（电路与系统专业论文）白光led驱动电路中电流调节电路设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文摘要 摘要 随着使用白光l e d 作为背光光源的手持彩屏产品的发展，对白光l e d 驱动电 路的需求也越来越大。一般要求白色l e d 背光电源满足背光的亮度要求，该亮 度均匀而且可以方便地调节。白光l e d 的亮度是与其电流成正比的。本文设计了 一种电流调节电路，通过调节流经l e d 的电流大小来调节其亮度。 电流调节电路有两个工作模式摄像模式和闪光模式，用户可以通过选择 两个外接电阻的阻值来分别设定两个模式下的电流。在摄像模式下，流经l e d 的 电流是用户设定电流的1 0 0 倍，而且在摄像期间要l e d 中的电流保持恒定：在闪 光模式下，瞬间流过l e d 的电流很大，是用户设定电流的1 0 0 0 倍。 论文将电流调节电路分为两部分电路：电压控制电路与电流控制电路。电压 控制电路的作用是将电池电压升高至所需电压，给白色l e d 提供足够的压降， 且在摄像模式下稳定l e d 中的电流。电流控制电路分为三个子电路一用户可 调电流源电路，1 x 或1 0 x 电流放大电路以及1 0 0 x 电流放大电路。其中用户可调 电流源将用户选择的电阻值转换为相应的用户设定电流。1 x 或1 0 x 电流放大电 路的功能是：将用户设定电流精确复制( 摄像模式下) 或放大1 0 倍( 闪光模式 下) 。而1 0 0 x 电流放大电路则将l e d 中的电流调至1 x 或1 0 x 电流放大电路输出 电流的1 0 0 倍。 为了完成并完善l x 或1 0 x 电流放大电路的设计，论文还提出了一种低压射 极跟随器增广电流镜结构，该结构不仅倍乘精度较好，而且适用于低压环境。 通过模拟电路仿真软件h s p i c e 对各个组成单元、各个功能模块以及总体电路 的性能进行了模拟仿真。仿真结果显示电流调节电路所有组成单元的性能均优 良。典型工作条件下电流调节电路的电流调节最大误差在摄像模式下为0 7 ，在 闪光模式下为1 ，符合设计要求。 关键词：白光l e d 驱动电路，d c d c 升压转换电路，电流调节电路，运算放大 器，电流镜 两北- r 业大学硕士学位论文a b s 认c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fh a n d h e l dd e v i c e sw h i e l lh a v es e v e r a lw h i t el e d sa s t h e i rb a c k l i 曲t s ，t h ew h i t el e db o o s tc o n v e r t e ri si nl a r g e l yd e m a n d t h cb a c k l i g h t s a r er e q u i r c dt ob ca sb r i g h ta sn e e da n dt h ed e g r e eo ft h eb r i g h t n e s ss h o u l db e e x p e d i e n t l ya d i u s t a b l e n ed e g r e eo fb r i g h t n e s so ft h el e di sd i r e c tr a t i oo fi 协 c u r r e n t t h ec u r r e n tr e g u l a t o rd e s i g n e di n 也i sd i s s e r t a t i o nc a i lr e g u l a t et h ed e g r e eo f b r i g h t n e s so ft h ew h i t el e d b vr e g u l a t i n gt h ec u r r e n to fl e d t h ec u r r e n tr e g u l a t o rc a nw o r ki nt w om o d e sw h i c ha r em o v i em o d ea n ds t r o b e m o d e u s e tc a ns e tn e e d e dc u r r e n tb yc h a n g i n gt h ev a l u eo fo u t s i d er e s i s t o r si ne a c h m o d e i nm o v i em o d e t h el e dc u r r e n ti sr e g u l a t e da t1 0 0t i m e st h ec u r r e n t u s e r - s e l e c t e d ，a n dm a i n t a i n sc o n s t a n t ；i ns t r o b em o d e ，t h em o m e n t a r yl e dc u r r e n ti s e q u a l t o1 