用于LED驅(qū)動(dòng)器的改進(jìn)型CMOS誤差放大器的設(shè)計(jì)

0 引言

現(xiàn)代便攜式數(shù)碼設(shè)備離不開顯示器，而作為顯示器背光源的白光LED(發(fā)光二極管)在很多方面(比如使用壽命，能耗)都有著優(yōu)于傳統(tǒng)CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷陰極熒光燈)數(shù)倍甚至數(shù)十倍的性能，所以，由它作為顯示器背光已成為一種趨勢(shì)。

由于白光LED的亮度受其驅(qū)動(dòng)電流影響較大，因此設(shè)計(jì)穩(wěn)定電流的驅(qū)動(dòng)器一直是一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)，其中的一種方法是采用串聯(lián)式的連接LED方式，這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要電感，因此會(huì)產(chǎn)生EMI，且占用芯片面積大，成本高；另一種方式是采用電荷泵提供并聯(lián)的幾路恒定電流，這種方式無(wú)需電感，所以不會(huì)出現(xiàn)第一種方式的EMI等問(wèn)題。本文所述的EA就是用于此種電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)器，它可保證充電電流恒定以實(shí)現(xiàn)低噪聲工作。

EA作為一種基本的集成電路(IC)模擬電路單元，以其高精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)、低噪聲、高的電源噪聲抑制比(PSRR)和高的共模抑制比(CMRR)。而被廣泛用在了模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC、LDO驅(qū)動(dòng)器、及射頻電路中。文中設(shè)計(jì)了一款用于電荷泵的新型EA，與以前出現(xiàn)的EA相比，該EA的特點(diǎn)如下：

1)誤差放大器的輸入級(jí)電源由電荷泵的穩(wěn)定輸出偏置，而非不斷下降的，從而保證了供電的穩(wěn)定性；

2)引入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電路，以保證頻率特性，同時(shí)降低了成本，傳統(tǒng)的方法是用外接電容和其等效串連電阻進(jìn)行頻率補(bǔ)償；

3)電容中的彌勒電容不但補(bǔ)償了頻率，還進(jìn)一步改善了電路的PSRR性能；

4)一些附加電路，如：?jiǎn)?dòng)電路、負(fù)載電流采樣、過(guò)流保護(hù)等可進(jìn)一步提高整個(gè)電路的精度。

1 電路設(shè)計(jì)

該改進(jìn)型誤差放大器的電路以及一些附加電路和反饋電路如圖1所示，為了方便分析，圖中把各個(gè)功能模塊用虛線劃開。

1.1 誤差放大器

此電路的核心是一個(gè)高增益大PSRR的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA)，其它包含一級(jí)放大器Gml，二級(jí)放大器Gin2，和一個(gè)頻率補(bǔ)償電路。其中Gml是差分輸入的基本對(duì)稱OTA，它將從正端和負(fù)端分別反饋回來(lái)的基準(zhǔn)電壓和VOUT分壓信號(hào)放大。偏置電流模塊由M7、M8、M11、M12、M13、M14、M15以及R3組成。偏置電流I0是I3的兩倍，由基準(zhǔn)電壓Vref、NMOS管M15的閾值電壓和R3來(lái)設(shè)定。而M7和M8的源端都接到電荷泵的輸出VOUT，因此可以通過(guò)設(shè)定M7、M8使誤差放大器在VOUT達(dá)到某個(gè)值(如3.6 V)時(shí)才工作。同時(shí)這一部分還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)SN信號(hào)來(lái)啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)單元，并提供偏置。Gm1的輸出級(jí)是一個(gè)電流放大結(jié)構(gòu)，由M3、M6、M9和M10構(gòu)成，放大比例為3：1，即：  (W／L)6：(W／L) 5=(W／L)4：(W／L)3=3：1，其中W和L分別是晶體管的寬和長(zhǎng)。這個(gè)比例是在折衷考慮增益帶寬、相位余量和輸出噪聲后得到的。

第二級(jí)放大電路的增益Gm2主要用來(lái)增加電路的開環(huán)增益，并減小誤差放大器的輸出阻抗，從而增大帶寬。它是一個(gè)反相放大器，由M20和M21組成，兩個(gè)管子都有較大的寬長(zhǎng)比。頻率補(bǔ)償電路中M16和M20的寬長(zhǎng)比決定了電路的低頻開環(huán)增益。

為了改善電路的頻率特性，本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了兩種補(bǔ)償電路。一個(gè)是動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償電路，如圖1中的由開關(guān)電阻和MOS管寄生電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)，它可以通過(guò)去采樣負(fù)載電流來(lái)改變MOS管的工作點(diǎn)，即：通過(guò)改變開關(guān)電阻和MOS管寄生電容的值來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。由于其零極點(diǎn)頻率會(huì)隨負(fù)載電流的增加(減小)而增加(減小)，因此，電荷泵單位增益頻率(UGF)在負(fù)載變化時(shí)基本保持不變，這就保證了電荷泵在全負(fù)載范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作。圖1中的動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償電路包括M16、M17、M18、M19和C2，其中，M16、M18和C2不僅僅是放大器Gml的負(fù)載，同時(shí)還有頻率補(bǔ)償?shù)墓δ?。這里將M18的柵面積設(shè)計(jì)得很大，用以產(chǎn)生一個(gè)大的寄生電容。電流采樣電路中的M31和M19組成一個(gè)鏡像電流源，設(shè)計(jì)它們的W／L比為1：5。通過(guò)晶體管工作基本原理可知，M18的柵壓VGM18為：

