電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的CMOS誤差放大器設(shè)計(jì)

0 引言
    白光LED的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一般白光LED正向?qū)▔航导s為3．4 V，典型值為3．5～3．8 V，而通常便攜式設(shè)備主要供電電源的鋰離子電池輸出電壓在2．7～5 V之間。如果用電源直接驅(qū)動(dòng)白光LED，會(huì)產(chǎn)生白光LED發(fā)光亮度的不穩(wěn)定，而且當(dāng)電源電壓降低到不能使LED正常發(fā)光，而電池放電還沒有結(jié)束，就會(huì)影響到便攜式設(shè)備的有效工作時(shí)間。所以，在便攜式設(shè)備中，需要LED驅(qū)動(dòng)電路，使電池在整個(gè)放電過(guò)程中都能保證LED正常發(fā)光。
    針對(duì)電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的具體要求，設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型誤差放大器，該誤差放大器在2．7～5 V的電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)具有高的電源噪聲抑制比和共模抑制比。

1 誤差放大器的設(shè)計(jì)
1．1 電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器
    圖1是電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的示意圖，圖中VIN是電源輸入電壓，VOUT為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，S1，S2，S3，S4是功率開關(guān)，CF為泵電容，COUT是LED驅(qū)動(dòng)器輸出電容，EA是誤差放大器，VEA為誤差放大器的輸出電壓，VFB表示電荷泵輸出電壓的分壓信號(hào)，VREF表示精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓。電荷泵在1倍升壓時(shí)，閉合S1，S2，打開S3，S4。電荷泵工作在2倍升壓時(shí)，在充電階段，閉合S1，S4，打開S2，S3；在放電階段，打開S1，S4，閉合S2，S3，在時(shí)鐘控制下不斷周期性地充放電，同時(shí)在反饋控制電路的作用下，輸出電壓會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)設(shè)值上，誤差放大器僅在2倍升壓時(shí)工作。

    誤差放大器的作用就是對(duì)精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓VREF和輸出分壓VFB進(jìn)行比較，誤差放大器輸出電壓正比于VFB和VREF的差值，VEA輸入到控制器。整個(gè)控制原理是：如果VFB<VREF，誤差放大器的輸出電壓VEA增大，控制電路有時(shí)鐘頻率輸出，電荷泵工作在升壓狀態(tài)，輸出電壓VOUT增大；如果VFB>VREF，誤差放大器的輸出電壓VEA減小，控制電路沒有時(shí)鐘頻率輸出，S1，S2，S3，S4都處于打開狀態(tài)，電荷泵處在空閑狀態(tài)。當(dāng)電路處在空閑狀態(tài)時(shí)，誤差放大器繼續(xù)對(duì)輸出電壓采樣，如果輸出電壓在負(fù)載作用下降低，輸出電壓能夠及時(shí)得到調(diào)整，對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)迅速，紋波較小。
    據(jù)上述工作原理可以得到對(duì)誤差放大器的要求：
    第一，在電池供電范圍內(nèi)，誤差放大器要滿足寬電壓工作要求。電源輸出電壓范圍在2．7～5 V之間，在整個(gè)電池電壓變化范圍內(nèi)，誤差放大器的增益，相位變化要小。
    第二，在便攜式設(shè)備中，鋰離子電池要同時(shí)給數(shù)字模塊供電，電池的輸出電壓噪聲較大，所以誤差放大器要有較高的PSRR，同時(shí)要滿足CMRR要求。根據(jù)所需指標(biāo)，尋求合適的誤差放大器來(lái)滿足要求。
1．2 誤差放大器的設(shè)計(jì)
    圖2是誤差放大器的整體電路圖。誤差放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中考慮到寬電壓工作，高CMRR和PSRR的應(yīng)用需要，采用單電源兩級(jí)電壓放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包含一級(jí)放大器A1，二級(jí)放大器A2和兩個(gè)頻率補(bǔ)償電容，其中A1為對(duì)稱全差分OTA，它將輸出電壓VOUT分壓電壓VFB和高精度溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓VREF差值放大，使用全差分OTA是為了得到更好的頻率特性。