0 0 0t i m e st h ec u r r e n tu s e r - s e l e c t e d t h ec u r r e n tr e g u l a t o ri sd i v i d e di n t ot w op a n st h a ta r ev o l t a g ec o n t r o lc i r c u i ta n d c u r r e n tc o n t r o lc i r c u i t t h ev o l t a g ec o n t r o lc i r c u i tb o o s t st h ei n p u tv o l t a g et on e e d e d l e v e lt os u p p l yt h el e dc u r r e n ta n di e v e lo f ft h eu e dc u r r e n ti nm o v i em o d e t h e c u r r e n tc i r c u i ti sc o m p o s e do ft h ms u b c i r c u i i s ：t h eu s e r - s e l e c t a b l ec u r r e n ts o u r c e , i x o rl o xc u r r e n ta m p l i f yc i r c u i ta n dt h e1 0 0 t i m e sc u r r e n ta m p l i f ，c i r c u i t t h e u s e r - s e l e c t a b l ec u r r e n ts o u r c ec u n v c r t st h ev a l u eo ft h er e s i s t o rs e tb yu s e rt o c u r r e s p o n d i n gc u r r e n t 1 xo r1 0 xc u r r e n ta n l p l i f yc i r c u i tc o p i e st h eu s e r - s e l e c t e d c u r r e n ti nm o v i em o d ea n da m p l i f i e si ti n t o1 0t i m e si ns t r o b em o d e t h e1 0 0 xc u r r e n t a m p l i f yc i r c u i tr e g u l a t et h el e dc u r r e n ta t1 0 0t i m e st h ec u r r e n to u t p u tb v1 xo rl o x c u r r e n ta m p l i f yc i r c u i t t od e s i g nt h el xo r1 0 xc u r r e n ta m p l i f yc i r c u i t al o wv o l t a g e e m i t t e rf o l l o w e ra u g m e n t e dc u r r e n tm i r r o r , w h i c hh a sp r e c i s i o na m p l i f i c a t o r y , i s b r o u g h tf o r w a r d e v c r yc o m p o s i n gc e l l ，m o d u l ec i r c u i ta n dt h ee n t i r ec i r c u i td e s i g n e di nt h i s d i s s e r t a t i o na r es i m u l a t e db vh s p i c e i h cs i m u l a t i o nr e p o r t ss h o wt h a tt h e ya g ea l l g o o di np e r f o r m a n c e u n d e rt y p i c a lw o r kc o n d i t i o n , t h em a x i m u me r r o ro ft h ec u r r e n t a d j u s t i n go ft h ec u r r e n tr e g u l a t o ri s0 7 i nm o v i em o d e ，a n d1 i ns t r o b em o d e k e yw o r d s ：t h ew h i t el e db o o s tc o n v e r t e r , d c d cb o o s tc o n v e r t e r , c u r r e n t r e g u l a t o r , o p e r a t i o na m p l i f i e r ，c u r r e n tn t i r r o r 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律 注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：选施芳 2 口口7 年 月2 ；日 指导教师签名 妒；年；月舶 西北工业大学 学位论文原刨性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所是交的学位论文，是本人在导师的指 导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果。