Castello 2016: Linearization Techniques for Push-Pull Amplifiers

来源: R. Castello, C. De Berti, A. Baschirotto, “Linearization Techniques for Push-Pull Amplifiers,” in Efficient Sensor Interfaces, Advanced Amplifiers and Low Power RF Systems (AACD 2015), Springer, 2016, pp. 139–160.

基本信息

项目	内容
作者	Rinaldo Castello, Carlo De Berti (Univ. of Pavia), Andrea Baschirotto (Univ. of Milano Bicocca)
主题	推挽放大器闭环失真最小化的系统性方法

失真最小化三步骤

步骤 1: 消除非固有的开环失真源

排除推挽结构固有工作方式造成的失真，如器件线性区调制、交越延迟。

步骤 2: 选择最大化闭环失真压缩的拓扑

给定带宽下，选择将开环失真分量压缩最大的放大器拓扑。

步骤 3: 最大化开环增益和单位增益带宽

在保证负载变化下稳定性的前提下，最大化信号带内的开环增益和 UGBW。

输出级失真机制

峰值失真 (Peak Distortion)

输出器件在大摆幅时进入线性区 → 输出阻抗调制 → 增益随信号幅度变化 → 失真

解决方案: 设计大 $W / L$ → 降低 $V_{s a t} \approx V_{o v}$ 。但负载电阻很小时（如 100 Ω），W/L 需求极大。

交越失真 (Crossover Distortion)

两种类型：

类型 1 — 完全关断延迟 (Fig. 3):

输出器件 $V_{g s} = 0$ 甚至为负 → 完全关断
过零点时需重新导通 → 延迟 $Δ T$ → 失真
原因：驱动节点被拉至电源轨

解决方案: 钳位器件 (Clamping, Fig. 5)

在关键高阻节点加 $M_{C}$ 管
$V_{bia s}$ 选择使正常工作时 $M_{C}$ 关断
节点电压上升时 $M_{C}$ 导通 → 钳位
交越失真显著降低

类型 2 — 错误相位导通 (Fig. 6):

电容耦合导致输出管在错误相位导通
位移电流 $> I_{bia s}$ → 节点电压变化 → 错相导通 → 反馈补偿 → 失真

综合解决方案对比:

方案	优点	缺点
大 W/L 输出管	降低峰值失真	面积大，驱动难
钳位电路 (Clamping)	降低关断延迟	增加复杂度
偏置优化	简单	静态功耗增加
反馈环设计	通用	稳定性约束

2. 闭环失真压缩

闭环传递函数：

V_{o u t} = \frac{A ( s )}{1 + A ( s ) H ( s )} V_{in}

失真分量被环路增益 $A (s) H (s)$ 压缩。因此：

闭环失真 = \frac{开环失真}{1 + 环路增益}

关键设计策略:

信号带内最大化环路增益
保证重载下稳定性（足够的相位裕度）
多级放大器补偿技术（Miller, Nested Miller, Feed-forward）

3. 开环增益最大化

多级放大器拓扑

补偿类型	级数	适用负载	优点
Miller (单电容)	2	中等	简单，成熟
Nested Miller	3	重容性	高增益
Feed-forward	2–3	重阻性	高带宽
混合	3+	任意	最佳折衷

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