放大器的输出电路及ab类推挽放大器的输出电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是有关于一种互补型金属氧化物半导体(CMOS)集成电路技术，且特别是有关于一种放大器的输出电路及AB类推挽放大器的输出电路。
【背景技术】
[0002]放大器电路在现代电子装置中随处可见。电子放大器将一个信号的功率及/或振幅(amplitude)放大。在许多实际应用中，功率放大器电路被用于一个系统的输出级(output stage)以驱动一外在装置。举例来说，在音频系统(aud1 system)中，输出功率放大器时常被使用来驱动一个外在的扩音器或手持电话。
[0003]对模拟信号放大而言，功率放大器电路的输出级可被分类为:A类、B类、AB类，以及C类等等，此分类是根据放大装置在输入信号周期中的哪一部分运作而决定的。
[0004]A类放大器在整个输入信号周期中运作，使得输出信号为整个输入信号的一个放大版复制品，而没有任何被限幅(clipping)的部分。A类放大器是被用以实现小信号放大器(small-signal amplifier)的常用手段。在一 A类电路中，放大装置操作在它的特性曲线的线性部分。由于此类装置总是处于运作状态，故不论是否有输入信号，A类电路都会从电源供应端汲取电力。因此，A类放大器往往是相对低效率的电路，尤其对于大功率装置而s更是如此。
[0005]相较之下，B类放大器只会放大输入信号的周期的一半。也因此，其较容易导致信号失真(signal distort1n)，但与A类放大器相比，其具有较佳的效率。这是由于放大元件在一半的周期内是处于关断(switched off)，使其在一半的时间之内是不消耗能量的。而使用B类放大器的其中一个应用是互补(complementary pair)或推挽式(push-pull)的电路配置。在这里，互补式装置被用以分别放大输入信号的两个相对的半周期(oppositehalves)，之后这两个放大后的半周期会在输出端被重新组合在一起。这种安排会改进效能，但是需承受由于在两个半周期信号的接合处(joints)的不匹配所导致的缺陷，此不匹配的情况就是所谓的交越失真(crossover distort1n)。一种改善前述缺陷的方式是藉由对装置偏压使得这两个装置不在使用中时皆不完全关断。而这样的信号运作模式即为所谓的AB类运作。
[0006]在一个AB类运作中，和B类运作相似的，各个装置在信号周期的一半运作，但是这两个装置分别在另外一半的半周期内另外运作一小段信号区间。如此一来，当这两个装置所输出的波形被组合时，会产生较少的交越失真。此处，使两个主动元件分别运作超过一个半周期的时间，即是用以减少B类放大器的交越失真的手段。
[0007]在某些应用中，会想要使用C类放大器，这类放大器处理少于输入信号的一半，且在输出端的失真度极高，然而其可以达到很高的效能。而C类放大器的其中一个应用即为射频发射器。
[0008]音频放大器是一种放大低功率的音频信号以驱动扬声器的电子放大器。音频信号的频率通常介于20赫兹至20，000赫兹之间，也就是人类听觉的感知范围。在一个典型的音频系统中，音频放大器的前端通常具有一个低功率音频放大器，以处理一些诸如前置放大(pre-amplificat1n)、等化、音调控制，混合/特效，或是像如唱盘、⑶播放器和MP3串流等音频源的工作。音频系统用于公共广播系统、戏剧和音乐会扩声、家庭音响系统，以及手机和平板电脑等。个人电脑中的音效卡通常包含有数个音频放大器以做为各个立体声或家庭电影院系统。音频放大器通常需要满足严格的性能要求。在一些应用中，传送到音频放大器的输入信号可以被测量到只有几百微瓦(microwatt)，然而，其所输出的功率可以是几十或几百瓦。
[0009]由于前述这些需求，AB类推挽电路在音频功率放大器中是一个很受欢迎的设计选项。即使音频放大器电路被广泛使用在许多应用中，其仍存在有许多限制。下述即为几个例子，图1A为一传统音频系统的一输出部分100的简化示意图。如图1A所示，一音频信号102输入一放大器104，其放大该音频信号并驱动一扬声器108。输出部分100的不意图为图1B，其中该放大器被显示为一前置放大器(preamplifier) 105以及一个具有一个P型金属氧化物半导体(PM0S)驱动装置以及一个N型金属氧化物半导体(NM0S)驱动装置的互补金属氧化物半导体(CMOS)输出驱动电路106。扬声器108被显示为一个等效8欧姆的电阻负载。
