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基于白光LED驱动电路中误差放大器的设计 李文娟 （曲阜远东职业技术学院，山东曲阜273115） 摘要：从电路的稳定性和可靠性出发，设计一款用于白光LED驱动电路中的误差放大器。结合DC/DC升压式变换器的工作原理，在无锡上华（CSMC）的标准0.5m两层多晶硅、三层金属CMOS工艺下，采用比较简单的两级运放电路。通过Spectre软件进行仿真验证，在2.5V的电源电压下，得到开环增益为54.87dB，共模抑制比为70.98dB，电源电压抑制比为63.15dB。该设计与传统的设计方法相比，减小了芯片的面积，同时基本达到设计指标。 关键词：led驱动电路；误差放大电路；两级运放；仿真验证 ：TN72?34：A：1004?373X（xx）18?0155?03 0引言 随着手机智能化的迅速发展，白光LED作为手机背光源，其驱动电路的设计就显得尤为重要。误差放大器是驱动LED电路中一个重要的模块，其性能的好坏直接影响着驱动电路输出的稳定性和精度。误差放大器就是将反馈电压与基准电压的差值放大，输出误差放大值到PWM比较器的输入值。 目前，主要常用的运算放大器包括套筒式共源?共栅运放、折叠式共源?共栅运放和简单的两级运放，前两者运放电路复杂，电路稳定性差，输出电阻大，导致电路驱动能力和速度的下降1。误差放大器用于检测LED电流的反馈电压，由于输出端纹波电压的存在，误差放大器增益不需太高，一般取5080dB即可。再者，本误差放大器的电源电压为2.5V，若采用共源共栅放大器，将存在过驱动电压不足，晶体管无法工作在饱和区的问题。因此需要对其误差放大器进行重新设计验证。 1基本性能参数 误差放大器主要的性能参数有7点： （1）增益Av。运放的开环增益Av直接影响反馈系统的精度，进而影响电路的输出精度。在理想情况下，运放具有无限大的差模电压增益、无限大的输入阻抗和零输出阻抗，但是在实际中，由于受各种参数的影响，开环增益大于等于60dB就能满足需求2。 （2）单位增益带宽GB。单位增益带宽GB是运放开环增益为1时的频率。计算公式为： 一个闭环系统-3dB带宽等于该闭环系统的运放的单位增益带宽，必须满足以下两个条件：反馈网络中不含频率分量；单位增益带宽频率内只有1个极点3。 （3）相位裕值PM。相位裕度主要是衡量负反馈系统稳定性的一个重要指标。它是指运算放大器增益幅度为1时的相位，与-180相位的差值。经研究发现，相位裕度至少要45，最好是60。 （4）建立时间。建立时间（SettlingTime）表示从跳变开始到输出稳定的时间，主要反映运放的反应速度。增大单位增益带宽，可以缩小建立时间。由上文可知，增大单位增益带宽就等于增大了负反馈系统的-3dB带宽，可以根据芯片建立时间的要求，设计芯片的单位增益宽度4。 （5）转换速率SR。转换速率定义为最大输出电压变化的速率，转速的计算公式为： 由式（2）可以看出，其性能取决于运放的尾电流Iss和负载电容C的值。如果要求误差放大器的转换速率大，其尾电流必将变大。 （6）共模抑制比。共模抑制（CMRR）比表示误差放大器抑制共模信号放大差分信号的能力，其定义为放大电路差模信号的电压增益Avd与共模信号的电压增益Avc之比的绝对值，计算公式为： 由式（3）可见，差模信号的电压增益Avd越大，共模信号的电压增益Avc越小，则共模抑制比CMRR越大，放大电路的性能越好。在理想情况下，共模抑制比CMRR为无穷大。 （7）电源抑制比。实际使用中，电源经常有噪声存在，电源抑制比（PSRR）正是表征抵制电源噪声的能力，定义为运放输入到输出的增益与电源到输出的增益之比，其计算公式为： 式中Vdd=0和Vin=0分别指的是电源电压和输入电压的交流小信号为零。 