一種高性能誤差放大器的設(shè)計

引言

DC-DC轉(zhuǎn)換器的其體積小、轉(zhuǎn)換效率高、外圍電路簡單、噪聲低等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于諸如通信以及便攜式等設(shè)備的電源供給系統(tǒng)中。

本論文結(jié)合高壓轉(zhuǎn)換器的性能要求及BCD的工藝特點,采用改進的差分運算跨導(dǎo)結(jié)構(gòu)、共射增益級和其它輔助電路，設(shè)計了一款具有高共模抑制比(CMRR)、高電源抑制(PSRR)、低時延的誤差放大器，同時對其性能進行了分析和驗證。仿真結(jié)果表明：本文所設(shè)計的電路能滿足指標(biāo)要求，并顯著地提高了誤差放大器的精度和性能。

1電流模式BUCK轉(zhuǎn)換器

圖1所示的是一種電流控制模式BUCK轉(zhuǎn)換器的簡化模塊圖。通?？蓪⑥D(zhuǎn)換器分為功率輸出電路和反饋控制回路。其中，誤差放大器是轉(zhuǎn)換器電壓反饋控制電路的關(guān)鍵模塊之一。它可以通過放大轉(zhuǎn)換器輸出端分壓得到的帶有輸出信號原變化信息的反饋信號FB與基準(zhǔn)電壓么的差值，來改變轉(zhuǎn)換器PWM(PulseWidthModulation)信號的占空比，以控制開關(guān)管M的導(dǎo)通時間，進而調(diào)整輸出電壓。當(dāng)輸出信號原低于正常值時，反饋信號*B小于基準(zhǔn)電壓*ef，誤差放大器輸出增大，PWM信號占空比也相應(yīng)地加大，開關(guān)管的導(dǎo)通時間增大，使輸出信號增大;反之，當(dāng)輸出信號Vout超出正常值時,開關(guān)管導(dǎo)通時間減小，使輸出電壓降低。所以誤差放大器的性能直接決定著轉(zhuǎn)換器控制電路的性能，進一步也控制著整個轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性、輸出電壓的紋波大小和帶寬。

2電路設(shè)計

本設(shè)計的誤差放大器整體電路如圖2所示，該電路可以分為偏置轉(zhuǎn)換和核心電路兩個模塊。

圖1DC-DCBUCK轉(zhuǎn)換器的簡化模塊圖

2.1偏置轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計

偏置轉(zhuǎn)換電路的主要功能是將輸入到誤差放大器模塊的偏置電壓Vbias轉(zhuǎn)換為偏置電壓Vbias1和V3IAS2。

M4與偏置電路中提供偏置電流的管子構(gòu)成電流鏡結(jié)構(gòu)。加偏置電壓Vbias后，M4中有鏡像電流流向地，同時M3管的柵極電壓降低，M2鏡像M1中電流，從而M3管導(dǎo)通。M5管為二極管連接方式，導(dǎo)通并工作在飽和區(qū)。調(diào)整M3、M5的寬長比可以得到所需的偏置電壓VbiaS1和VbIAS2。

2.2誤差放大器核心電路模塊的設(shè)計與，性能分析

它的功能是將反饋信號FB與基準(zhǔn)電壓Kef的差值放大,并輸出到下一級調(diào)控PWM輸出脈沖信號的占空比。

2.2.1核心電路設(shè)計

誤差放大器的核心電路由以下四級組成：

(1)輸入級

反饋信號電壓*B與基準(zhǔn)電壓分別通過QP1、QP2組成的單位電壓增益電平平移電路輸入到QN1、QN2的基極。從大信號角度看，VbQN1'^bQN2均分別比*B和咼Kb(一般為0.7V左右)，進入差分放大級的共模輸入范圍，這也同時增大了*b幅度變化范圍。

(2)差分放大級

差分放大級為對稱結(jié)構(gòu)，QN1，QN2為共射差分輸入對。QP3,QP4為有源負(fù)載,R1與R2阻值相同保證流過QN1，QN2的靜態(tài)電流相同。M8為電流源。

(3)增益級

由于前兩級的增益較低，所以采用由QP5,QP6分別構(gòu)成的共射放大電路作為專門的增益級，同時也實現(xiàn)了雙端輸入單端輸出。QN3,QN4作為增益級的有源負(fù)載。M8,R3,QP7構(gòu)成限幅電路，通過選取電阻R3的阻值，QP7將QP5與QN4的集電極輸出端電位限制在設(shè)計的范圍內(nèi)。COMP外接RC電路實現(xiàn)零點補償，使其交流小信號電壓增益的相位裕度滿足設(shè)計要求。

