[科普中国]-AB类放大器

AB类放大器是依赖于偏置电流的大小和输出电平的A类和B类放大器的结合器件，可以使工作于推挽工作方式的两个晶体管的工作区间互有覆盖，弥补了A类B类放大器的缺点。

概念AB类放大器，实际上是A类(甲类)和B类(乙类)的结合，每个器件的导通时间在50—100%之间，依赖于偏置电流的大小和输出电平。该类放大器的偏置按B类(乙类)设计，然后增加偏置电流，使放大器进入AB类(甲乙类)。

AB类工作状态通常是两只晶体管配合进行，在没有信号的时候，两只晶体管都是导通的，但其中的电流很小，当有信号输入时，晶体管中的电流才会变大．由于信号的作用使其中的一只晶体管截止的时候，另一只晶体管则一定是导通的，两只管子始终是轮流截止和导通，并且其中流过的电流几乎是全部送入扬声器，因此，甲乙类功放产生的热量较小，并且效率高了很多，在70%以上。

AB类(甲乙类)放大器在输出低于某一电平时，两个输出器件皆导通，其状态工作于A类(甲类)；当电平增高时，两个器件将完全截止，而另一个器件将供 给更多的电流。这样在AB类(甲乙类)状态开始时，失真将会突然上升，其线性劣于A类(甲类)或B类(乙类)。它的正当使用在于它对A类(甲类)的补充，且当面向低负载阻抗时可继续较好地工作。1

特点结构改进AB类放大器的偏置介于A类放大器与B类放大器之间。AB类的效率远远大于A类放大器而略低于B类放大器。AB类放大器的偏置可以使工作于推挽工作方式的两个晶体管的工作区间互有覆盖。这样就可以对交越失真进控制，偏置于AB类的推挽放大器就可以，实际也常用于电子战中的高功率放大器中。从上可以看出，AB类是对A类和B类的一个改进型。

优点A类放大器在工作中可以对输入的信号全部线性化。但A类功放的缺点是，首先效率低，一般不大于25%，大量电能变成热能。在同功率情况下，电源供应常常比B类和AB类大得多。而且A类功放由于工作电流高，在同样输出功率时它的工作电源电压主要低得多，因此它的输出峰值电压就受到限制，它的输入电压也受到输出电压的放大器放大系数的限制。B类功放的优点是，效率很高，可达到75%以上，因此可以使用较小的功率管输出较大功率，另外推挽电路对抑制偶次谐波有作用，以减低非线性失真。

一种高压摆率低电压CMOS AB类放大器的设计研究背景运算放大器的设计要在运放设计规范要求的基础上，通过分析性能参数与晶体管几何参数的关系，计算出各晶体管的宽长比，进而通过软件仿真确定设计的可行性。研究人员更喜欢最小晶体管尺寸和低电源电压设计参数。单级放大器只能提供有限的增益，因此，为了实现高增益，研究人员通常会使用级联放大器，其总增益是每级放大器增益的乘积。放大器的级数越多，其陷入自激的可能性越大(尤其是超过3级时)。同时，级数多还会带来噪声大、频响差等一系列问题，因此，较常见的多级放大器为两级放大器。

两级运算放大器主要用于需要宽输出摆幅的低电压应用中，其可分为两种，一种是具有单端输出的差分放大器，另一种是A类或AB类运算放大器。A类和AB类放大器具有相同的静态电流和最小电源要求，但AB类运算放大器具有比A类运算放大器更大的相位裕度和更高的单位增益频率。AB类放大器广泛应用于一些如便携式电子设备、音频放大器、电机驱动器和LCD驱动器等。对于这些放大器，其产生的输出电流远大于输出级的总偏置电流。运算放大器的基本功能是响应于输入处的开关事件产生输出的更新值，其中，采样电容器从源极充电并放电到求和节点，最大容性负载、开环电压增益、电源抑制比、裸片面积和功耗是重要的性能参数。

