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用于低噪声恒流电荷泵的误差放大器设计

发布时间:2020-06-30 18:19:09 阅读: 来源:气动阀厂家

现代便携式数码设备离不开显示器,而作为显示器背光源的白光LED(发光二极管)在很多方面(比如使用寿命,能耗)都有着优于传统CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps,冷阴极荧光灯)数倍甚至数十倍的性能,所以,由它作为显示器背光已成为一种趋势。

本文引用地址:由于白光LED的亮度受其驱动电流影响较大,因此设计稳定电流的驱动器一直是一个技术热点,其中的一种方法是采用串联式的连接LED方式,这种方式结构复杂,而且需要电感,因此会产生EMI,且占用芯片面积大,成本高;另一种方式是采用电荷泵提供并联的几路恒定电流,这种方式无需电感,所以不会出现第一种方式的EMI等问题。本文所述的EA就是用于此种电荷泵的LED驱动器,它可保证充电电流恒定以实现低噪声工作。

EA作为一种基本的集成电路(IC)模拟电路单元,以其高精准的电压基准、低噪声、高的电源噪声抑制比(PSRR)和高的共模抑制比(CMRR)。而被广泛用在了模数转换器ADC、数模转换器DAC、LDO驱动器、及射频电路中。文中设计了一款用于电荷泵的新型EA,与以前出现的EA相比,该EA的特点如下:

1)误差放大器的输入级电源由电荷泵的稳定输出偏置,而非不断下降的,从而保证了供电的稳定性;

2)引入动态补偿电路,以保证频率特性,同时降低了成本,传统的方法是用外接电容和其等效串连电阻进行频率补偿;

3)电容中的弥勒电容不但补偿了频率,还进一步改善了电路的PSRR性能;

4)一些附加电路,如:启动电路、负载电流采样、过流保护等可进一步提高整个电路的精度。

1 电路设计

该改进型误差放大器的电路以及一些附加电路和反馈电路如图1所示,为了方便分析,图中把各个功能模块用虚线划开。

1.1 误差放大器

此电路的核心是一个高增益大PSRR的跨导运算放大器(OTA),其它包含一级放大器Gml,二级放大器Gin2,和一个频率补偿电路。其中Gml是差分输入的基本对称OTA,它将从正端和负端分别反馈回来的基准电压和VOUT分压信号放大。偏置电流模块由M7、M8、M11、M12、M13、M14、M15以及R3组成。偏置电流I0是I3的两倍,由基准电压Vref、NMOS管M15的阈值电压和R3来设定。而M7和M8的源端都接到电荷泵的输出VOUT,因此可以通过设定M7、M8使误差放大器在VOUT达到某个值(如3.6 V)时才工作。同时这一部分还会产生一个SN信号来启动过流保护单元,并提供偏置。Gm1的输出级是一个电流放大结构,由M3、M6、M9和M10构成,放大比例为3:1,即: (W/L)6:(W/L) 5=(W/L)4:(W/L)3=3:1,其中W和L分别是晶体管的宽和长。这个比例是在折衷考虑增益带宽、相位余量和输出噪声后得到的。

第二级放大电路的增益Gm2主要用来增加电路的开环增益,并减小误差放大器的输出阻抗,从而增大带宽。它是一个反相放大器,由M20和M21组成,两个管子都有较大的宽长比。频率补偿电路中M16和M20的宽长比决定了电路的低频开环增益。

为了改善电路的频率特性,本设计中运用了两种补偿电路。一个是动态频率补偿电路,如图1中的由开关电阻和MOS管寄生电容组成的RC网络,它可以通过去采样负载电流来改变MOS管的工作点,即:通过改变开关电阻和MOS管寄生电容的值来实现动态补偿。由于其零极点频率会随负载电流的增加(减小)而增加(减小),因此,电荷泵单位增益频率(UGF)在负载变化时基本保持不变,这就保证了电荷泵在全负载范围内能够稳定工作。图1中的动态频率补偿电路包括M16、M17、M18、M19和C2,其中,M16、M18和C2不仅仅是放大器Gml的负载,同时还有频率补偿的功能。这里将M18的栅面积设计得很大,用以产生一个大的寄生电容。电流采样电路中的M31和M19组成一个镜像电流源,设计它们的W/L比为1:5。通过晶体管工作基本原理可知,M18的栅压VGM18为:

从上式可以清楚的看到VGM18和IS的关系(采样电流,这里IS≈IGM/3000),即:VGM18随着IGM变化。也就是说RC动态补偿网将会随着IGM的变化而变化。

电路中的另外一个频率补偿用到了第一和第二级放大器之间的电容C1,反馈从输出引入,这种方法同时增大了电路的PSRR。

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