不包含本人或其他已申请学位或其他用 途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：馥物老 加0 7 年月2 5 日 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在过去几年中，小型彩屏的在手持设备中的应用越来越广泛。把彩屏集成进 入小型便携式设备的挑战之一是需要白光作为背光。对于如手提电脑中所用的大 型显示屏。通常使用的是冷阴极荧光灯( c a l l ) ，但因其在尺寸方面的限制和设计 的复杂性，很难有更小型的应用而白色l e d 具有优异的发光效率，加之它体积 小、耐震动、响应速度快、方向性好、寿命长、可低压驱动、光色接近白炽灯色、 无汞和铅的污染，因此成为替代白炽灯和荧光灯的节能光源，也成为小型显示屏 背光显示的首选解决方案。将白色d 与光导相配合，可提供均匀的白色背光。 白色u d 背光电源一般由数个白色l e d 组成，手机的小型显示屏可能需要3 个或者4 个白色l e d ，而p d a 的较大型显示屏可以使用6 到8 个白色l e d 。一个白 色u m 的正向压降v f 一般为3 4 v ，比般的有色l e d 要高，而手持式电子产品 的电池电压一般低于3 6 v ，因此，一般不能直接用单节锂离子电池来驱动白光 l e d ，而需要对来自电池的电压进行升压，从而为白色l e d 提供更高的电压。 一般情况下，对背光源的要求是；要满足背光的亮度要求，亮度均匀( 不允 许有某一部分较亮、另一部分较暗的情况) ，而且可以方便地调节，占空间要小、 效率高以及价格便宜【l l 。因为白光l e d 的亮度与通过它的电流成正比，这样，为 了达到背光要求，流过各个白色l e d 的电流需一致，而且可以调节通用的升压 电荷泵电源或电感型d o d o 变换器虽然都能从2 7 v 升压到5 v 以上的稳定电 压，可以给白光l e d 提供足够的正向压降。然而，为了避免驱动电流超出最大额 定值而影响其可靠性，以及获得预期的亮度要求，并保证各个l e d 亮度、色度的 致性，用白色l e d 为显示器或其他照明设备作背光光源时还需要对其进行恒流 驱动闭因而近年来各大半导体器件厂商都开发了专门驱动白色l e d 的驱动器集 成电路，而由于国内在该领域内起步较晚，开发白色l e d 驱动电路有很大的市场 前景。本文所研究的电流调节电路就是调节各自色l e d 中电流，使背光亮度满足 要求的电路 西北工业大学硕十学倚论文第一章绪论 1 2 电流调节电路的方案选择 电流调节电路是白光l e d 驱动电路中最重要的部分之一，该部分电路的性 能直接影响着白光l e d 驱动电路的应用价值。上面已经提到，白色l e d 的正向 压降有时比锂电池的电压高，这时需要升压电路将电池电压升高，为白色l e d 提供足够的正向压降。传统的电流调节电路利用升压电路得到一个固定的偏置电 压，通过串联镇流电阻为l e d 提供偏置电流。传统电流调节电路的原理图如图 1 1 所示。电荷泵升压转换电路将输入电压升高到要求值( 最大输出电压为输入 电压的2 倍) ，串联电阻将固定的输出电压转化为电流。l e d 亮度取决于电压 源的精度、电阻的精度以及l e d 的电压电流特性。然而，白色l e d 的正向导通 电压变化范围较宽( 典型值为3 o v 4 o v ) ，如果只是用一个固定的正向电压驱 动白色l e d ，容易使各个l e d 电流不等而造成亮度不均匀l 。因此采用传统电 流调节电路来调节白色l e d 中电流的方案可靠性较差，容易导致亮度偏差1 2 。虽 然可以调节镇流电阻来调节亮度，但很麻烦，而且由于电阻器的损耗，调节环路 的工作效率较低。 图1 1 传统的电流调节电路原理图 觥阳良 ! u婶 转换电路i 工 j i ：_；i ： _ j一 图1 2 利用l d o 改善性能的电流调节电路原理图 为了改善传统方案中由于采用恒压控制而造成的亮度偏差，可以利用低压差 线性稳压器( l d o ) 自动调节偏置电压提高l e d 发光均匀性1 3 】。其原理图如图 1 2 所示。采用这种方案时，无需选择阻值不同的镇流电阻，电路中的l d o 工作 在稳压稳流模式下，根据一个l e d 正向电压的变化自动调节偏置电压然而这 种方案下，由于镇流电阻的损耗使得电路的工作效率偏低，而且各l e d 的电流 2 两北l 业大学硕十学付论文第章绪论 匹配性仍不够好。 