两级CMOS运算放大器受到两个基本性能限制，例如，频率补偿技术为有限范围的电容性负载提供稳定操作，而电源抑制严重降低了开环极点频率。为了消除两级CMOS运算放大器中的电源抑制比问题，研究人员采用了级联技术。在级联技术中，放大器的频率和电源抑制比得到较大的改善。研究人员用多级级联电路代替了传统的折叠共源共栅电路，以获得高直流增益和低电源电压下的宽电压摆幅。

在没有共源共栅(或三级)放大器技术的放大器中，其获得的直流增益和低频线性度较差。额外的增益级大幅改善了直流增益，通过使用附加的增益级能够提高放大器的带宽与增益，但其不限制最大输出电流。每当第三级中的输出负载电流较大时，四级AB类放大器需要大量的偏置电流，可以在第三级通过使用自适应偏置技术减少偏置电流，并引入偏置线补偿技术以增加带宽和PSRR。在此技术中，随着输出电流的增加，放大器的总偏置电流也增加。

三级伪AB类放大器示意图如图1所示，它是一种高增益多级放大器，晶体管数量较少，偏置电路简单，输出摆幅较大，可在低电源电压和电流下工作，但功耗较大。由于在输出级由晶体管M9和M11形成电流镜，其总偏置电流与放大器的输出灌电流成比例增加。

真正的AB类放大器所具有的晶体管数量、偏置电路和最大输出电流与伪AB类放大器类似，但真正的AB类放大器具有总偏置电流不随输出灌电流增加而增加的优点。本文提出了一种AB类放大器，其具有比伪AB类放大器更高的单位增益频率与压摆率，并能够在低电源电压下工作，同时偏置电流不随着输出灌电流增加而增加。2

传统三级伪AB类和真AB类放大器三级伪AB类放大器的第一级是差分放大器M1～M5，接下来的两级是共源放大器，其中第一级共源放大器M6～M7具有负增益，第二级共源放大器M8～M11具有正增益。晶体管M10是PMOS晶体管，是反相共源放大器，产生从中间节点到最终输出节点的前馈路径，同时将产生用于放大器的推挽动作。放大器的最后一级M9～M11包括尺寸比为1∶k的NMOS电流镜。由于M11是输出晶体管，其可传递大灌电流，使得通过M9镜像晶体管的电流相应变大。因此，当输出为灌电流时，总偏置电流增加，导致效率损失，因此称为伪AB类放大器。

真正的三级AB类放大器的原理图如图2所示。第一级M1～M5是差分放大器，接下来是三个反相共源放大器。前两个反相共源放大器M6～M7和M8～M9与栅极-漏极反馈组合，其作为单个非反相共源级。晶体管M10提供从节点V1到输出节点的前馈路径。

由NMOS电流镜M12、M5、M7、M9产生的恒定偏置电流通过所有内部级，且输出级具有较大的源极和漏极能力。晶体管M6和M10具有相同的栅极-源极电压，因为通过输出级晶体管M10和M11的偏置电流变为kIb2，通过M10的最大电源电流受施加到VIN+和VIN－的共模输入电压的限制，而通过M11的最大灌电流受电源电压的限制。

改进的AB类放大器由于伪AB类放大器当输出为灌电流时，总偏置电流增加，导致效率损失，而传统AB类放大器输出级晶体管流过的电流受电源电压限制，本文提出了一种改进的AB类放大器，其电路如图3所示。放大器第一级由具有电流镜负载的M3～M4和NMOS差分对M1～M2组成，第二反相级由共源放大器M6～M7实现。其中，两个偏置晶体管M8～M9添加在共源放大器之间，用于增加带宽，最后一级由AB类放大器形成。

第二级的输出， 即共源放大器的输出被提供给AB类放大器的下一级。PMOS晶体管M14提供从节点V1到输出节点的前馈路径。晶体管M14在正循环中导通，M15在负循环中导通。本文所提出的AB类放大器具有总偏置电流不随输出灌电流增加而增加的优点。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学