用于低噪聲恒流電荷泵的誤差放大器設計

現代便攜式數碼設備離不開(kāi)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(zhù)優(yōu)于傳統CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps，冷陰極熒光燈)數倍甚至數十倍的性能，所以，由它作為顯示器背光已成為一種趨勢。

　　由于白光LED的亮度受其驅動(dòng)電流影響較大，因此設計穩定電流的驅動(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，這種方式結構復雜，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驅動(dòng)器，它可保證充電電流恒定以實(shí)現低噪聲工作。

　　EA作為一種基本的集成電路(IC)模擬電路單元，以其高精準的電壓基準、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轉換器ADC、數模轉換器DAC、LDO驅動(dòng)器、及射頻電路中。文中設計了一款用于電荷泵的新型EA，與以前出現的EA相比，該EA的特點(diǎn)如下：

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

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

　　3)電容中的彌勒電容不但補償了頻率，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、負載電流采樣、過(guò)流保護等可進(jìn)一步提高整個(gè)電路的精度。

　　1 電路設計

　　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(xiàn)劃開(kāi)。

　　1.1 誤差放大器

　　此電路的核心是一個(gè)高增益大PSRR的跨導運算放大器(OTA)，其它包含一級放大器Gml，二級放大器Gin2，和一個(gè)頻率補償電路。其中Gml是差分輸入的基本對稱(chēng)OTA，它將從正端和負端分別反饋回來(lái)的基準電壓和VOUT分壓信號放大。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，由基準電壓Vref、NMOS管M15的閾值電壓和R3來(lái)設定。而M7和M8的源端都接到電荷泵的輸出VOUT，因此可以通過(guò)設定M7、M8使誤差放大器在VOUT達到某個(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信號來(lái)啟動(dòng)過(guò)流保護單元，并提供偏置。Gm1的輸出級是一個(gè)電流放大結構，由M3、M6、M9和M10構成，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(cháng)。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。

　　第二級放大電路的增益Gm2主要用來(lái)增加電路的開(kāi)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(cháng)比。頻率補償電路中M16和M20的寬長(cháng)比決定了電路的低頻開(kāi)環(huán)增益。

　　為了改善電路的頻率特性，本設計中運用了兩種補償電路。一個(gè)是動(dòng)態(tài)頻率補償電路，如圖1中的由開(kāi)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)去采樣負載電流來(lái)改變MOS管的工作點(diǎn)，即：通過(guò)改變開(kāi)關(guān)電阻和MOS管寄生電容的值來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)補償。由于其零極點(diǎn)頻率會(huì )隨負載電流的增加(減小)而增加(減小)，因此，電荷泵單位增益頻率(UGF)在負載變化時(shí)基本保持不變，這就保證了電荷泵在全負載范圍內能夠穩定工作。圖1中的動(dòng)態(tài)頻率補償電路包括M16、M17、M18、M19和C2，其中，M16、M18和C2不僅僅是放大器Gml的負載，同時(shí)還有頻率補償的功能。這里將M18的柵面積設計得很大，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，設計它們的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(zhù)IGM變化。也就是說(shuō)RC動(dòng)態(tài)補償網(wǎng)將會(huì )隨著(zhù)IGM的變化而變化。

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