從上式可以清楚的看到VGM18和IS的關(guān)系(采樣電流，這里IS≈IGM／3000)，即：VGM18隨著IGM變化。也就是說(shuō)RC動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)將會(huì)隨著IGM的變化而變化。

電路中的另外一個(gè)頻率補(bǔ)償用到了第一和第二級(jí)放大器之間的電容C1，反饋從輸出引入，這種方法同時(shí)增大了電路的PSRR。

1.2 其它功能模塊

另外，在設(shè)計(jì)本電路時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一些其它的功能模塊，包括：?jiǎn)?dòng)電路、電流采樣、過(guò)流保護(hù)等電路。

不同于傳統(tǒng)方法，本設(shè)計(jì)將Gml差分輸入的電源偏置連接在電荷泵的輸出電壓VOUT上，而不是VIN，這就使得此偏置電壓非常穩(wěn)定，其原因在于VOUT的紋波很小，而且噪聲極低。

然而，這種設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即：VOUT在系統(tǒng)上電之初為零，而此時(shí)EA又不工作，使得整個(gè)電路無(wú)法工作，所以，需要增加一個(gè)啟動(dòng)單元，以使系統(tǒng)在剛上電時(shí)就可使電荷泵工作，從而使VOUT上升，當(dāng)VOUT增大到閾值時(shí)，EA開始工作。當(dāng)電路啟動(dòng)起來(lái)以后，電荷泵驅(qū)動(dòng)電壓則由EA輸出控制M22、R4和M24使能開啟電路，而M23、M25、M26和R5將其關(guān)斷。

系統(tǒng)中的電流采樣電路采取一個(gè)與IGM成正比的小電流IS，此電路由M27、M28、M29和M30組成。應(yīng)將M27的柵極和電荷泵中電流鏡的柵極相連接，可將采樣比例設(shè)定為1：3000。其采樣原理如下：

由于基準(zhǔn)電路提供的是一個(gè)非常小的偏置電流(大概1μA)，那么M28的柵源電壓VGS也就很小，差不多就是其閾值電壓。而M29的寬長(zhǎng)比W／L被設(shè)計(jì)得很大，那么采樣電流IS就很小，則M29的柵源電壓VGS也很小，因此，M27和電荷泵中開關(guān)管的VDRAIN差不多大小。其過(guò)流保護(hù)電路包含M32、M33和M34。這里，M34和電流采樣電路的M31相互鏡像。它是通過(guò)采樣電流IS來(lái)控制電荷泵中開關(guān)管的柵極電壓，因此限制了最大值。在正常范圍內(nèi)，IS很小，M32和M34一起驅(qū)動(dòng)，M33的VGATE為高，過(guò)流保護(hù)單元不工作。當(dāng)IGM增加時(shí)，M34的VDRAIN(或者M(jìn)33的VGATE)將慢慢減小。當(dāng)增大到某個(gè)值時(shí)，M33完全導(dǎo)通，反饋回路將VDRIVER限制在某個(gè)值，從而限制IGM，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。M32、M33和M34的尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意匹配。限流工作時(shí)，電路形成一個(gè)反饋回路，C3作為彌勒補(bǔ)償以使限定電流穩(wěn)定。

2 仿真結(jié)果

為了評(píng)估所設(shè)計(jì)電路的性能，本系統(tǒng)利用Hynix 0.5μm CMOS工藝進(jìn)行仿真。圖2給出了HSPICE仿真在不同電源電壓下頻率與增益的比較結(jié)果，仿真結(jié)果表明在很寬的頻率范圍內(nèi)．增益超過(guò)60 dB。

不同電源電壓下PSRR與頻率的關(guān)系及不同IGM下CMRR與頻率的關(guān)系分別在圖3和圖4中給出。結(jié)果表明，該電路的PSRR和CMRR分別可達(dá)到65 dB和70 dB。

為了進(jìn)一步測(cè)定設(shè)計(jì)的可用性，這里還繪制了一個(gè)用到該EA的恒流電荷泵版圖，如圖5所示，以便開展后續(xù)工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于對(duì)稱OTA結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款用于低噪聲恒流電荷泵的誤差放大器EA，即在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上引入了動(dòng)態(tài)頻率補(bǔ)償及彌勒補(bǔ)償。新設(shè)計(jì)的EA不僅降低了輸出波紋及噪聲，而且改善了穩(wěn)定性。從電路分析和仿真結(jié)果可以看到在100 Hz～10 MHz頻率范圍內(nèi)，其增益高達(dá)60 dB，PSRR為65 dB，而CMRR則高達(dá)70 dB，系統(tǒng)達(dá)到了較高的性能。