图1 3 所示的包含多路电流源的电流调节电路结构可分别调节各l e d 的电 流，无需镇流电阻，电流调节精度和匹配度取决于每个独立的电流调节器1 2 , 4 1 。 这种方案的性能较高，很具有竞争力。其主要优点在于其可以使用低压工艺，减 少外围器件的占用空间，但缺点是每个二极管需要独立的电流源管脚，增加了封 装的管脚数量和相应的p c b 焊盘。此外，在设计集成电路时也需要小心实现每 个电流源的紧密匹配1 5 j 。而且，这个方法的总体系统效率较低，仅在4 7 8 0 之 间( 取决于锂电池的电压1 。 以上三种方案都是基于电容电荷泵原理的。相比之下，基于电感的解决方案 可以在相同的工作电压范围内轻易实现7 5 8 5 的效率。图1 4 为基于电感的电 流调节电路方案的原理图。该方案下，白色l e d 采用串联连接形式，电流精度取 决于调节器反馈门限的精度，不受l e d 正向导通电压的影响i z j 因此可以更有效 的保证其中电流的一致性，当采用高质量、同一批号的l e d 时，其发光是较均匀 的。由于白色l e d 的串联( 它们的额定v 何以很容易达到1 5 2 0 v ) ，该方案需 要一个高压升压变换器，可以采用基于电感的d c d c 升压转换器来实现。该方案 的主要缺点是外围电感的占用空间较大。 基于对上述四种方案的优缺点分析，由于基于电感的解决方案有着高效率以 及亮度均匀等优点，本次设计将采用基于电感的方案来实现。 图1 3 包含多路电流源的电流调节电路原理图 圈1 4 基于电感的电流调节电路原理图 3 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文的研究内容 为了实现对白色l e d 的恒流驱动，而且亮度可调，本文研究的电流调节电 路的主要功能是根据用户选择的电流标准来调节流经外部l e d 的电流以控制 l e d 的亮度。而电流标准是用户通过改变外接电阻的阻值来选择的，这样，白色 l e d 的亮度就可以方便地调节。电流调节电路有两个工作模式：摄像模式和闪光 模式。在摄像模式下，流经l e d 的电流被调至用户设定电流的1 0 0 倍，而且该 电流很稳定。在闪光模式下，电流瞬间流过白光l e d ，流经l e d 的电流被调至 用户设定电流的1 0 0 0 倍。 电流调节电路的功能框图如图1 5 所示。电流调节电路可以分为两个大部分： 电压控制电路和电流控制电路。电压控制电路的功能是：在闪光模式下，将输出 端0 u t 的电压升至2 4 v ，并且保证o u t 端电压不高于2 4 v ，为闪光模式下l e d 提供足够的压降；在摄像模式下，电压控制电路的工作是把l e d 反馈输入端控 制在0 6 v ，以恒定这个模式下l e d 中的电流，从而获得背光的亮度和色度一致。 电压控制电路主要由一个电感型d c d c 升压转换器、一个1 m h z 振荡器、一个 电压基准以及两个比较器构成。 l 图1 5 电流调节电路功能框图 电流控制电路要实现的功能是：在闪光模式下，调节流经l e d 的电流为用 户设定电流的1 0 0 0 倍；在摄像模式下，调节流经l e d 的电流为用户设定电流的 1 0 0 倍。其主要由用户控制电流源电路、一个1 x 或1 0 x 电流放大电路，以及一 4 两北工业大学硕+ 学位论文第一章绪论 个l o o x 电流放大电路组成。 1 4 本文的结构 第一章分析了横向课题( 自光l e d 驱动电路的设计) 的研究背景及应用 价值，并研究了电流调节电路的设计目标以及功能结构。 第二章研究了电压控制电路的设计原理以及设计结果。 第三章研究了用户可调电流源的设计原理及目标，对其组成单元( 运算放 大器以及模式选择电路) 进行具体研究及分析；设计了用户可调电流源电路。 第四章研究了1 x 或l o x 电流放大电路的设计原理及目标，对其基本组成 单元( 电流镜) 进行分析；设计了1 x 或l o x 电流放大电路。 第五章研究了l o o x 电流放大电路的设计原理、目标；设计了l o o x 电流放 大电路。 第六章对所设计电路的h s p i c e 仿真结果进行分析。 5 西北工业大学硕士学位论文第一二章电压控制电路 第二章电压控制电路 电压控制电路是电流调节电路的两大组成部分之一，其主要功能是将电池电 压升高至所需电压，具体为：在摄像模式下将l e d 端电压圪。保持在0 6 v ；在 闪光模式下将输出电压，控制在2 4 v 。该电路主要由电感式d c d c 升压转换 电路、p s m ( 跨周期调制) 电路、摄像模式比较器以及过压保护比较器构成。本 章将首先讨论电感式d c d c 升压转换电路的工作原理，接着研究p s m 电路的工 作原理，最后设计电压控制电路。 2 1 电感式d c d c 升压转换电路旧 前面已经讨论过，为了保证各个白光l e d 的亮度一致性，本次设计中白光 l e d 是串联连接的，因此使用的驱动电路采用的是电感式d c d c 升压转换电路。 下面讨论电感式d c d c 升压转换电路的工作原理。 图2 1 为电感式升压转换电路的工作原理图。图中，m o s 管q 1 为开关管， d 1 为肖特纳基二极管，l 为电感。