Ivanov OpAmp Ch7: Class AB输出级
OpAmp输出级应提供最小非线性失真、低静态功耗和高负载电流能力，同时容忍容性负载且不限制摆率。本章以信号流图为统一工具分析Class AB输出级的通用结构，系统覆盖双极与CMOS输出级的电路实现、静态电流（Iq）控制与稳定性。本文基于Ivanov & Filanovsky (2004) Ch.7提炼。
前后关系
前置知识：
- Ivanov OpAmp Ch6 - 中间放大级 — 中间级到输出级的连接
- 输出级设计 — 输出级基础知识
- 反馈放大器基础 — 反馈环路分析
本书内部链条：
- Ch.6（中间级）→ Ch.7（本文）→ Ch.8（特殊功能中摆率提升与输出级相关）→ Ch.9（设计实例中Class AB输出级实现）
外部关联：
- 差分放大器与失调分析 — 差分结构分析
§7.0 输出级概述
输出级关键参数
| 参数 | 要求 |
|---|---|
| 负载电容容限 | ≥ 100pF（行业标准）→ 定义gmout最小值 |
| 非线性失真 | 输入级在线性区时，失真由输出级主导 |
| 摆率 | 输出级不应限制整体OpAmp摆率 |
| gmout | 由无负载时的Iq和输出器件尺寸决定 |
失真测量
- 反馈环路中，失真随开环增益增大而降低
- 输入参考误差曲线的斜率突变指示失真发生
- 对称误差曲线 → 偶次失真；零点附近尖锐变化 → 高次谐波
§7.1 Class AB输出级结构
通用信号流图（Fig. 7-3a）
Class AB输出级以差分结构+共模反馈表示：
| 组件 | 功能 |
|---|---|
| IP, IN | 高侧和低侧输出晶体管电流 |
| IL = IP - IN | 负载电流 |
| Iq = min(IP, IN) | 静态电流 |
| FP, FN | 电流传感器 |
| -G | 反馈放大器（共模反馈） |
| E1, E2 | 分配器（splitter） |
| A1, A2 | 输入信号跨导放大器 |
关键条件：若E1=E2且gmP·RP = gmN·RN，则共模反馈操作不影响放大器增益。
等效结构（Fig. 7-3b）
- 通用链路-G拆分为两个独立链路
- 分配器为每个链路输出反相信号
- 每个输出管有独立Iq控制反馈环路
- 条件gmP·RP = gmN·RN时两环路不影响总增益
电路实例分析
NPN输出级（Fig. 7-4a）：最早期的工业输出级
- 信号图（Fig. 7-4b）缺少A1和E2 → 不对称 → 源/沉电流增益不同 → 不对称误差曲线
- QNX+R2添加FN-1非线性链路 → 补偿不对称
741输出级（Fig. 7-5a）：经典对称双极输出级
- 信号图（Fig. 7-5b）与通用结构几乎一致（缺少A1）
- FP/FN：Vbe与Ic的对数依赖
- Iq条件：VbeQN + |VbeQP| = VbeQNs + |VbeQPs| → (IP·IN) = (N·Iq)²
CMOS轨到轨输出级（Fig. 7-6a）：常用工业结构
- 信号图（Fig. 7-6c）对应Fig. 7-3b结构
- 两个独立Iq控制反馈回路（MNs和MPs）
- MNs同时是MN的电流传感器+反馈放大器+分配器
- VN/VP：两二极管连接MOS管（Fig. 7-6b）
设计等级判定
| 类型 | 特征 |
|---|---|
| ”好”电路 | Iq由高效反馈回路控制 |
| ”坏”电路 | 无Iq反馈控制 → 速度惩罚、过度非线性等 |
Class AB速度要求
- 若A1和A2都存在且匹配：Class AB控制可以较慢
- 若A1/A2不匹配或缺失一个：Class AB电路在主信号路径中 → 需比OpAmp快3-5倍
§7.2 Class AB电路生成与改进
单元库方法
从通用结构（Fig. 7-3）出发 + 基本单元库 → 生成任意工艺的Class AB电路
必需的专用单元：
| 类型 | 单元 |
|---|---|