(4)輸出級

QN5和R4構(gòu)成了共集電極輸出級。利用低輸出電阻特性,更好地將比較器的電壓信號輸出，驅(qū)動下一級負(fù)載。

2.2.2誤差放大電路的CMRR及PSRR分析

假定誤差放大電路對稱結(jié)構(gòu)中的三極管采用相同的工藝,并完全匹配。

(1)CMRR分析

CMRR是衡量差分放大器對同時加到其兩個輸入端的共模信號的抑制能力。是誤差放大器的重要性能指標(biāo)之一。

對電路進行小信號模型分析，可分別得到其差模電壓增益為：

從式(3)可以看出，增大R1的值可以增大CMRR。

(2)PSRR分析

電源的紋波可能在放大器的輸出端引入很大的噪聲，成為影響誤差放大器性能的主要因素。PSRR是衡量模擬系統(tǒng)抗電源紋波能力的一個非常重要的指標(biāo)。因此，在電路設(shè)計過程中，必須著重考慮比較器的PSRR性能。

按照文獻［5］介紹的方法，將比較器的輸入ERR_TH和FB均接小信號地，只考慮電源VCC_A的等效紋波電源Vcc，然后進行小信號模型分析，可得到電源抑制比為：

從(4)式可以知，增大R的阻值或者減小MOS管M6、M7的寬長比可以增大PSRR。故在設(shè)計電路時，在不影響其它性能的前提下，可以通過選取適當(dāng)阻值的R4或者調(diào)整M6、M7的寬長比來提高比較器的PSRR。

3仿真結(jié)果及分析

電路設(shè)計采用0.6MmBCD工藝，仿真條件為25°C并采用全典型模型，在HSPICE軟件環(huán)境下進行了仿真。

圖3給出了未加補償和加補償后的增益和相位仿真曲線以及加補償后的相位裕度曲線。未加補償時，相位裕度幾乎為零，由電路理論可知系統(tǒng)會自激振蕩，不穩(wěn)定。故在COMP接RC補償電路進行零點補償，使得相位裕度達到要求。仿真數(shù)據(jù)表明在很大的頻率范圍內(nèi)增益大于60dB，已達到運用的要求。加補償后的相位裕度在電源電壓為2.7V、3.6V、5.5V時，其最低值為99.2。，均可滿足設(shè)計性能要求。

圖4給出了電源電壓分別取2.7V、3.6V、5.5V時的CMRR(共模抑制比)仿真曲線。仿真數(shù)據(jù)表明，三種條件下的CMRR都在120dB左右，均可滿足設(shè)計的指標(biāo)要求。

圖4CMRR仿真曲線

由表1可見，三種條件下的瞬態(tài)上升和下降時延均為百納秒級，故可實現(xiàn)設(shè)計的快速響應(yīng)。PSRR(電源抑制比)在三種條件下，其PSRR的最小值在電源電壓為2.7V,頻率為10kHz時，可在57.21dB時達到設(shè)計性能要求。

從仿真得到的數(shù)據(jù)可以知道，本論文設(shè)計的誤差放大器幾項主要指標(biāo)均達到了常用的誤差放大器的要求，CMRR和PSRR，以及瞬態(tài)上升和下降時延在電源電壓不同的條件下都較普通的誤差放大器優(yōu)異，達到了設(shè)計的要求。

4結(jié)語

本文設(shè)計了一款新型高性能誤差放大器。偏置轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)了將一個偏置電壓轉(zhuǎn)換為兩個不同的偏置電壓。其核心電路模塊主要由雙極型三極管構(gòu)成的差分運算跨導(dǎo)(OTA)等三級放大結(jié)構(gòu)組成，利用雙極型三極管高速的特點，降低了響應(yīng)時間，并采用外接RC補償電路，達到相位裕度要求。經(jīng)0.6〃mBCD工藝條件下的仿真表明各項諸如CMRR、PSRR等主要指標(biāo)均達到或者優(yōu)于傳統(tǒng)的誤差放大器性能指標(biāo)，完全滿足高壓DC-DCBUCK轉(zhuǎn)換器性能要求。

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