基于白光LED驱动电路中误差放大器的设计

李文娟

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。

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

Abstract： An error amplifier applied to white?light LED driver circuit was designed for the stability and reliability of the circuit. In combination with the working principle of DC/DC boost converter， a simple two?stage operational amplification circuit is adopted， which was designed by using CMOS technique of three?layer metal and the standard 0.5 μm two?layer polysilicon made by CSMC. The circuit is verified by Spectre simulation software. The open?loop gain of 54.8 7dB， common?mode rejection ratio of 70.98 dB， and power supply rejection ratio of 63.15 dB were achieved at power supply voltage of 2.5 V. Compared with the traditional design methods， this design can reduce the chip area， and meet the design specifications.

Keywords： LED driver circuit； error amplifying circuit； two?stage operational amplifier； simulation verification

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：

[Av（GB）=Av（0）1+jGBw0=1] （1）

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：

[SR=IssC] （2）

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：

[CMRR=AvdAvc] （3）

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：

[PSRR=AvVdd=0ADDVin=0] （4）

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]，[WL=g2M42K4ID1]，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，[gN4CL>][2.2 GB] ，近似可以得到MOS管N4的宽长比；

（7）检查电路功耗：

[P=IM2+IM5Vdd]

表1 误差放大器设计指标

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]。

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?Express 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?DC boost converter with high?performance control circuit [J]. Analog 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.