TWI413360B - Class AB output stages with variable bias point control and their methods - Google Patents

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Description

具有可變偏壓點控制的AB類輸出級及其方法
本發明係有關一種AB類輸出級，特別是關於一種具有可變偏壓點控制的AB類輸出級及其方法。
圖1顯示典型的AB類輸出級10，AB類輸出級10係用以驅動串聯在電源Vcc及地端GND之間的高位側電晶體MP及低位側電晶體MN以從輸出端LX輸出電流給負載RL，其中電晶體MP及MN為大尺寸的電晶體，在AB類輸出級10中，驅動器12提供輸出信號UH及UL分別驅動高位側電晶體MP及低位側電晶體MN，驅動器12包括運算放大器14根據輸入信號VB及輸出端LX上的電壓產生輸出信號UH及UL，偏壓源16及18分別提供偏壓VOS1及VOS2以偏移輸出信號UH及UL的準位，偏壓VOS1及VOS2將影響靜止(quiescent)電流及總諧波失真(Total Harmonic Distortion; THD)，靜止電流係指在無負載RL時，電源Vcc所消耗的電流。由於AB類輸出級10將驅動電阻負載RL，因此其必須同時考慮到交越(crossover)失真、電晶體MP及MN造成的功率消耗以及迴路的穩定性，圖2顯示AB類輸出級10的操作區，其中X軸代表偏壓VOS1及VOS2，左方的Y軸代表THD，右方的Y軸代表靜止電流IQ，曲線20表示THD與偏壓VOS1及VOS2之間的關係，曲線22表示靜止電流IQ與偏壓VOS1及 VOS2之間的關係，由曲線20及22可看出，當偏壓VOS1及VOS2增加時，THD越小但靜止電流IQ越大，反之，THD越大，靜止電流IQ越小，而以虛線圈起來的部分則是偏壓VOS1及VOS2的理想設計區24，在此設計區24中有較低的靜止電流IQ及較佳的THD效能，然而，偏壓VOS1及VOS2有可能因對製程變化而偏離設計區24，因此需要一種方法來對抗製程變化讓偏壓VOS1及VOS2回到目標的設計區24。
Johnson在美國專利第5,481,213號提出一種「功率放大器輸出級的跨導保護電路(cross-conduction prevention circuit for power amplifier output stage)」來得到最佳的THD效能以及適當的靜止電流，然而，Johnson的方法需要增加一組控制電路及一組替代(fill-in)電路，故電路較為複雜，而且此兩組電路之間也會互相干擾，因而不易穩定，此外，在Johnson的電路中，偏壓點是無法調整的，故無法修正製程飄移所造成的誤差。
因此，一種電路較簡單而且具有可變偏壓點控制的AB類輸出級，乃為所冀。
本發明的目的，在於提出一種具有可變偏壓點控制的AB類輸出級及其方法。
根據本發明，一種AB類輸出級包括一驅動器輸出一第一輸出信號及一第二輸出信號分別驅動一高位側電晶 體及一低位側電晶體，一第一偏壓源用以提供一第一偏壓偏移該第一輸出信號，一第二偏壓源用以提供一第二偏壓偏移該第二輸出信號的準位，以及一控制電路用以調節該第一及第二偏壓。其中調節該第一及第二偏壓的方法包括提供一可變的第一電流、一可變的第二電流、一與通過該高位側電晶體的電流具有比例關係的第三電流以及一與通過該低位側電晶體的電流具有比例關係的第四電流，根據該第一電流與該第三電流的第一差值及該第二電流與該第四電流的第二差值產生一第三輸出信號調節該第一及第二偏壓。
圖3顯示本發明的實施例，在AB類輸出級30中，驅動器32提供輸出信號UH及UL分別驅動串聯在電源Vcc及地端GND之間的高位側電晶體MP及低位側電晶體MN，驅動器32包含一運算放大器34根據輸入信號Vin及節點LX上的電壓產生輸出信號UH及UL，偏壓源36及38分別提供可變的偏壓VOS1及VOS2來偏移輸出信號UH及UL的準位，控制電路40用以調節偏壓VOS1及VOS2。在控制電路40中，電晶體MP2鏡射高位側電晶體MP上的電流產生電流Id1，電晶體MN2鏡射低位側電晶體MN上的電流產生電流Id2，其中電晶體MP2與電晶體MP的尺寸具有比例關係，故電流Id1與通過電晶體MP的電流也具有比例關係，同樣的，電晶體MN2與電晶體 MN的尺寸也具有比例關係，因此，電流Id2與通過電晶體MN的電流具有比例關係，邏輯電路46根據電流Id1與電流源42所提供的電流io的差值i1以及電流Id2與電流源44所提供的電流io的差值i2產生電流i3調節偏壓VOS1及VOS2，其中電流源42及44所提供的電流io可以由外部調整。
圖4顯示AB類輸出級30的操作區，其中X軸代表偏壓VOS1及VOS2或是電流io，左方的Y軸代表THD，右方的Y軸代表靜止電流IQ，曲線50表示THD與偏壓VOS1及VOS2之間的關係，曲線52表示靜止電流IQ與偏壓VOS1及VOS2之間的關係，區域B代表理想的設計區。一開始讓偏壓源36及38提供較大的偏壓VOS1及VOS2以使偏壓點落在區域B右方的區域A中，如此一來，即使有製程飄移也能確保偏壓點在區域B的右方，如圖4所示當偏壓點在區域A中時，具有較好的THD效能，但電晶體MP及MN上的靜止電流IQ將較大，由於過大的靜止電流IQ是不好的，故調節電流源42及44所提供的電流io使得偏壓點由區域A移向區域B，較大的電流io將導致較大的靜止電流IQ以及較好的THD效能，反之，較小的電流io將導致較小的靜止電流IQ以及較差的THD效能。參照圖3，電晶體MP2上的電流Id1減去電流源42所提供的電流io後產生電流i1至邏輯電路46，電晶體MN2上的電流Id2減去電流源44所提供的電流io後產生電流i2至邏輯電路46，邏輯電路46從電流i1及i2中選 擇較小的電流作為電流i3以調節偏壓源36及38的偏壓VOS1及VOS2，假如，電流i1及i2都很大時，邏輯電路46所輸出的電流i3將很大，因而減少偏壓VOS1及VOS2，進而降低電晶體MP及MN上的靜止電流IQ，電流Id1與電流Id2的比值也將變小，最後電流i1、i2、i3及io之間將達到平衡，因此改變電流io可以改變AB類輸出級30的偏壓點。在此實施例中，一開始係設定較大的偏壓VOS1及VOS2以使偏壓點落在區域B右方的區域A中，在其他實施例中，也可以在一開始設定較小的偏壓VOS1及VOS2以使偏壓點落在區域B的左方。
AB類輸出級30可以藉由改變電流io來調整偏壓VOS1及VOS2，進而讓偏壓點回到理想的設計區B，此外，由於一開始便將偏壓點設定較高或較低的位置，因此無需擔心製程飄移的問題，而且只增加一組控制電路40故沒有互相干擾的問題，因此容易穩定。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10‧‧‧AB類輸出級
12‧‧‧驅動器
14‧‧‧運算放大器
16‧‧‧偏壓源
18‧‧‧偏壓源
20‧‧‧THD與偏壓VOS1及VOS2之間的關係曲線
22‧‧‧靜止電流IQ與偏壓VOS1及VOS2之間的關係曲線
24‧‧‧設計區
30‧‧‧AB類輸出級
32‧‧‧驅動器
34‧‧‧運算放大器
36‧‧‧偏壓源
38‧‧‧偏壓源
40‧‧‧控制電路
42‧‧‧電流源
44‧‧‧電流源
46‧‧‧邏輯電路
50‧‧‧THD與偏壓VOS1及VOS2之間的關係曲線
52‧‧‧靜止電流IQ與偏壓VOS1及VOS2之間的關係曲線
圖1顯示典型的AB類輸出級；圖2顯示圖1中AB類輸出級的操作區；圖3顯示本發明的實施例；以及圖4顯示圖3中AB類輸出級的操作區。
30‧‧‧AB類輸出級
32‧‧‧驅動器
34‧‧‧運算放大器
36‧‧‧偏壓源
38‧‧‧偏壓源
40‧‧‧控制電路
42‧‧‧電流源
44‧‧‧電流源
46‧‧‧邏輯電路

