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VFBVREF,，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。

    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,。

    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,。