0 引言
白光LED的應用越來越廣泛。一般白光LED正向導通壓降約為3．4 V，典型值為3．5～3．8 V，而通常便攜式設備主要供電電源的鋰離子電池輸出電壓在2．7～5 V之間。如果用電源直接驅動白光LED，會產生白光LED發(fā)光亮度的不穩(wěn)定，而且當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束，就會影響到便攜式設備的有效工作時間。所以，在便攜式設備中，需要LED驅動電路，使電池在整個放電過程中都能保證LED正常發(fā)光。
針對電荷泵型LED驅動器的具體要求，設計了一款改進型誤差放大器，該誤差放大器在2．7～5 V的電壓范圍內工作，同時具有高的電源噪聲抑制比和共模抑制比。
1 誤差放大器的設計
1．1 電荷泵型LED驅動器
圖1是電荷泵型LED驅動器的示意圖，圖中VIN是電源輸入電壓，VOUT為驅動器的輸出電壓，S1，S2，S3，S4是功率開關，CF為泵電容，COUT是LED驅動器輸出電容，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，VREF表示精密溫度補償基準電壓。電荷泵在1倍升壓時，閉合S1，S2，打開S3，S4。電荷泵工作在2倍升壓時，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，在時鐘控制下不斷周期性地充放電，同時在反饋控制電路的作用下，輸出電壓會穩(wěn)定在一個預設值上，誤差放大器僅在2倍升壓時工作。
誤差放大器的作用就是對精密溫度補償基準電壓VREF和輸出分壓VFB進行比較，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)。當電路處在空閑狀態(tài)時，誤差放大器繼續(xù)對輸出電壓采樣，如果輸出電壓在負載作用下降低，輸出電壓能夠及時得到調整，對負載變化響應迅速，紋波較小。
據(jù)上述工作原理可以得到對誤差放大器的要求：
第一，在電池供電范圍內，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，在整個電池電壓變化范圍內，誤差放大器的增益，相位變化要小。
第二，在便攜式設備中，鋰離子電池要同時給數(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，同時要滿足CMRR要求。根據(jù)所需指標，尋求合適的誤差放大器來滿足要求。
1．2 誤差放大器的設計
圖2是誤差放大器的整體電路圖。誤差放大器的設計和實現(xiàn)過程中考慮到寬電壓工作，高CMRR和PSRR的應用需要，采用單電源兩級電壓放大器的拓撲結構，它包含一級放大器A1，二級放大器A2和兩個頻率補償電容，其中A1為對稱全差分OTA，它將輸出電壓VOUT分壓電壓VFB和高精度溫度補償帶隙基準電壓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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第一級偏置模塊由M13，M14，M15組成，IBIAS是一個高精度溫度補償基準電流源，M11，M12，M15組成電流鏡結構給全差分運放放大器提供電流。M1，M2是差分輸入對管，以M4，M5管為負載管，放大倍數(shù)很小。電阻R1為源級負反饋電阻，用來增加運放的壓擺率，并提高運放的線性度。M20～M25為輸出共模反饋管，用來調節(jié)運放第一級的共模輸出電平。M4，M6，M7，M8，M9，M10組成共源級放大，采用這種結構是綜合考慮帶寬，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V2點的電壓要求不是很高，這是因為由M20～M25組成的輸出共模反饋管，能夠抑制V2點的噪聲干擾。
第二級放大電路A2是把差分的雙端輸出轉換成單端輸出，這一級決定放大電路的放大倍數(shù)，同時VEA要有合適的電壓擺幅，在整個工作電壓范圍內都能驅動負載。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。
對如圖2所示誤差放大器，主極點位于第一級放大器A1的輸出點。在A點放大器有最大的輸出阻抗RA和最大的電容CA。由于第二級放大器A2的輸出B點和A點的輸出阻抗在同一個數(shù)量級上，兩個點產生的極點相距較近，為了提高電路的穩(wěn)定性，通常使用密勒補償電容C1，C2，把這兩個極點分開，得到較好的相位裕度。
由補償前后對比可知，密勒補償電容使兩級間的主極點向原點移動，使輸出極點向離開原點方向移動。在兩級運算放大器電路中引入合適的補償電容，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
為了評估所設計電路的性能，對不同工作電壓(2．7～5 V)下的誤差放大器進行了仿真，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，誤差放大器的PSRR仿真結果。
從圖5中可以看出，在2．7 V時PSRR約為93 dB，在5 V時PSRR約為106 dB。
圖6是電源電壓為2．7～5 V時，誤差放大器的CMRR仿真結果。
從圖6中可以看出，在2．7 V時CMRR約為114 dB，在5 V時CMRR約為113 dB。
3 結論
本文基于全差分對稱結構，使用CHRT 0．35μm CMOS MIXED SIGNAL TECHNOLOGY工藝，設計了一款可作為LED驅動器內部使用的具有寬工作電壓范圍的CMOS誤差放大器，新設計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，同時具有較高的PSRR，CMRR。
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