电荷泵型LED驱动器的CMOS误差放大器设计

0 引言
    白光LED的应用越来越广泛。一般白光LED正向导通压降约为3．4 V，典型值为3．5～3．8 V，而通常便携式设备主要供电电源的锂离子电池输出电压在2．7～5 V之间。如果用电源直接驱动白光LED，会产生白光LED发光亮度的不稳定，而且当电源电压降低到不能使LED正常发光，而电池放电还没有结束，就会影响到便携式设备的有效工作时间。所以，在便携式设备中，需要LED驱动电路，使电池在整个放电过程中都能保证LED正常发光。
    针对电荷泵型LED驱动器的具体要求，设计了一款改进型误差放大器，该误差放大器在2．7～5 V的电压范围内工作，同时具有高的电源噪声抑制比和共模抑制比。

1 误差放大器的设计
1．1 电荷泵型LED驱动器
    图1是电荷泵型LED驱动器的示意图，图中VIN是电源输入电压，VOUT为驱动器的输出电压，S1，S2，S3，S4是功率开关，CF为泵电容，COUT是LED驱动器输出电容，EA是误差放大器，VEA为误差放大器的输出电压，VFB表示电荷泵输出电压的分压信号，VREF表示精密温度补偿基准电压。电荷泵在1倍升压时，闭合S1，S2，打开S3，S4。电荷泵工作在2倍升压时，在充电阶段，闭合S1，S4，打开S2，S3；在放电阶段，打开S1，S4，闭合S2，S3，在时钟控制下不断周期性地充放电，同时在反馈控制电路的作用下，输出电压会稳定在一个预设值上，误差放大器仅在2倍升压时工作。

    误差放大器的作用就是对精密温度补偿基准电压VREF和输出分压VFB进行比较，误差放大器输出电压正比于VFB和VREF的差值，VEA输入到控制器。整个控制原理是：如果VFB<VREF，误差放大器的输出电压VEA增大，控制电路有时钟频率输出，电荷泵工作在升压状态，输出电压VOUT增大；如果VFB>VREF，误差放大器的输出电压VEA减小，控制电路没有时钟频率输出，S1，S2，S3，S4都处于打开状态，电荷泵处在空闲状态。当电路处在空闲状态时，误差放大器继续对输出电压采样，如果输出电压在负载作用下降低，输出电压能够及时得到调整，对负载变化响应迅速，纹波较小。
    据上述工作原理可以得到对误差放大器的要求：
    第一，在电池供电范围内，误差放大器要满足宽电压工作要求。电源输出电压范围在2．7～5 V之间，在整个电池电压变化范围内，误差放大器的增益，相位变化要小。
    第二，在便携式设备中，锂离子电池要同时给数字模块供电，电池的输出电压噪声较大，所以误差放大器要有较高的PSRR，同时要满足CMRR要求。根据所需指标，寻求合适的误差放大器来满足要求。
1．2 误差放大器的设计
    图2是误差放大器的整体电路图。误差放大器的设计和实现过程中考虑到宽电压工作，高CMRR和PSRR的应用需要，采用单电源两级电压放大器的拓扑结构，它包含一级放大器A1，二级放大器A2和两个频率补偿电容，其中A1为对称全差分OTA，它将输出电压VOUT分压电压VFB和高精度温度补偿带隙基准电压VREF差值放大，使用全差分OTA是为了得到更好的频率特性。

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    第一级偏置模块由M13，M14，M15组成，IBIAS是一个高精度温度补偿基准电流源，M11，M12，M15组成电流镜结构给全差分运放放大器提供电流。M1，M2是差分输入对管，以M4，M5管为负载管，放大倍数很小。电阻R1为源级负反馈电阻，用来增加运放的压摆率，并提高运放的线性度。M20～M25为输出共模反馈管，用来调节运放第一级的共模输出电平。M4，M6，M7，M8，M9，M10组成共源级放大，采用这种结构是综合考虑带宽，相位裕量和宽电压工作的需要，V2为共源光栅器件提供合适的偏置，电路对V2点的电压要求不是很高，这是因为由M20～M25组成的输出共模反馈管，能够抑制V2点的噪声干扰。
    第二级放大电路A2是把差分的双端输出转换成单端输出，这一级决定放大电路的放大倍数，同时VEA要有合适的电压摆幅，在整个工作电压范围内都能驱动负载。根据图2可以近似得出误差放大器的低频增益：
    W和L分别是晶体管的宽和长。
    对如图2所示误差放大器，主极点位于第一级放大器A1的输出点。在A点放大器有最大的输出阻抗RA和最大的电容CA。由于第二级放大器A2的输出B点和A点的输出阻抗在同一个数量级上，两个点产生的极点相距较近，为了提高电路的稳定性，通常使用密勒补偿电容C1，C2，把这两个极点分开，得到较好的相位裕度。
    由补偿前后对比可知，密勒补偿电容使两级间的主极点向原点移动，使输出极点向离开原点方向移动。在两级运算放大器电路中引入合适的补偿电容，使误差放大器的相位裕度大为增加，大大提高了系统的稳定性。

2 仿真分析
    为了评估所设计电路的性能，对不同工作电压(2．7～5 V)下的误差放大器进行了仿真，仿真软件采用Cadence Spectre，仿真模型基于CHRT 0．35 μmCMOS MIXED SIGNAL TECHNOLOGY工艺，仿真条件为25℃下全典型模型。首先，误差放大器的增益特性如图3所示，相位特性如图4所示。

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    由图3～图4可见，在2．7～5 V的工作电压下放大器的增益和相位变化很小，其增益约等于72 dB，相位裕度约等于52°。
    图5是电源电压为2．7～5 V时，误差放大器的PSRR仿真结果。
    从图5中可以看出，在2．7 V时PSRR约为93 dB，在5 V时PSRR约为106 dB。
    图6是电源电压为2．7～5 V时，误差放大器的CMRR仿真结果。

    从图6中可以看出，在2．7 V时CMRR约为114 dB，在5 V时CMRR约为113 dB。

3 结论
    本文基于全差分对称结构，使用CHRT 0．35μm CMOS MIXED SIGNAL TECHNOLOGY工艺，设计了一款可作为LED驱动器内部使用的具有宽工作电压范围的CMOS误差放大器，新设计的误差放大器不仅降低了输出电压波纹及噪声，而且改善了稳定性，同时具有较高的PSRR，CMRR。