0 引言
    白光LED的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,。一般白光LED正向?qū)▔航导s為3．4 V,，典型值為3．5～3．8 V，而通常便攜式設(shè)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(qū)動(dòng)白光LED,，會(huì)產(chǎn)生白光LED發(fā)光亮度的不穩(wěn)定，而且當(dāng)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(jié)束,，就會(huì)影響到便攜式設(shè)備的有效工作時(shí)間。所以,，在便攜式設(shè)備中,，需要LED驅(qū)動(dòng)電路，使電池在整個(gè)放電過(guò)程中都能保證LED正常發(fā)光,。
    針對(duì)電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的具體要求,，設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型誤差放大器，該誤差放大器在2．7～5 V的電壓范圍內(nèi)工作,，同時(shí)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(shè)計(jì)
1．1 電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器
    圖1是電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的示意圖，圖中VIN是電源輸入電壓，VOUT為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓,，S1,，S2，S3,，S4是功率開關(guān),，CF為泵電容，COUT是LED驅(qū)動(dòng)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(hào),，VREF表示精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓,。電荷泵在1倍升壓時(shí)，閉合S1,，S2,，打開S3，S4,。電荷泵工作在2倍升壓時(shí),，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(shí)鐘控制下不斷周期性地充放電,，同時(shí)在反饋控制電路的作用下,，輸出電壓會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)設(shè)值上，誤差放大器僅在2倍升壓時(shí)工作,。

    誤差放大器的作用就是對(duì)精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓VREF和輸出分壓VFB進(jìn)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(gè)控制原理是：如果VFBVREF，誤差放大器的輸出電壓VEA減小,，控制電路沒有時(shí)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(dāng)電路處在空閑狀態(tài)時(shí)，誤差放大器繼續(xù)對(duì)輸出電壓采樣,，如果輸出電壓在負(fù)載作用下降低,，輸出電壓能夠及時(shí)得到調(diào)整，對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)迅速,，紋波較小,。
    據(jù)上述工作原理可以得到對(duì)誤差放大器的要求：
    第一，在電池供電范圍內(nèi),，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(gè)電池電壓變化范圍內(nèi),，誤差放大器的增益,，相位變化要小。
    第二,，在便攜式設(shè)備中,，鋰離子電池要同時(shí)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(shí)要滿足CMRR要求。根據(jù)所需指標(biāo),，尋求合適的誤差放大器來(lái)滿足要求,。
1．2 誤差放大器的設(shè)計(jì)
    圖2是誤差放大器的整體電路圖。誤差放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中考慮到寬電壓工作,，高CMRR和PSRR的應(yīng)用需要,，采用單電源兩級(jí)電壓放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包含一級(jí)放大器A1,，二級(jí)放大器A2和兩個(gè)頻率補(bǔ)償電容,，其中A1為對(duì)稱全差分OTA，它將輸出電壓VOUT分壓電壓VFB和高精度溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)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,。

    第一級(jí)偏置模塊由M13,，M14,，M15組成，IBIAS是一個(gè)高精度溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電流源,，M11,，M12，M15組成電流鏡結(jié)構(gòu)給全差分運(yùn)放放大器提供電流,。M1,，M2是差分輸入對(duì)管，以M4,，M5管為負(fù)載管,，放大倍數(shù)很小。電阻R1為源級(jí)負(fù)反饋電阻,，用來(lái)增加運(yùn)放的壓擺率,，并提高運(yùn)放的線性度。M20～M25為輸出共模反饋管,，用來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)放第一級(jí)的共模輸出電平,。M4，M6,，M7,，M8，M9,，M10組成共源級(jí)放大,，采用這種結(jié)構(gòu)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(duì)V2點(diǎn)的電壓要求不是很高，這是因?yàn)橛蒑20～M25組成的輸出共模反饋管,，能夠抑制V2點(diǎn)的噪聲干擾,。
    第二級(jí)放大電路A2是把差分的雙端輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出，這一級(jí)決定放大電路的放大倍數(shù),，同時(shí)VEA要有合適的電壓擺幅,，在整個(gè)工作電壓范圍內(nèi)都能驅(qū)動(dòng)負(fù)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(zhǎng),。
    對(duì)如圖2所示誤差放大器,，主極點(diǎn)位于第一級(jí)放大器A1的輸出點(diǎn),。在A點(diǎn)放大器有最大的輸出阻抗RA和最大的電容CA。由于第二級(jí)放大器A2的輸出B點(diǎn)和A點(diǎn)的輸出阻抗在同一個(gè)數(shù)量級(jí)上,，兩個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)相距較近,，為了提高電路的穩(wěn)定性，通常使用密勒補(bǔ)償電容C1,，C2,，把這兩個(gè)極點(diǎn)分開，得到較好的相位裕度,。
    由補(bǔ)償前后對(duì)比可知,，密勒補(bǔ)償電容使兩級(jí)間的主極點(diǎn)向原點(diǎn)移動(dòng),，使輸出極點(diǎn)向離開原點(diǎn)方向移動(dòng),。在兩級(jí)運(yùn)算放大器電路中引入合適的補(bǔ)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(píng)估所設(shè)計(jì)電路的性能，對(duì)不同工作電壓(2．7～5 V)下的誤差放大器進(jìn)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,。

    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(shí)，誤差放大器的PSRR仿真結(jié)果,。
    從圖5中可以看出,，在2．7 V時(shí)PSRR約為93 dB，在5 V時(shí)PSRR約為106 dB,。
    圖6是電源電壓為2．7～5 V時(shí),，誤差放大器的CMRR仿真結(jié)果。

    從圖6中可以看出,，在2．7 V時(shí)CMRR約為114 dB,，在5 V時(shí)CMRR約為113 dB。

3 結(jié)論
    本文基于全差分對(duì)稱結(jié)構(gòu),，使用CHRT 0．35μm CMOS MIXED SIGNAL TECHNOLOGY工藝,，設(shè)計(jì)了一款可作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部使用的具有寬工作電壓范圍的CMOS誤差放大器,，新設(shè)計(jì)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(shí)具有較高的PSRR,，CMRR。