该转换电路有两种工作状态，一种为导通状 态，另一种为截止状态。导通状态下，驱动电路控制q 1 导通，这时二极管d 1 反偏截止；截止状态下，驱动电路控制q 1 截止，d 1 导通。这两种状态下对应的 等效电路图如图2 2 所示。 当升压转换电路工作在导通状态时，电源v 1 、电感l 和q 1 等效电阻r d s 。州， 构成一个回路。电感l 上的压降为输入电源电压v 1 减去o l 等效电阻r d st 0 n ， 以及电感l 的直流电阻r l 上的压降之和，即 k k 一k + ，工。吃)公式( 2 1 ) 故导通状态下电感中的电流增量为： a ，。( + ) 。兰_ 坠箬蔓三! 坠x z o 公式( 2 2 ) l 在这个状态下，由于二极管截止，因此所有输出负载中的电流均由充电电容c 提 供。 当升压转换器工作在截止状态时，q 1 截止，d 1 导通。由于电感中电流不能 突变，原本流经q 1 的电流转而流向d 1 。由于在导通状态下，d 1 是反向偏置的， 呈现的阻值很大。所以刚切换到截止状态时，电感中电流会减小，因此电感两端 6 西北工业大学硕十学位论文第二章电乐控制电路 的电压反向，直到d 1 正向偏置并导通。 圪一( + 虼l + 1 x r l ) 一y 1 故截止状态下电感中电流的增量 此时电感上压降屹的表达式如下： 公式( 2 3 ) 姒- ) 一盟堂掣x k 网 i l 一 网均 i 一 图2 1 电感式升压转换原理图 图2 2 电感式升压转换器的两种工作状态 公式( 2 4 ) 稳态情况下，在导通状态下电感电流的增量也( + ) 与截止状态下电感电流的 增量她( - ) 相等。也即等式( 2 2 ) 与( 2 4 ) 相等，求解出v o = 7 西北工业大学硕十学位论文第一二章电压控制电路 r o 一( 1 1 1 一i l 兄) ( 1 + ；q 一，一( 軎坠) 公式( 2 5 ) 1 0 f f 1 0 f f 若假设+ 吗d 1 ，贝l j l - d i 上式可化为： 一掣叱一( 尚 公郁6 ) 一般情况下，r l 、r d s 。洲) 以及v d l 很小，可以忽略不计，因此，v o 可以简化为： 一而v 1 公式( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以看出，调节开关管q 1 的导通时间就可以调节输出电压。 2 2 p s m 电路 p s m ( 跨周调制电路) 、p w m ( 脉宽调制) 和p f m ( 跳频调制) 为电感式的d c d c 变换器的三种基本调制方式。本次课题研究中，采用的是p s m 电路，因为在轻负 载情况下，其效率较p w m 调制模式高，且具有响应速度快、抗干扰能力强、e m c 好等优点啊。 p s m 电路通过控制电感式升压转换电路中的开关管q 1 的导通时间来控制输 出电压的幅度。在p s m 调制方式下，作用在功率管q 1 上的脉冲控制信号的占空比 为恒定值。根据不同输出电压的要求，开关功率管的p s m 控制信号可能会跨过一 些时钟周期不工作。其工作原理是：将输出电压v o u r 采样，并与v r 耐参考电源) 进行比较，若小于v r m 则开关管q 1 的控制信号为一固定占空比的脉冲信号，否 则0 1 将被关断，从而实现对能量传输的控制，将v o u r 输出维持在某一水平嘲。 图2 3 为p s m 电路的工作原理图。图中，o s c 为振荡器，e nd r i v e 为开关 管q l 的驱动电路，可以提高电路带负载的能力，一般由偶数个反向器构成。振荡 器输出一个固定占空比的脉冲信号作为d 触发器的时钟信号。比较器输出电压为 输出电压与参考电源进行比较后的输出信号，该信号经i n v l 反向后接入d 触发 器。若比较器输出电压信号为高电平时，d 触发器在与时钟周期一致时输出低电 平，关断功率管q 1 ，使q 1 在若干个时钟周期内不受o s c 输出信号的控制。直到 电路的输出电压降低至比较器输出电压信号变为低电平时，q 1 才再次受o s c 输出 的固定占空比信号控制，重新开始正常开关动作。 因此在p s m 调制方式下，脉冲控制信号的占空比恒为最大占空比。对于p s m 变换器闭环系统来说，当实际输出电压超过设定输出电压时，开关功率管将会跨 过一定周期不工作，直到实际输出电压小于等于设定输出电压【9 】。 8 西北 = 业大学硕士学位论文 第一章屯斥控制电路 c o m p 暂a t o r - o u i p l l t 2 3 电压控制电路 d 触发嚣 图2 3 简单的p s m 电路 如前文所述，在本次课题研究中，电流调整电路工作在两个模式下。在闪光 模式下，电压控制电路的功能是将输出端o u t 的电压升至2 4 v ：并且保证o u 踹电 压不高于2 4 v ，为闪光模式下l e d 提供足够的压降。在摄像模式下，电压控制电 路的工作是把l e d 反馈输入端控制在0 6 v ，以恒定这个模式下l e d 中的电流，从 而获得背光亮度和色度一致。 因此，该部分电路中需要用到两个比较器：过压保护比较器和摄像模式比较 器。过压保护比较器将o u 砷； ；电压经电阻分压后与一个0 6 v 基准电压相比较。