一種基于PWM的CMOS誤差放大器的設(shè)計(jì)

摘要：為解決PWM控制器中輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的誤差放大問題，設(shè)計(jì)了一款高增益、寬帶寬、靜態(tài)電流小的新型誤差放大器，通過在二級(jí)放大器中間增加一級(jí)緩沖電路，克服補(bǔ)償電容的前饋效應(yīng)，同時(shí)消除補(bǔ)償電容引入的零點(diǎn)。在Cadelence軟件平臺(tái)上，經(jīng)過交流和瞬態(tài)仿真，電路0 dB帶寬達(dá)到55．5 MHz，電壓開環(huán)增益約67．2 dB，相位裕度為83．0°上升建立時(shí)間和下降建立時(shí)間分別為6．7 V／μs和5．7 V／μs共模抑制比為49．17 dB，電源抑制比為71．39 dB。該誤差放大器已經(jīng)應(yīng)用到了PWM芯片中，使得PWM最大、最小占空比可調(diào)，大幅提升了芯片系統(tǒng)的整體性能。
關(guān)鍵詞：PWM；誤差放大器；高增益；寬帶寬；占空比

開關(guān)穩(wěn)壓電源具有集成度高、外圍電路簡(jiǎn)單、電源效率高等優(yōu)點(diǎn)，在各種電子設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。尤其是在通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等要求高穩(wěn)定性、高可靠性電源的設(shè)備中，開關(guān)穩(wěn)壓電源已經(jīng)取代效率較低的線性穩(wěn)壓器。脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation，PWM)芯片作為開關(guān)電源中的核心，其關(guān)鍵技術(shù)對(duì)我國(guó)國(guó)防和民用電源領(lǐng)域至關(guān)重要。這種調(diào)制方式的實(shí)現(xiàn)方法是由內(nèi)部震蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率恒定的鋸齒波，與誤差放大器輸出的參考電壓比較，輸出方波用于控制調(diào)整管。誤差放大器輸出擺幅直接決定了PWM芯片的輸出占空比的最大、最小值，固定的輸出擺幅使得芯片輸出占空比的最大、最小值不可調(diào)節(jié)，限制了芯片的應(yīng)用，影響了PWM芯片的性能。
本文設(shè)計(jì)的運(yùn)放是整個(gè)PWM控制器的誤差放大器，作為電路中最重要的模塊之一，主要功能是獲得輸入電壓和基準(zhǔn)電壓的誤差放大值，作為下一級(jí)比較器的輸入。與常見的誤差放大器相比，本文采用二級(jí)放大器組成的CMOS運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，中間加入一級(jí)緩沖器電路，克服補(bǔ)償電容的前饋效應(yīng)，同時(shí)消除補(bǔ)償電容引入的零點(diǎn)。該誤差放大器應(yīng)用在PWM芯片中，隨著其輸出擺幅的調(diào)整，PWM芯片最大、最小輸出占空比可以控制，明顯改善了PWM芯片的性能。

1 電路設(shè)計(jì)
1．1 基本的CMOS二級(jí)運(yùn)放電路
基本的CMOS二級(jí)運(yùn)放電路如圖1所示?；径?jí)電路由偏置部分和兩級(jí)放大電路構(gòu)成。VM5、VM6、VM8、VM9構(gòu)成比例恒流源系統(tǒng)，對(duì)電路提供偏置。其中，VM9為等效電阻。第一級(jí)放大電路的電流偏置經(jīng)由VM5管提供，VM1和VM2組成差分輸入對(duì)管，VM3和VM4充當(dāng)其有源負(fù)載，并且在無(wú)損增益的情況下實(shí)現(xiàn)電路的單端輸出轉(zhuǎn)換。第二級(jí)放大電路是個(gè)簡(jiǎn)單的共源放大電路，VM6提供電流偏置并充當(dāng)有源負(fù)載，放大功能主要由VM7管實(shí)現(xiàn)。

由于場(chǎng)效應(yīng)管做共源放大器的時(shí)候，輸出端電壓與輸入端電壓反相，使得場(chǎng)效應(yīng)管漏極和柵極之間的電容的充放電電流增大，從輸入端看進(jìn)去，電容好像增大了Au倍(Au為該級(jí)放大電路的增益倍數(shù))，這就是密勒效應(yīng)。密勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電路頻率特性降低，因此，電路引入了密勒補(bǔ)償電容C1，將其跨接到該級(jí)放大器的輸出端和輸入端，起到頻率補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br /> 該運(yùn)放結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是電路性能不夠理想。電路中的補(bǔ)償電容C1在實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，也引入了電壓輸出負(fù)反饋，過強(qiáng)的負(fù)反饋容易引起運(yùn)放電路的不穩(wěn)定。