| 电流传感器 | Fig. 7-7a-e：Vbe检测、Vgs检测、匹配晶体管传感器、源退化传感器、总线电阻 |
| 放大器 | 单级/电流输入放大器（避免补偿问题） |
| 非线性单元 | 最小值选择器，要求：单调性、交叉点精度、不归零 |
非线性单元实现（Fig. 7-8）：
- (a) 双极R-t-R：Vbe电压平移 [10, p. 169]
- (b-d) 其他实现：[80]、[45, p. 79]、[32]
NPN输出级实例（Fig. 7-9）：微功耗双极放大器
- 直接实现Fig. 7-3a结构
- 电流传感器（Fig. 7-7c）：QPs, QNs
- 非线性单元（Fig. 7-8b）：R1, R2, Q1, Q2
- 反馈放大器：差分级Q1-Q4 + 电流镜Q6/Q7 + Q5附加增益
- Q1/Q2重用作反馈放大器的一部分
- Iq基准：I3 + R3（R3应匹配R1=R2）
CMOS轨到轨输出级（Fig. 7-10）
| 版本 | 特点 |
|---|---|
| (a) 电流传感器MNs/MPs + 非线性单元（Fig. 7-8d）+ MA放大器 | 基本 |
| (b) 对称版：输入信号同时到MN/MP栅极 | 更对称 |
| (c) 低电源版：MA替换为差分级MA/MB | 低电压 |
限幅单元（Fig. 7-11）
用于Fig. 7-3b结构中切换本地反馈回路：
| 类型 | 特点 |
|---|---|
| (a) 共栅限幅（电流整流器） | 最简单 |
| (b) 二极管限幅（电压整流器） | — |
| (c,d) 放大器限幅 | 精度高但有延迟 |
| (e) 电流输入放大器限幅 | 延迟小，偏置电流流过负载 |
Fig. 7-6a输出级的优缺点
优点：电流传感、限幅、反馈放大器、分配器四功能合一——最优雅的Class AB实现之一。
缺点：
- 最小电源电压大：Vdd > VgsP + VgsN + Vsat ≈ 2.5V
- Iq对电源电压变化敏感（短沟道严重）
- 单阱工艺中MPs漏-体漏电 → 输入阻抗降低 → 限制开环增益
问题3的解决方案（Fig. 7-12）[35]：
- 添加辅助反馈环路M1-M2-M3 → VdMns ≈ VN，消除碰撞电离效应
- MPs和M3体连源 → 漏电不影响等效输入电阻
输出器件尺寸对速度的影响
- MN/MP沟道长度从0.6μm增加到1.8μm → GBW降低5倍
- 输出器件应尽可能短（最小L）以提升速度
Iq稳定性改进（Fig. 7-13）
短沟道器件Vgs强依赖Vds → Iq测量误差大（L=0.6μm时变化可达2倍）。
解决方案：控制VN/VP参考电压源跟踪Vds变化。
- M1匹配MN、M2匹配MNs → Vgs的Vds相关性被反馈补偿
- VN = (VgsM1 + VgsM2)/2
- 改进后Iq稳定性 < 5%（即使0.5μm沟道长度）[87]
低电压Class AB输出级（Fig. 7-14）
- 最小电源电压 Vdd ≥ 2Vsat + Vgs ≈ 1.3V [85]
- 两个独立Iq控制反馈回路（MN侧和MP侧）
- 使用Fig. 7-3b结构
- 应用于纳功耗OpAmp（Iq ≈ 1μA）[86]
- R0实现为有源电路（Fig. 7-14b）
结构设计方法论要点总结
- 从通用结构及其等效图出发
- 基于基本单元库生成电路解集
- 使用附加本地反馈回路改善关键参数
关键公式汇总
| 公式 | 说明 |
|---|---|
| CL/gmout = ωL | 负载电容引入的极点频率 |
| (IP·IN) = (N·Iq)² | 741输出级Iq条件 |
| Vdd > VgsP + VgsN + Vsat ≈ 2.5V | 基本CMOS Class AB最小电源 |
| Vdd ≥ 2Vsat + Vgs ≈ 1.3V | 低电压版最小电源 |
| gmout最小值 ∝ Iq | 输出级跨导由静态电流定义 |
| Class AB速度要求 > 3-5× OpAmp GBW | AB电路在信号路径中时的速度要求 |