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影响CMOS单电源放大器的THD+N性能的因素

自上市以来,CMOS单电源放大器就让全球的单电源系统设计人员受益非浅。影响双电源放大器总谐波失真加噪声(THD+N)特性的主要因素是输入噪声和输出级交叉失真。单电源放大器的THD+N性能源于放大器的输入和输出级。然而,输入级对THD+N的影响又让单电源放大器的这种规范本身复杂化。

有两种单电源放大器拓扑可以接受电源之间的输入信号。图1a所示拓扑具有一个互补差动输入级。在该拓扑中,放大器的输入位于负轨附近时,PMOS晶体管为“开”,而NMOS晶体管为“关”。当放大器的输入更接近于正电压轨时,NMOS晶体管为“开”,而PMOS晶体管为“关”。

 

(电子工程专辑)
图1: 互补输入级、单电源放大器:a);带一个正充电泵的单差动对输入级:b)。

这种设计拓扑在共模输入范围会存在极大的放大器失调电压差异。在接地电压附近的输入范围,PMOS晶体管的失调误差为主要误差。在正电源附近的区域,NMOS晶体管对主导失调误差。由于放大器的输入通过这两个区域之间,因此两个对均为“开”。最终结果是,输入失调电压将在两个级之间变化。当PMOS和NMOS均为“开”时,共模电压区域约为400mV。这种交叉失真现象会影响放大器的总谐波失真(THD)。如果您以一种非反相结构来配置互补输入放大器,则输入交叉失真就会影响放大器的THD+N性能。例如,在图2中,如果不出现输入过渡区域,则THD+N等于0.0006%。如果THD+N测试包括了放大器的输入交叉失真,则THD+N等于0.004%。您可以利用一种反相结构来避免出现这类放大器交叉失真。

 

影响CMOS单电源放大器的THD+N性能的因素(电子工程专辑)
图2:一个互补输入级单电源放大器的THD+N性能。

 

另一个主要的THD+N影响因素是运算放大器的输出级。通常,单电源放大器的输出级有一个AB拓扑(请参见图1a)。输出信号做轨至轨扫描时,输出级显示出了一种与输入级交叉失真类似的交叉失真,因为输出级在晶体管之间切换。一般而言,更高电平的输出级静态电流可以降低放大器的THD。

放大器的输入噪声是影响THD+N规范的另一个因素。高级别的输入噪声和/或高闭环增益都会增加放大器的总THD+N水平。

要想优化互补输入单电源放大器的THD+N性能,可将放大器置于一个反相增益结构中,并保持低闭环增益。如果系统要求放大器配置为非反相缓冲器,则选择一个具有单差动输入级和充电泵的放大器更为合适。