而 摄像模式比较器将l e d 反馈输入端电压与一个0 6 v 基准相比较。摄像模式比较器 仅在摄像模式下工作。由于在摄像模式下，外接白光l e d 中电流相对较小，o u t 端电压不会超过2 4 v ，故在摄像模式下，过压保护比较器一直输出低电平。 图2 4 为电压控制电路的原理框图。图中，v d d 为电源电压，c 2 为充电电容， o u t 为输出反馈端，l e d 为l e d 反馈输入端。在两个比较器的输出均为低电平的 情况下，也即在摄像模式下l e d 端电压低于0 6 v 或者在闪光模式下0 u 磷电压低 于2 4 v 时，d 触发器输出高电平，因此功率管q 1 仅受振荡信号的控制。这时 l ，n n ，一二= =公式( 2 8 ) 1 一d 其中d 为振荡器输出信号的占空比。 在闪光模式下，电压控制电路的工作目标是将输出电压。控制在2 4 v 。该 模式下，摄像模式比较器被置于不工作状态，其输出信号一直为低电平。故d 触 发器的输入信号为过压保护比较器的输出信号与零电平的或非信号。当烈，瑞电 压超过2 4 v 时，经电阻分压后的电压y - 也会超过0 6 v ，因此过压保护比较 9 西北工业大学硕士学位论文第二章电乐控制电路 器将输出高电平，也f i p d 触发器的输入信号为低电平，因此功率管q 1 被关断，跨 过若干个时钟周期不动作，直到0 u r 端电压低于2 4 v ，过压保护比较器输出低电 平，即d 触发器的输入信号为高电平，功率管0 1 才重新受振荡器输出信号的控制。 图2 4 电压控制电路原理框图 在摄像模式下，由于外接白光l e d 中电流较小，o u l 端电压不会超过2 4 v ， 放过压保护比较器一直输出低电平。该模式下，摄像模式比较器正常工作，将l e d 反馈输入端电压k 与0 6 v 基准电压相比较。- 当l e d 端电压高于0 6 v 时，摄像模 式比较器输出高电平，d 触发器的输入信号为低电平，而功率管q 1 被关断，跨过 若干周期不动作。直到l e d 端电压低于0 6 v ，0 1 重新开关动作。 l o 西北工业大学硕士学位论文第二章用户可调电流源的设计 第三章用户可调电流源的设计 电流调节电路分为电压控制电路和电流控制电路两大部分。其中电流控制电 路又可分为三个子电路：用户可调电流源电路，1 x 或1 0 】【电流放大电路和1 0 0 x 电流放大电路。用户可调电流源的作用是：在摄像模式下把s x 端电压设定为 o 6 v ，并输出用户设定的电流，一；在闪光模式下把s g 端电压设定为o 6 v ，并 输出用户设定的电流j 。用户可调电流源主要由运算放大器，模式选择电路 构成。本章首先研究用户可调电流源的工作原理，其次研究运算放大器的设计， 然后讨论模式识别电路的结构，最后设计适合本次课题的用户可调电流源电路。 3 1 用户可调电流源的工作机理 白光l e d 驱动电路中闪光模式和摄像模式下流经外部l e d 的电流是用户可 调的。用户通过调节外接电阻的阻值来实现对白光l e d 中电流的调节。为了在 闪光模式下设置白光l e d 的电流，我们将s g 端电压v s g 固定在0 6 v ，用户只 需在s g 端和g n d 端之间连接一个电阻r s g ，调节r s o 的阻值，即可设定白光 l e d 中的电流。这样用户设定的电流，。为： ，。郧- u 公式( 3 1 ) 。践f 而s g 模式下白光l e d 中的电流将被调整为： j l 娜一1 0 0 0 j 。船 公式( 3 2 ) 为了在摄像模式下设置l e d 电流，我们将s x 端电压v s x 固定在0 6 v 。用 户只需在s x 和g n d 之间连接一个电阻r s x 。这样用户设定的电流，。为： j 。，一u 。 公式( 3 3 ) 4 而s x 模式下白光l e d 中的电流将被调整为： ，皿一l o o x j 。 公式( 3 4 ) 由上述工作要求可以看出，在两个工作模式下用户需要通过分别调节两个外 接电阻的阻值来设定模式电流。因此电路中应该包含一个模式选择电路，在不同 工作模式下，选通相应的信号通路。用户可调电流源的结构简图如图3 1 。 如图3 1 所示，在摄像模式下，模式选择电路将运算放大器o p l 的输出加载 在肛g 的栅极，驱动肼口，与j k ，m 2 ，r 2 一起构成反馈支路。这时，肘、 m 1 截止，也即s g 反馈支路断开。运算放大器的正向输入端输入基准电压0 6 v ， l l 西北r 业大学硕十学位论文第二章用户可调电流源的设计 回路将s x 端也控制在0 6 v ，这时用户可调电流源的输出电流j 。为摄像模式 下的用户设定电流，。 同理，在闪光模式下，模式选择电路将运算放大器o p l 的输出加载在肘。的 栅极，驱动m ，与r 如，m 1 ，r 1 一起构成反馈支路。这时，j i f g 、m 2 截止， 也即s x 反馈支路断开。整个回路将s g 端控制在0 6 v ，这时用户可调电流源的 输出电流，。为闪光模式下的用户设定电流，。 