0 引言

　　現(xiàn)代便攜式數(shù)碼設(shè)備離不開顯示器，而作為顯示器背光源的白光earch/?q=ea" title="ea">earch/?q=LED" title="LED">LED(發(fā)光二極管)在很多方面(比如使用壽命,，能耗)都有著優(yōu)于傳統(tǒng)CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps,，冷陰極熒光燈)數(shù)倍甚至數(shù)十倍的性能，所以,，由它作為顯示器背光已成為一種趨勢,。

　　由于白光LED的亮度受其驅(qū)動電流影響較大，因此設(shè)計(jì)穩(wěn)定電流的驅(qū)動器" title="驅(qū)動器">驅(qū)動器一直是一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn),，其中的一種方法是采用串聯(lián)式的連接LED方式,，這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要電感,，因此會產(chǎn)生EMI,，且占用芯片面積大，成本高,；另一種方式是采用電荷泵提供并聯(lián)的幾路恒定電流,，這種方式無需電感，所以不會出現(xiàn)第一種方式的EMI等問題。本文所述的EA就是用于此種電荷泵的LED驅(qū)動器,，它可保證充電電流恒定以實(shí)現(xiàn)低噪聲工作,。

　　EA作為一種基本的集成電路" title="電路">電路(IC)模擬電路單元，以其高精準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn),、低噪聲,、高的電源噪聲抑制比(PSRR)和高的共模抑制比(CMRR)。而被廣泛用在了模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC,、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC,、LDO驅(qū)動器、及射頻電路中,。文中設(shè)計(jì)了一款用于電荷泵的新型EA,，與以前出現(xiàn)的EA相比，該EA的特點(diǎn)如下：

　　1)誤差放大器的輸入級電源由電荷泵的穩(wěn)定輸出偏置,，而非不斷下降的,，從而保證了供電的穩(wěn)定性；

　　2)引入動態(tài)補(bǔ)償電路,，以保證頻率特性,，同時(shí)降低了成本，傳統(tǒng)的方法是用外接電容和其等效串連電阻進(jìn)行頻率補(bǔ)償,；

　　3)電容中的彌勒電容不但補(bǔ)償了頻率,，還進(jìn)一步改善了電路的PSRR性能；

　　4)一些附加電路,，如：啟動電路,、負(fù)載電流采樣、過流保護(hù)等可進(jìn)一步提高整個(gè)電路的精度,。

1 電路設(shè)計(jì)

　　該改進(jìn)型誤差放大器的電路以及一些附加電路和反饋電路如圖1所示,，為了方便分析，圖中把各個(gè)功能模塊用虛線劃開,。

　　1.1 誤差放大器

　　此電路的核心是一個(gè)高增益大PSRR的跨導(dǎo)運(yùn)算放大器(OTA),，其它包含一級放大器Gml，二級放大器Gin2,，和一個(gè)頻率補(bǔ)償電路,。其中Gml是差分輸入的基本對稱OTA，它將從正端和負(fù)端分別反饋回來的基準(zhǔn)電壓和VOUT分壓信號放大,。偏置電流模塊由M7,、M8、M11,、M12,、M13,、M14、M15以及R3組成,。偏置電流I₀是I₃的兩倍,，由基準(zhǔn)電壓V_ref、NMOS管M15的閾值電壓和R3來設(shè)定,。而M7和M8的源端都接到電荷泵的輸出VOUT,，因此可以通過設(shè)定M7、M8使誤差放大器在VOUT達(dá)到某個(gè)值(如3.6 V)時(shí)才工作,。同時(shí)這一部分還會產(chǎn)生一個(gè)SN信號來啟動過流保護(hù)單元,，并提供偏置,。Gm1的輸出級是一個(gè)電流放大結(jié)構(gòu),，由M3、M6,、M9和M10構(gòu)成,，放大比例為3：1，即：  (W／L)6：(W／L) 5=(W／L)4：(W／L)3=3：1,，其中W和L分別是晶體管的寬和長,。這個(gè)比例是在折衷考慮增益帶寬、相位余量和輸出噪聲后得到的,。

　　第二級放大電路的增益Gm2主要用來增加電路的開環(huán)增益,，并減小誤差放大器的輸出阻抗，從而增大帶寬,。它是一個(gè)反相放大器,，由M20和M21組成，兩個(gè)管子都有較大的寬長比,。頻率補(bǔ)償電路中M16和M20的寬長比決定了電路的低頻開環(huán)增益,。

