路则由一套电流反馈控制环路进行控制。例如下拉驱动管采用电流的比例控制方法进行控制。可以通过使用运算放大器实现，也可以通过电流镜电路等方式实现。其具体的不同实现方式，均在本实施例的覆盖范围之内。

在所述方法中，通过使用一个上拉电流检测模块，对上拉驱动管的输出电流进行检测。并与一路工作电流参考值(该工作电流参考值可以是一例如静态工作电流参考值)一同送至一个电流比较选择器，进行电流比较和选择，选择出两路输入电流中较小或者较大的一路。电流比较选择器所选择出来的电流，用于电流反馈控制模块。此处需要说明的是，本实施例中，该工作电流参考值可以是一静态工作电流作为参考电流，当然，该参考电流也可以是动态的，或者使用多个电流综合获得的一参考工作电流，其作用能够实现将相应的功率管工作电流进行控制和限制的适当方式，均可以应用。

电流比较选择器也可能会有不同的实现方式，但是如果其输入输出接口和具体的实现功能与所属实施例中一致，其具体的不同实现方式也属于该方法的覆盖范围之内。

所述方案的具体实现中，也可以将电压反馈控制施加于下拉驱动管，电流反馈控制施加于上拉驱动管。这样的情况中，将检测下拉驱动管的电流，并由电流比较器将其与工作电流比较并输出。

实施例3

在又一个具体的实施例中，结合图3，本发明还提出了一种优选的电流选择器的电路设计方式。

该电流选择器模块中，I1和I2是该模块的两路输入电流信号，Imin和Imax是该模块的两路输出电流信号。电流比较器CMP通过对输入电流进行采样，并进行比较，得到比较结果outp和outn。当输入正端的电流较大时，outp输出为高电平，outn输出为低电平；当输入正端的电流比较小时，outp输出为低电平，outn输出为高电平。PSW1/PSW2/PSW3/PSW4分别为四个P型场效应管，用于对输入电流信号进行开关选择。

上述电路模块的电流比较选择的工作原理如下：当I1电流较大时，电流比较器的输入正端信号较高，outp输出高电平，outn输出低电平。此时，SW1关断，PSW2打开，选择I1信号输出至Imax引脚；同时PSW3打开，PSW4关断，选择I2电流至Imin引脚。同样的，当I2电流较大时，I2会被送至Imax引脚，I1送至Imin引脚。这样，就实现了输入电流的最大最小选择功能，即将输入引脚中较小的电流信号送至Imin引脚，较大的电流信号送至Imax引脚。

本方案在又一种实施方式下，可以通过各部分电路模块共同作用的方式来实现，所述各电路模块可以包括执行上述各个实施方式中各个或几个步骤的相应模块。因此，可以由相应模块执行上述各个实施方式的每个步骤或几个步骤，并且该电路模块可以包括这些功能模块中的一个或多个。电路模块可以是专门被设置为执行相应功能的一个或多个有源或者无源电子器件、或者由被设置为执行相应功能的集成电路来实现、或者部分功能模块可以通过模拟/数字转换，通过信号处理器，微型计算机等外置处理器来实现、或者通过上述某种组合来实现。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定功能或过程的步骤的可实现所述信号操作和控制的电路模块，并且本方案的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本方案的实施方式所属技术领域的技术人员所理解。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种功率驱动放大电路，其特征在于，所述电路为单端驱动；

所述功率驱动放大电路包括电压放大电路、电流检测电路、电流选择器、电流控制回路；所述电压放大电路为射极跟随放大电路，所述射极跟随放大电路接电流检测电路，电流检测电路接电流选择器，电流选择器将选择后电流送入电流控制回路中，用来对输出的电流进行控制；

所述电压放大电路由反向输入运算放大电路，以及与反向输入运算放大电路输出端连接的功率管NH1构成；

所述电流检测电路由运算放大器OP2及功率管NH2、晶体管PH1构成，以使得功率管NH1与功率管NH2的电流等比例缩小；其中，功率管NH2接运算放大器OP2反相输入端，晶体管PH1接运算放大器OP2输出端；电流检测电路输出电流接入电流选择器；