署 可 墨 流 湃 一目 扛 n 脚 l - j j 】l m g g m l 地e 鹳尊量 i ，i i s e | o , _ t j一 m “ 找 一垮 一 6 b 。一 ：，三，。j 图3 1 用户可调电流源电路简化图 由上面对用户可调电流源模块的功能描述可以看出，运算放大器o p l 的作 用是将输出的反馈采样电压与基准电压进行比较放大，输出到调整管的栅极，驱 动调整管，使输出电压保持稳定。 因此o p l 的设计非常关键，它的开环增益直接影响着用户可调电流源的精 度。因此下节将介绍运算放大器的设计。 3 2c m o s 运算放大器的设计 运算放大器是模拟电路设计中用途最广、最重要的部件。大量具有不同复杂 程度的运放被用来实现各种功能：从直流偏置的产生到高速放大或滤波。本节所 讨论的运算放大器的输出电阻非常大，实为无缓冲运算放大器，也可以称之为运 算跨导放大器【1 0 l 。 西北工业大学硕士学位论文第三章用户可调电流漩的设计 算跨导放大器【埘。 目前最流行的放大器工艺技术有c m o s 和互补双极型。c m o s 工艺是当今 在模拟、数字以及模数结合( 即混合信号) 的应用中最为广泛的一种工艺。其主 要技术优势是提供的输入偏置电流很小，很适合应用于高电源阻抗情况下：其主 要缺点在于其要求的最小电源电压和最大电源电压的范围较窄1 1 。双极型电路也 有很多优点，例如双极型电路能够提供非常大的输出电流，在恶劣的环境中有很 高的可靠性【1 2 1 。 3 2 1 运算放大器概述 理想情况下，运算放大器具有无限大的差模电压增益、无限大的输入电阻和 零输出电阻。而实际上，运算放大器的性能只能接近这些值。其电路符号如图 3 2 所示。图中，输出电压。的关系式为： v om a v 以一)公式( 3 5 ) 其中以为运算放大器的开环增益。 理想情况下，运放开环增益以无穷大， 运放的两个输入端电压相等，两输入端的输 入电流均为零，这被称为运放的虚短和虚断 特性。 由于运放为正向增益足够大的放大器， 因此当加负反馈支路时，环路的闭环传输函 数与运放的开环增益以几乎无关。所以运放 一般应用于一个反馈系统之中。运算放大器 构成反馈网络后，其环路增益的表达式为： 吃 4 1 + 触 - -一 o ；_ 神 图3 2 运算放大器的符号 公式( 3 6 ) 式( 3 6 ) 中，若4 无穷大，则环路传输函数爿一，与开环增益彳r 无关。 而实际上运放的开环增益是有限的。因此对运算放大器的主要要求为开环增益足 够大，其大小可以根据闭环电路的精度要求选取。 西北工业大学硕士学位论文第三章用户可调电流源的设计 图3 3 运算放大器的组成 运算放大器一般有三级：输入级，高增益级及输出缓冲级。其组成框图如图 3 3 所示。输入级一般由差动放大电路组成，有时会提供一个差分到单端的转换。 利用它的对称性可以提高整个电路的共模拟制比，可以改善噪声和失调性能。高 增益级的主要作用是提高电压的增益。如果差分输入级没有完成差分至单端的转 换工作，那么这个工作也可以由增益级来完成。输出级一般由源极跟随器或推挽 放大器组成，用于降低输出电阻，维持大的信号摆幅。本节所讨论的无缓冲运放 则不需要加入缓冲输出级。偏置电路主要用于为每只晶体管建立适当的静态工作 点。而补偿电路的作用是在运算放大器在加负反馈时，保持整个电路工作的稳定 性。 3 2 2 运算放大器的性能指标 以前，运放一般被设计成通用模块，企图制造一种“理想运放”，以适应各 种不同的应用要求。这种运放一般具有非常高的增益，非常高的输入和非常低的 输出阻抗。然而，这是以牺牲其它性能( 例如速度、输出摆幅和功耗等) 为代价 的( 1 3 1 。与此相反，今天的运放设计，从开始就认识到各参数间的折衷关系，这种 折衷最终要求在整体设计中进行多方面的综合考虑。 本节我们将具体的介绍目前运放的性能中一些重要的指标参数，主要有开环 增益、单位增益带宽、输出摆幅、建立时间、噪声等。 1 、开环增益 开环增益( 即开环差模电压增益) 是指运算放大电路正常工作，接入规定负 载，无反馈情况下的直流差模增益。运放的开环增益确定了使用运放的反馈精度。 因此运放的开环增益由闭环反馈系统要求的增益误差决定。而高的开环增益对抑 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章用户可调电流源的设计 制非线性是必须的1 1 3 1 。 2 、输入阻抗和输出阻抗 输入阻抗分共模输入阻抗和差模输入阻抗。双极工艺的典型输入阻抗为 l o o k o l u n 1 m o h m ，而m o s 工艺的典型值为1 0 “o h m 。 输出阻抗：当运放用来驱动低电阻型负载时，需要加入缓冲输出级，用以降 低输出阻，维持大的信号摆幅。双极型工艺的典型输出阻抗为4 0 1 0 0 0 h m 。当 运放属于运算跨导放大器，即不驱动低电阻型负载时，不需要缓冲输出级，其输 出阻抗将会很高。 3 、小信号带宽 ( 1 ) 单位增益带宽 毕查德拉扎维在文献i 捌中对小信号带宽的定义为：单位增益频率无即 从主极点开始，以d b 表示的幅度曲线以6 d b o c t 下降，与频率轴的交点定义为 单位增益带宽( g b ) 1 1 4 1 ( 2 ) 开环带宽 运算放大电路工作在高频环境中，工作频率变化时，其开环增益也随之发生 变化。