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    第一級(jí)偏置模塊由M13，M14，M15組成，IBIAS是一個(gè)高精度溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電流源，M11，M12，M15組成電流鏡結(jié)構(gòu)給全差分運(yùn)放放大器提供電流。M1，M2是差分輸入對(duì)管，以M4，M5管為負(fù)載管，放大倍數(shù)很小。電阻R1為源級(jí)負(fù)反饋電阻，用來(lái)增加運(yùn)放的壓擺率，并提高運(yùn)放的線性度。M20～M25為輸出共模反饋管，用來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)放第一級(jí)的共模輸出電平。M4，M6，M7，M8，M9，M10組成共源級(jí)放大，采用這種結(jié)構(gòu)是綜合考慮帶寬，相位裕量和寬電壓工作的需要，V2為共源光柵器件提供合適的偏置，電路對(duì)V2點(diǎn)的電壓要求不是很高，這是因?yàn)橛蒑20～M25組成的輸出共模反饋管，能夠抑制V2點(diǎn)的噪聲干擾。
    第二級(jí)放大電路A2是把差分的雙端輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，這一級(jí)決定放大電路的放大倍數(shù)，同時(shí)VEA要有合適的電壓擺幅，在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)都能驅(qū)動(dòng)負(fù)載。根據(jù)圖2可以近似得出誤差放大器的低頻增益：
    W和L分別是晶體管的寬和長(zhǎng)。
    對(duì)如圖2所示誤差放大器，主極點(diǎn)位于第一級(jí)放大器A1的輸出點(diǎn)。在A點(diǎn)放大器有最大的輸出阻抗RA和最大的電容CA。由于第二級(jí)放大器A2的輸出B點(diǎn)和A點(diǎn)的輸出阻抗在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上，兩個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)相距較近，為了提高電路的穩(wěn)定性，通常使用密勒補(bǔ)償電容C1，C2，把這兩個(gè)極點(diǎn)分開，得到較好的相位裕度。
    由補(bǔ)償前后對(duì)比可知，密勒補(bǔ)償電容使兩級(jí)間的主極點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng)，使輸出極點(diǎn)向離開原點(diǎn)方向移動(dòng)。在兩級(jí)運(yùn)算放大器電路中引入合適的補(bǔ)償電容，使誤差放大器的相位裕度大為增加，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 仿真分析
    為了評(píng)估所設(shè)計(jì)電路的性能，對(duì)不同工作電壓(2．7～5 V)下的誤差放大器進(jìn)行了仿真，仿真軟件采用Cadence Spectre，仿真模型基于CHRT 0．35 μmCMOS MIXED SIGNAL TECHNOLOGY工藝，仿真條件為25℃下全典型模型。首先，誤差放大器的增益特性如圖3所示，相位特性如圖4所示。

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    由圖3～圖4可見，在2．7～5 V的工作電壓下放大器的增益和相位變化很小，其增益約等于72 dB，相位裕度約等于52°。
    圖5是電源電壓為2．7～5 V時(shí)，誤差放大器的PSRR仿真結(jié)果。
    從圖5中可以看出，在2．7 V時(shí)PSRR約為93 dB，在5 V時(shí)PSRR約為106 dB。
    圖6是電源電壓為2．7～5 V時(shí)，誤差放大器的CMRR仿真結(jié)果。

    從圖6中可以看出，在2．7 V時(shí)CMRR約為114 dB，在5 V時(shí)CMRR約為113 dB。

3 結(jié)論
    本文基于全差分對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使用CHRT 0．35μm CMOS MIXED SIGNAL TECHNOLOGY工藝，設(shè)計(jì)了一款可作為LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部使用的具有寬工作電壓范圍的CMOS誤差放大器，新設(shè)計(jì)的誤差放大器不僅降低了輸出電壓波紋及噪聲，而且改善了穩(wěn)定性，同時(shí)具有較高的PSRR，CMRR。