[0010]在某些AB类放大器中，会使用到一个迭接(cascode)输出级。迭接放大器通常具有一个共源极(common source)放大器作为一个被信号源驱动的输入级。而这个输入级驱动一个做为输出级的共栅极(common gate)放大器。这种迭接结构将提供一个潜在的更大的增益以及一个更大的频带宽度。它也同时让低电压装置因此得以使用在较高电压的电路中。此即为在输出级使用迭接的主要原因。
[0011 ] 图2所示为一传统推挽AB类迭接放大器的输出电路的电路图。如图2所示，输出电路200包含有一第一电源节点201以耦接至一正电源V0、一第二电源节点202以耦接至一负电源VI，以及一输出节点205。输出电路200更包含有串联于第一电源节点201与输出节点205之间的一第一 P型金属氧化物半导体晶体管(PM0S transistor)P1以及一第二P型金属氧化物半导体晶体管P2。第一 P型金属氧化物半导体晶体管P1的漏极(drain)与第二 P型金属氧化物半导体晶体管P2的源极(source)耦接于节点207。输出电路200更包含有串联于输出节点205与负电源供应端202之间的一第一 N型金属氧化物半导体晶体管N1与一第二 N型金属氧化物半导体晶体管N2。第一 N型金属氧化物半导体晶体管N1的漏极与第二 N型金属氧化物半导体晶体管N2的源极耦接于节点208。第一输入节点Ini耦接于第一 P型金属氧化物半导体晶体管P1的栅极(gate)。第二输入节点In2耦接至第一 N型金属氧化物半导体晶体管N1的栅极。在图2中，正电源V0与负电源VI连接至一接地端GND。由图2可看到第二 P型金属氧化物半导体晶体管P2的栅极与第二 N型金属氧化物半导体晶体管N2的栅极皆被一接地电压GND所偏压。
【发明内容】
[0012]由于观察到传统迭接放大器所遭受的各种限制，例如，传统迭接装置通常由一个相当于供应电压(或接地电压)的一半(halfway)的固定电压所偏压。这些迭接装置对于静态操作与小输出信号而言很适当。然而，这种配置将只能用以在装置具有一个高于一半最大电压摆幅(maximum voltage swing)的击穿电压时处理大信号。而这种限制是不受欢迎的，因为具有较高击穿电压的装置往往需要更复杂的工艺和更高的成本。因此，急需提供一种使用具有低击穿电压的装置，但能容许高操作电压范围的迭接放大器设计。
[0013]本发明的一实施例提供一种方法，其是依据输出电压提供偏压至迭接晶体管，以保护AB类输出级的输出装置。根据本发明的实施例，其提供一放大器的一输出电路，其包含有一用以耦接至一正电源的第一电源节点，一用以耦接至一负电源的第二电源节点，以及一输出节点。该输出电路更包含有串联于该第一电源节点与该输出节点之间的一第一 P型金属氧化物半导体晶体管(PMOS transistor)以及一第二 P型金属氧化物半导体晶体管，以及串联于该输出节点与该第二电源节点之间的一第一N型金属氧化物半导体晶体管(NMOS transistor)以及一第二 N型金属氧化物半导体晶体管。该输出电路更包含有一親接至该第一 P型金属氧化物半导体晶体管的一栅极的第一输入端，以及一耦接至该第一 N型金属氧化物半导体晶体管的一栅极的第二输入端。此外，输出电路具有耦接于该输出节点以及一接地节点GND的一分压器，该分压器包含有连接于一第一节点的一第一电阻以及一第二电阻。该输出电路更包含有两个源极随耦器。其中一第一源极随耦器包含有一第三P型金属氧化物半导体晶体管，该第三P型金属氧化物半导体晶体管具有耦接至该第一节点的一栅极，以及耦接至该第二 N型金属氧化物半导体晶体管的一栅极的一源极。而第二源极随耦器，包含有一第三N型金属氧化物半导体晶体管，该第三N型金属氧化物半导体晶体管具有耦接至该第一节点的一栅极，以及耦接至该第二 P型金属氧化物半导体晶体管的一栅极的一源极。
[0014]于前述输出电路的一实施例，该第一 P型金属氧化物半导体晶体管用以接收一第一输入信号，而该第一 N型金属氧化物半导体晶体管用以接收一第二输入信号。
[0015]在一实施例中，于该第二 N型金属氧化物半导体晶体管的该栅极的一偏压，用以追随该输出节点的一电压。
[0016]在一实施例中，该第一 N型金属氧化物半导体晶体管的一漏极电压由该第一电阻与该第二电阻的电阻值以及该第三P型金属氧化物半导体晶体管以及该第二N型金属氧化物半导体晶体管的临界电压所决定。
[0017]在一实施例中，该第一 N型金属氧化物半导体晶体管的特征在一于运作时低于一第一电压限的漏极至源极(drain-to-source)电压。