電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的CMOS誤差放大器設(shè)計(jì)

0 引言
白光LED的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一般白光LED正向?qū)▔航导s為3．4 V，典型值為3．5～3．8 V，而通常便攜式設(shè)備主要供電電源的鋰離子電池輸出電壓在2．7～5 V之間。如果用電源直接驅(qū)動(dòng)白光LED，會(huì)產(chǎn)生白光LED發(fā)光亮度的不穩(wěn)定，而且當(dāng)電源電壓降低到不能使LED正常發(fā)光，而電池放電還沒(méi)有結(jié)束，就會(huì)影響到便攜式設(shè)備的有效工作時(shí)間。所以，在便攜式設(shè)備中，需要LED驅(qū)動(dòng)電路，使電池在整個(gè)放電過(guò)程中都能保證LED正常發(fā)光。
針對(duì)電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的具體要求，設(shè)計(jì)了一款改進(jìn)型誤差放大器，該誤差放大器在2．7～5 V的電壓范圍內(nèi)工作，同時(shí)具有高的電源噪聲抑制比和共模抑制比。

1 誤差放大器的設(shè)計(jì)
1．1 電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器
圖1是電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的示意圖，圖中VIN是電源輸入電壓，VOUT為驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓，S1，S2，S3，S4是功率開(kāi)關(guān)，CF為泵電容，COUT是LED驅(qū)動(dòng)器輸出電容，EA是誤差放大器，VEA為誤差放大器的輸出電壓，VFB表示電荷泵輸出電壓的分壓信號(hào)，VREF表示精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓。電荷泵在1倍升壓時(shí)，閉合S1，S2，打開(kāi)S3，S4。電荷泵工作在2倍升壓時(shí)，在充電階段，閉合S1，S4，打開(kāi)S2，S3；在放電階段，打開(kāi)S1，S4，閉合S2，S3，在時(shí)鐘控制下不斷周期性地充放電，同時(shí)在反饋控制電路的作用下，輸出電壓會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)設(shè)值上，誤差放大器僅在2倍升壓時(shí)工作。

誤差放大器的作用就是對(duì)精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)電壓VREF和輸出分壓VFB進(jìn)行比較，誤差放大器輸出電壓正比于VFB和VREF的差值，VEA輸入到控制器。整個(gè)控制原理是：如果VFBVREF，誤差放大器的輸出電壓VEA增大，控制電路有時(shí)鐘頻率輸出，電荷泵工作在升壓狀態(tài)，輸出電壓VOUT增大；如果VFB>VREF，誤差放大器的輸出電壓VEA減小，控制電路沒(méi)有時(shí)鐘頻率輸出，S1，S2，S3，S4都處于打開(kāi)狀態(tài)，電荷泵處在空閑狀態(tài)。當(dāng)電路處在空閑狀態(tài)時(shí)，誤差放大器繼續(xù)對(duì)輸出電壓采樣，如果輸出電壓在負(fù)載作用下降低，輸出電壓能夠及時(shí)得到調(diào)整，對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)迅速，紋波較小。
據(jù)上述工作原理可以得到對(duì)誤差放大器的要求：
第一，在電池供電范圍內(nèi)，誤差放大器要滿(mǎn)足寬電壓工作要求。電源輸出電壓范圍在2．7～5 V之間，在整個(gè)電池電壓變化范圍內(nèi)，誤差放大器的增益，相位變化要小。
第二，在便攜式設(shè)備中，鋰離子電池要同時(shí)給數(shù)字模塊供電，電池的輸出電壓噪聲較大，所以誤差放大器要有較高的PSRR，同時(shí)要滿(mǎn)足CMRR要求。根據(jù)所需指標(biāo)，尋求合適的誤差放大器來(lái)滿(mǎn)足要求。
1．2 誤差放大器的設(shè)計(jì)
圖2是誤差放大器的整體電路圖。誤差放大器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程中考慮到寬電壓工作，高CMRR和PSRR的應(yīng)用需要，采用單電源兩級(jí)電壓放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包含一級(jí)放大器A1，二級(jí)放大器A2和兩個(gè)頻率補(bǔ)償電容，其中A1為對(duì)稱(chēng)全差分OTA，它將輸出電壓VOUT分壓電壓VFB和高精度溫度補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)電壓VREF差值放大，使用全差分OTA是為了得到更好的頻率特性。