电流选择器选择参考电流Iref1与电流检测电路的输出电流中较小的电流，送入电流控制回路；

所述电流控制回路基于电流选择器的输出电流、工作电流Iref2，通过运算放大器OP3及与运算放大器OP3输出端连接的功率管NL1，形成电流控制负反馈电路，控制功率管NL1的工作状态。

2.根据权利要求1所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述功率管NH1为上拉驱动管，所述功率管NL1为下拉驱动管；

所述功率管NH1的源极、功率管NL1的漏极均连接所述功率驱动放大电路的输出管脚。

3.根据权利要求1所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述反向输入运算放大电路由运算放大器OP1、反馈电阻Rf、输入电阻Rin构成；

所述输入电阻Rin接运算放大器OP1的反向输入端，所述运算放大器OP1输出端接功率管NH1栅极连接；所述反馈电阻Rf与运算放大器OP1的反向输入端及功率管NH1的源极连接；

所述运算放大器OP1的输出端与功率管NH2栅极连接。

4.根据权利要求1所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述运算放大器OP2正相输入端连接功率管NH1源极及所述功率驱动放大电路的输出管脚；

所述运算放大器OP2反相输入端接功率管NH2源极、晶体管PH1的漏极。

5.根据权利要求1所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述运算放大器OP3的反相输入端接电流选择器选择后的输出电流端Imin、功率管NL2的漏极；所述运算放大器OP3的正相输入端接工作电流Iref2；

所述功率管NL2栅极接运算放大器OP3输出端。

6.一种功率驱动放大方法，其特征在于，应用于乙类或甲乙类功率驱动放大中，所述方法包括：

将电压反馈控制施加于上拉驱动功率管，将电流反馈控制施加于下拉驱动功率管；将连接推挽输出一路的所述上拉驱动功率管由一电压反馈控制环路控制，使得电路的输出电压满足预定工作要求；将连接推挽输出另一路的所述下拉驱动功率管由电流反馈控制环路控制；对上拉电流进行检测，将上拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，输入电流反馈控制环路，以实现对下拉驱动功率管的电流反馈控制；或者，

将电压反馈控制施加于下拉驱动功率管，将电流反馈控制施加于上拉驱动功率管；将连接推挽输出一路的所述下拉驱动功率管由一电压反馈控制环路控制，使得电路的输出电压满足预定工作要求；将连接推挽输出另一路的所述上拉驱动功率管由电流反馈控制环路控制；对下拉电流进行检测，将下拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，输入电流反馈控制环路，以实现对上拉驱动功率管的电流反馈控制；

上拉驱动功率管和下拉驱动功率管采用相同的载流子类型。

7.一种功率驱动放大电路，其特征在于，所述功率驱动放大电路为差分驱动；

所述功率驱动放大电路包括差分驱动电路一、差分驱动电路二、电流选择器；

所述差分驱动电路一由射极跟随放大电路一、电流检测电路一、电流控制回路一构成；所述射极跟随放大电路一接电流检测电路一，电流检测电路一接电流选择器；电流选择器将选择后电流用于电流控制回路一中对下拉驱动管的共模电流控制；

所述差分驱动电路二由射极跟随放大电路二、电流检测电路二、电流控制回路二构成；所述射极跟随放大电路二接电流检测电路二，电流检测电路二接电流选择器；电流选择器将选择后电流用于电流控制回路二中对下拉驱动管的共模电流控制；

所述射极跟随放大电路一用于驱动差分输出的OUTP管脚，所述射极跟随放大电路二用于驱动差分输出的OUTN管脚；

所述电流检测电路一由运算放大器OP2P及功率管NH2、晶体管PH1、晶体管PH2构成，用于差分正端的电流检测；运算放大器OP2P的输出电压与OUTP管脚相同；电流检测电路一的输出电流Iph1、Iph2用于差分正端下拉驱动的电流控制回路一；