一般表现为工作频率增加，开环增益下降。开环带宽就是描述运算放放大 器稳定工作的频率区间，也称之为3 d b 带宽，是指开环差模电压增益下降3 d b 时对应的频率1 1 】，也是主极点对应的频率。 4 、转换速率( 压摆率) 转换速率是测量输出信号的最大斜率变化的量，其定义为放大电路在闭环状 态下，输入为大信号( 例如阶跃信号) 时，放大电路输出电压对时间的最大变化 率。 勰生d d ，f 。 公式( 3 7 ) 该指标是反映运放对于高速变化的输入信号的响应情况。压摆率越大，运放 高频性能越好影响s r 主要原因：运放内部存在寄生电容和相位补偿电容。压 摆率般由电容的最大冲放电电流决定。一般来说，摆率不受输出级限制。而是 由第一级的源漏电流容量决定【l o j 。 5 、失调与噪声 西北工业大学硕七学位论文第三章用户可调电流源的设计 为了使输出电压摆幅最大，输出电压的静态工作点应为两电源电压差值的中 点。 输入失调电流：以两个电流源驱动运放的两个输入端，当运放的输出电压为 0 时两电流源的差值定义为输入失调电流。m o s 运放的典型输入失调电流约为0 。 输入失调电压：驱动运放的输出电压为静态工作点时运放的差分输入电压 值。双极型运放的输入失调电压一般为0 1 2 m v ，而m o s 运放一般为1 2 0 m v 。 失调是由运放中的元器件的失配引起，是随机的。 噪声：可等效为输入噪声电压和输入噪声电流。噪声限制了电路能够正确处 理的最小信号电平，所以它与功耗速度以及线性度之间是相互制约，是一个重要 的参数。而集成电路处理的模拟信号主要会受到两重不同类型的噪声损坏：器件 噪声和“环境”噪声。其中环境噪声( 表面上) 指电路所受到的电源或地线或者 衬底的随即干扰。 运放的失调和噪声决定了运放所能处理的最小信号。 6 、共模抑制比c m r r 共模抑制比是用来说明差分式放大电路抑制共模信号的能力的一项技术指 标，其定义为运放差模电压放大倍数与共模放大倍数之比的绝对值。输出电压 v o 为： v o 一爿“+ 以圪 公式( 3 8 ) 剖 。馘( 3 9 ) 差模电压增益越大，共模龟压增益越小，则共模抑制能力越强，放大电路的 性能越优良，因此希望共模抑制比的值越大越好 7 、电源电压抑制比p s r r 运放的电源线常常含有噪声，故电源电压中会出现纹波。电源电压抑制比 ( p s r r ) 的定义为：从输入到输出的增益除以从电源到输出的增型1 3 】，即： 尸黜+ 一船 公式( 3 1 0 ) 8 、共模输入电压范围和输出摆幅 共模输入范围：运放的输入级中所有的晶体管都工作于饱和区( m o s ) 或者 正向工作区( b i p o l a r ) 时直流共模输入电压的范曰1 4 1 。 西北工业大学硕士学位论文第三章用户可调电流源的设计 r o l l 输出摆幅：运放的输出级中所有的晶体管都工作于饱和区( m o s ) 或者正向 工作区( b i p o l a r ) 时输出信号允许的最大摆幅。 9 、功耗( p o w e rd i s s i p a t i o n ) 由于越来越多运算放大电路应用于便携式设备以及电池电源供电的电路中， 电路的功耗就变得很重要。特别是现在的笔记本电脑，由于发热以及工作对问等 问题，对电脑性能有相当大的影响，也对使用者引起一些不方便。所以减小功耗 能够使得系统更加精简，也使得电源的寿命更长久，而且也能使得芯片在一个适 当的温度下工作。 3 2 3 运算放大器的频率补偿原理【1 0 j 1 、反馈系统的稳定性 运算放大器一般用在负反馈结构中，图3 4 是一个一般的负反馈结构。h ( s ) 为“开环传输函数”，1 3 为反馈系数，是一个与频率无关的量。h ( s ) 的输入为x ( s ) - 1 3y ( s ) ，叫做反馈误差。从图中可以看出下面这个关系式： y ( s ) 一h 岱) 【石岱) 一 ) 】公式( 3 1 1 ) 所以该负反馈系统的闭环传输函数可以写为： i y 鼢器 图3 4 反馈系统框图 公式( 3 1 2 ) 由式( 3 1 2 ) 可以看出，当届日岱) - 一l 时，系统的 j j 环传输函数为无穷大，也 即反馈到运算放大器输入端的信号幅度和相位使得该信号在环路中产生振荡。如 果发生这种情况，放大器的输出就会被箝位在某一个电源电压( 在直流处再生) 或振荡( 在某些频率点再生) 。 根据“巴克豪森判据”，一个负反馈系统在频率t 产生振荡的条件为： 1 7 西北t 业大学硕士学位论文第二章用户可调电流源的设计 卢( ，q ) 一- 1 上式也可以表达成： 公式( 3 1 3 ) p 日( ，q ) | 一1 公式( 3 1 4 ) 卢( ，q ) 一- 1 8 0公式( 3 1 5 ) 换句话说，一个负反馈系统如果满足下列两个条件，便可以在频率弛下产生 振荡，这两个条件是： ( 1 ) 在这个频率下，围绕环路的相移能大到使负反馈变为正反馈； ( 2 ) 环路增益足以使信号建立。 因此，要避免系统不稳定，就必须把总的相移减到最小，以使得当雎，一1 时， - p h 仍比1 8 0 度更正