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0.5 μm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2.5 V 的电源电压下，得到开环增益为54.87 dB，共模抑制比为70.98 dB，电源电压抑制比为63.15 dB。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。
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关键词 ：LED驱动电路；误差放大电路；两级运放；仿真验证
中图分类号：TN72?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）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50～80 dB 即可。再者，本误差放大器的电源电压为2.5 V，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60 dB 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-3 dB 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（Settling Time）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-3 dB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：C1 > 0.22CL ，CL 为负载电容值，取C1 = 2 pF ；
（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 = SR·C1 ；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 ，W L = g2M4 (2K4 ID1)，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=-1.5 V，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/CL>2.2 GB ，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2.5 V 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10 kHz时为54.87 dB，在10 kHz以后，运放增益随着频率的增大而下降。单位增益带宽为8.684 MHz，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-25～100 ℃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64.77 dB。在常温下，误差放大器的共模抑制比为70.98 dB，满足设计要求。
（3）电源抑制比。图4是误差放大器在-25～100 ℃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62.83 dB，但电源抑制比也大于60 dB，满足设计要求。
（4）建立时间。图5 是在-25～100 ℃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1 ns时的输出电压作为初始值，190 ns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0.278 μs。
（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0.793 V/μs。
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]。
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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，2003.
[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，2010.
[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，2008（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，2008（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，2011（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，2013（6）：38?42.
[7] ADRIANA B G. A low ? supply ? voltage CMOS sub ? bandgap reference [J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems II?Ex?press Briefs，2008，55（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，2015（1）：1001?1004.
[9] LEE C S，KO H H，KIM K S. Integrated current?mode DC?DCboost converter with high?performance control circuit [J]. Ana?log Integrated Circuits & Signal Processing，2014，80（1）：105?112.
[10] 王易，徐祥柱，黎兆宏，等.一种用于LED 驱动的恒流控制电路设计[J].微电子学，2012（2）：63?66.
作者简介：李文娟（1986—），女，山东济宁人，教师，硕士研究生。主要从事电路系统设计。