电流检测电路二由运算放大器OP2N及功率管NH4、晶体管PH3、晶体管PH4构成，用于差分负端的电流检测；运算放大器OP2N的输出电压与OUTN管脚相同；电流检测电路二的输出电流Inh1、Inh2用于差分负端下拉驱动的电流控制回路二；

电流控制回路一基于电流检测电路一的输出电流、电流选择器的输出电流、参考电流Iref，得到其输入电流Ip1，并基于该输入电流Ip1，控制用于下拉驱动的功率管NL1输出电流与目标电流一致；

电流控制回路二基于电流检测电路二的输出电流、电流选择器的输出电流、参考电流Iref，得到其输入电流In1，并基于该输入电流In1，控制用于下拉驱动的功率管NL4输出电流与目标电流一致。

8.根据权利要求7所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述电流控制回路一由运算放大器OP3P、NL1、NL2构成；

所述运算放大器OP3P的反相输入端接管脚OUTP、功率管NL1的漏极；所述运算放大器OP3P的正相输入端接输入电流Ip1；

所述功率管NL2栅极、功率管NL1栅极分别接运算放大器OP3P输出端，功率管NL2漏极接输入电流Ip1；

所述电流控制回路二由运算放大器OP3N、NL3、NL4构成；

所述运算放大器OP3N的反相输入端接管脚OUTN、功率管NL3的漏极；所述运算放大器OP3N的正相输入端接输入电流In1；

所述功率管NL3栅极、功率管NL4栅极分别接运算放大器OP3N输出端，功率管NL4漏极接输入电流In1。

9.一种功率驱动放大方法，其特征在于，应用于乙类或甲乙类差分输出推挽放大输出驱动中，所述方法包括：

将基于有源反馈网络的电压反馈控制施加于连接推挽输出一路上拉驱动功率管，使得输出电压满足电压要求；将电流反馈控制施加于连接推挽输出另一路的下拉驱动功率管；对上拉电流进行检测，将上拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，基于选择出的一路电路、工作电流、电流检测电路的输出电流，作为电流反馈控制对下拉驱动功率管的控制依据；或者

将基于有源反馈网络的电压反馈控制施加于连接推挽输出一路下拉驱动功率管，使得输出电压满足电压要求；将电流反馈控制施加于连接推挽输出另一路的上拉驱动功率管；对下拉电流进行检测，将下拉电流与一工作电流参考值进行比较，选择其中较大或较小的一路电流，基于选择出的一路电路、工作电流、电流检测电路的输出电流，作为电流反馈控制对上拉驱动功率管的控制依据；

所述上拉驱动功率管和下拉驱动功率管采用相同的载流子类型。

10.根据权利要求1、7之一所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述电流选择器包括：电流比较器CMP，场效应管PSW1、PSW2、PSW3、PSW4；

所述电流比较器CMP通过对输入电流的采样进行比较，当正端输入电流较大时，电流比较器CMP的outp输出高电平，电流比较器CMP的outn输出低电平；当正端输入电流较小时，电流比较器CMP的outp输出低电平，电流比较器CMP的outn输出高电平；

所述场效应管PSW1、PSW2、PSW3、PSW4用于对电流比较器CMP的outn、outp进行开关选择，以控制电流选择器的输出。

11.根据权利要求1、7之一所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述功率驱动放大电路集成于一电路芯片中；或者，

所述功率驱动放大电路基于电路模组进行分块封装。

12.根据权利要求1、7之一所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述功率驱动放大电路应用于音频功率放大。

13.根据权利要求1、7之一所述的功率驱动放大电路，其特征在于，所述功率管为场效应管、三极管、LDMOS、IGBT中的任一种。

14.根据权利要求6、9之一所述的功率驱动放大方法，其特征在于，所述功率管为场效应管、三极管、LDMOS、IGBT中的任一种。

Images