　　為了改善電路的頻率特性，本設(shè)計(jì)中運(yùn)用了兩種補(bǔ)償電路,。一個(gè)是動態(tài)頻率補(bǔ)償電路,，如圖1中的由開關(guān)電阻和MOS管寄生電容組成的RC網(wǎng)絡(luò)，它可以通過去采樣負(fù)載電流來改變MOS管的工作點(diǎn),，即：通過改變開關(guān)電阻和MOS管寄生電容的值來實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償,。由于其零極點(diǎn)頻率會隨負(fù)載電流的增加(減小)而增加(減小)，因此,，電荷泵單位增益頻率(UGF)在負(fù)載變化時(shí)基本保持不變,，這就保證了電荷泵在全負(fù)載范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定工作。圖1中的動態(tài)頻率補(bǔ)償電路包括M16,、M17,、M18,、M19和C2，其中,，M16,、M18和C2不僅僅是放大器Gml的負(fù)載，同時(shí)還有頻率補(bǔ)償?shù)墓δ?。這里將M18的柵面積設(shè)計(jì)得很大,，用以產(chǎn)生一個(gè)大的寄生電容。電流采樣電路中的M31和M19組成一個(gè)鏡像電流源,，設(shè)計(jì)它們的W／L比為1：5,。通過晶體管工作基本原理可知，M18的柵壓VGM18為：
 

　　從上式可以清楚的看到VGM18和I_S的關(guān)系(采樣電流,，這里I_S≈I_GM／3000),，即：VGM18隨著I_GM變化。也就是說RC動態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)將會隨著I_GM的變化而變化,。

　　電路中的另外一個(gè)頻率補(bǔ)償用到了第一和第二級放大器之間的電容C1,，反饋從輸出引入，這種方法同時(shí)增大了電路的PSRR,。

　　1.2 其它功能模塊

　　另外,，在設(shè)計(jì)本電路時(shí)，還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一些其它的功能模塊,，包括：啟動電路,、電流采樣、過流保護(hù)等電路,。

　　不同于傳統(tǒng)方法,，本設(shè)計(jì)將Gml差分輸入的電源偏置連接在電荷泵的輸出電壓V_OUT上，而不是V_IN,，這就使得此偏置電壓非常穩(wěn)定,，其原因在于V_OUT的紋波很小，而且噪聲極低,。

　　然而,，這種設(shè)計(jì)也會產(chǎn)生一個(gè)問題，即：V_OUT在系統(tǒng)上電之初為零,，而此時(shí)EA又不工作,，使得整個(gè)電路無法工作，所以,，需要增加一個(gè)啟動單元,，以使系統(tǒng)在剛上電時(shí)就可使電荷泵工作，從而使V_OUT上升,，當(dāng)V_OUT增大到閾值時(shí),，EA開始工作,。當(dāng)電路啟動起來以后，電荷泵驅(qū)動電壓則由EA輸出控制M22,、R4和M24使能開啟電路,，而M23、M25,、M26和R5將其關(guān)斷,。

　　系統(tǒng)中的電流采樣電路采取一個(gè)與IGM成正比的小電流IS，此電路由M27,、M28,、M29和M30組成。應(yīng)將M27的柵極和電荷泵中電流鏡的柵極相連接,，可將采樣比例設(shè)定為1：3000,。其采樣原理如下：

        由于基準(zhǔn)電路提供的是一個(gè)非常小的偏置電流(大概1μA)，那么M28的柵源電壓VGS也就很小,，差不多就是其閾值電壓,。而M29的寬長比W／L被設(shè)計(jì)得很大，那么采樣電流IS就很小,，則M29的柵源電壓VGS也很小，因此,，M27和電荷泵中開關(guān)管的VDRAIN差不多大小,。其過流保護(hù)電路包含M32、M33和M34,。這里,，M34和電流采樣電路的M31相互鏡像。它是通過采樣電流IS來控制電荷泵中開關(guān)管的柵極電壓,，因此限制了最大值,。在正常范圍內(nèi)，IS很小,，M32和M34一起驅(qū)動,，M33的VGATE為高，過流保護(hù)單元不工作,。當(dāng)IGM增加時(shí),，M34的VDRAIN(或者M(jìn)33的VGATE)將慢慢減小。當(dāng)增大到某個(gè)值時(shí),，M33完全導(dǎo)通,，反饋回路將VDRIVER限制在某個(gè)值，從而限制IGM,，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能,。M32,、M33和M34的尺寸在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意匹配。限流工作時(shí),，電路形成一個(gè)反饋回路,，C3作為彌勒補(bǔ)償以使限定電流穩(wěn)定。

         2 仿真結(jié)果
為了評估所設(shè)計(jì)電路的性能,，本系統(tǒng)利用Hynix 0.5μm CMOS工藝進(jìn)行仿真,。圖2給出了HSPICE仿真在不同電源電壓下頻率與增益的比較結(jié)果，仿真結(jié)果表明在很寬的頻率范圍內(nèi)．增益超過60 dB,。