2误差放大器的设计 2.1设计目标及参数 根据设计目标，可以大概确定MOS的宽长比和补偿电容C1的大小： （1）要满足相位裕度60，米勒补偿电容C1取值应满足：C10.22CL，CL为负载电容值，取C1=2pF； （2）此误差放大器由两级运放组成，第1级运放尾电流IM2为：IM2=SRC1；第2级运放尾电流IM5为：IM5=SR?CL； （3）计算M3管和M4管的宽长比，gM4=GB?C1，WL=g2M4(2K4ID1)，MOS管M3和M4宽长比相等； （4）确定M1管和N1管的宽长比，以确定电流偏置电路所能给两级运放提供的偏置电压； （5）由输入共模范围最小值CCMR=-1.5V，计算出N2管和N3管的宽长比5； （6）一般情况下为得到合理的相位裕度，gN4/CL2.2GB，近似可以得到MOS管N4的宽长比； （7）检查电路功耗： 2.2设计方案 本文设计的误差放大器由两级运放组成6：第1级运放由M3，M4，N2，N3组成单端差分放大电路，其中M3，M4组成差分输入对，N2，N3组成NMOS电流镜；第2级运放由M5，N4组成的共源放大电路。M1和N1构成电流偏置电路，通过M2和M5为运放提供偏置，如图1所示。 电路中米勒补偿电容C1的作用是用来改善运放的频率响应和相位裕度特性7。 3仿真验证 （1）增益和相位。图2是电源电压为2.5V时，误差放大器增益和相位仿真结果，从仿真结果波形可以看出，开环增益在频率小于10kHz时为54.87dB，在10kHz以后，运放增益随着频率的增大而下降。单位增益带宽为8.684MHz，相位裕度为60，满足设计要求8。 （2）共模抑制比。图3是误差放大器在-25100范围的共模抑制比仿真结果，从仿真结果中可以看出，温度在-25时，共模抑制比最小，但同时在低频时仍可以达到64.77dB。在常温下，误差放大器的共模抑制比为70.98dB，满足设计要求。 （3）电源抑制比。图4是误差放大器在-25100范围的电源抑制比仿真结果，从图中可以看出，在此温度范围内，低频电源电压抑制比最小为62.83dB，但电源抑制比也大于60dB，满足设计要求。 （4）建立时间。图5是在-25100温度范围内对阶跃小信号的响应曲线，借助Calculator中settlinTime函数计算建立时间，将1ns时的输出电压作为初始值，190ns时的输出电压作为结束值，容差范围为2%，可得建立时间9为0.278s。 （5）转换速率。图6是常温下输出电压的时域响应曲线，借助Calculator中slewRate函数计算转换速率，可得误差放大器的转换速率为0.793V/s。 4结论 本文通过比较套筒式共源?共栅运放、折叠式共源?共栅运放和简单的两级运放的优缺点，选择结构较为简单的两级运放作为本芯片的误差放大器作为白光LED驱动电路误差放大器。本文根据设计参数要求，设计出一种误差放大电路，通过Spectre软件进行仿真，验证了设计电路的合理性，为成品的白光LED驱动电路中误差放大器的设计提供了一种新的参考10。 参考文献 1华成英，童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，xx. 2齐盛.PWM串联型白光LED驱动芯片的研究D.杭州：杭州电子科技大学，xx. 3王帆，孙义和，胡俊材，等.一种DC?DC升压转换器中的误差放大器的设计J.微电子学与计算机，xx（4）：76?79. 4王松林，洪益文，来新泉，等.一种新颖的具有带隙结构的误差放大器设计J.电子器件，xx（3）：838?842. 5张承，唐宁，邓玉清.一种基于PWM的CMOS误差放大器的设计J.电子设计工程，xx（3）：38?41. 6张宇，赵智超，吴铁峰.一种用于PWM控制器的误差放大器设计J.数字技术与应用，xx（6）：38?42. 7ADRIANABG.Alow?supply?voltageCMOSsub?bandgapreferenceJ.IEEETransactionsonCircuits&SystemsII?Ex?pressBriefs，xx，55（7）：609?613. 8赵少敏，韩雨衡，张国俊，等.一种基于降压DC?DC转换器的高性能误差放大器设计J.电子元件与材料，xx（1）：1001?1004. 9LEECS，KOHH，KIMKS.Integratedcurrent?modeDC?DCboostconverterwithhigh?performancecontrolcircuitJ.Ana?logIntegratedCircuits&SignalProcessing，xx，80（1）：105