Claims (9)

  1. 一種具有可變偏壓點控制的AB類輸出級，用以驅動一高位側電晶體及一低位側電晶體，該AB類輸出級包括：一驅動器，輸出一第一輸出信號及一第二輸出信號分別驅動該高位側及低位側電晶體；一第一偏壓源，用以提供一第一偏壓偏移該第一輸出信號；一第二偏壓源，用以提供一第二偏壓偏移該第二輸出信號的準位；以及一控制電路，用以調節該第一及第二偏壓，包括：一第一電流源，提供一可變的第一電流；一第二電流源，提供一可變的第二電流；一第三電流源，提供一第三電流，該第三電流與通過該高位側電晶體的電流具有比例關係；一第四電流源，提供一第四電流，該第四電流與通過該低位側電晶體的電流具有比例關係；以及一邏輯電路，根據該第一電流及第三電流的第一差值以及該第二電流及第四電流的第二差值產生一第三輸出信號調節該第一及第二偏壓。
  2. 如請求項1之AB類輸出級，其中該驅動器包括一運算放大器根據二輸入信號產生該第一及第二輸出信號。
  3. 如請求項1之AB類輸出級，其中該第三電流源包括一 與該高位側電晶體的尺寸具有比例關係的電晶體。
  4. 如請求項1之AB類輸出級，其中該第四電流源包括一與該低位側電晶體的尺寸具有比例關係的電晶體。
  5. 如請求項1之AB類輸出級，其中該邏輯電路由該第一差值及第二差值中選取其中之一作為該第三輸出信號。
  6. 如請求項5之AB類輸出級，其中該邏輯電路包括選取該第一差值及第二差值中的最小值作為該第三輸出信號。
  7. 一種AB類輸出級的可變偏壓點控制方法，該AB類輸出級提供一第一輸出信號及一第二輸出信號分別驅動一高位側電晶體及一低位側電晶體，該可變偏壓點控制方法包括下列步驟：提供一第一偏壓及一第二偏壓分別偏移該第一及第二輸出信號的準位；提供一可變的第一電流及一可變的第二電流；提供一與通過該高位側電晶體的電流具有比例關係的第三電流；提供一與通過該低位側電晶體的電流具有比例關係的第四電流；以及根據該第一電流與該第三電流的第一差值及該第二電流與該第四電流的第二差值產生一第三輸出信號調節該第一及第二偏壓。
  8. 如請求項7之可變偏壓點控制方法，其中該產生一第三輸出信號的步驟包括由該第一及第二差值中選取其中 之一當作該第三輸出信號。
  9. 如請求項8之可變偏壓點控制方法，其中該由該第一及第二差值中選取其中之一當作該第三輸出信號的步驟包括選取該第一及第二差值中的最小值當作該第三輸出信號。
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