一种高性能误差放大器的设计

引言

DC-DC转换器的其体积小、转换效率高、外围电路简单、噪声低等优点，被广泛地应用于诸如通信以及便携式等设备的电源供给系统中。

本论文结合高压转换器的性能要求及BCD的工艺特点,采用改进的差分运算跨导结构、共射增益级和其它辅助电路，设计了一款具有高共模抑制比(CMRR)、高电源抑制(PSRR)、低时延的误差放大器，同时对其性能进行了分析和验证。仿真结果表明：本文所设计的电路能满足指标要求，并显著地提高了误差放大器的精度和性能。

1电流模式BUCK转换器

图1所示的是一种电流控制模式BUCK转换器的简化模块图。通常可将转换器分为功率输出电路和反馈控制回路。其中，误差放大器是转换器电压反馈控制电路的关键模块之一。它可以通过放大转换器输出端分压得到的带有输出信号原变化信息的反馈信号FB与基准电压么的差值，来改变转换器PWM(PulseWidthModulation)信号的占空比，以控制开关管M的导通时间，进而调整输出电压。当输出信号原低于正常值时，反馈信号*B小于基准电压*ef，误差放大器输出增大，PWM信号占空比也相应地加大，开关管的导通时间增大，使输出信号增大;反之，当输出信号Vout超出正常值时,开关管导通时间减小，使输出电压降低。所以误差放大器的性能直接决定着转换器控制电路的性能，进一步也控制着整个转换器的稳定性、输出电压的纹波大小和带宽。

2电路设计

本设计的误差放大器整体电路如图2所示，该电路可以分为偏置转换和核心电路两个模块。

图1DC-DCBUCK转换器的简化模块图

2.1偏置转换模块的设计

偏置转换电路的主要功能是将输入到误差放大器模块的偏置电压Vbias转换为偏置电压Vbias1和V3IAS2。

M4与偏置电路中提供偏置电流的管子构成电流镜结构。加偏置电压Vbias后，M4中有镜像电流流向地，同时M3管的栅极电压降低，M2镜像M1中电流，从而M3管导通。M5管为二极管连接方式，导通并工作在饱和区。调整M3、M5的宽长比可以得到所需的偏置电压VbiaS1和VbIAS2。

2.2误差放大器核心电路模块的设计与，性能分析

它的功能是将反馈信号FB与基准电压Kef的差值放大,并输出到下一级调控PWM输出脉冲信号的占空比。

2.2.1核心电路设计

误差放大器的核心电路由以下四级组成：

(1)输入级

反馈信号电压*B与基准电压分别通过QP1、QP2组成的单位电压增益电平平移电路输入到QN1、QN2的基极。从大信号角度看，VbQN1'^bQN2均分别比*B和咼Kb(一般为0.7V左右)，进入差分放大级的共模输入范围，这也同时增大了*b幅度变化范围。

(2)差分放大级

差分放大级为对称结构，QN1，QN2为共射差分输入对。QP3,QP4为有源负载,R1与R2阻值相同保证流过QN1，QN2的静态电流相同。M8为电流源。

(3)增益级

由于前两级的增益较低，所以采用由QP5,QP6分别构成的共射放大电路作为专门的增益级，同时也实现了双端输入单端输出。QN3,QN4作为增益级的有源负载。M8,R3,QP7构成限幅电路，通过选取电阻R3的阻值，QP7将QP5与QN4的集电极输出端电位限制在设计的范围内。COMP外接RC电路实现零点补偿，使其交流小信号电压增益的相位裕度满足设计要求。

(4)输出级

QN5和R4构成了共集电极输出级。利用低输出电阻特性,更好地将比较器的电压信号输出，驱动下一级负载。

2.2.2误差放大电路的CMRR及PSRR分析

假定误差放大电路对称结构中的三极管采用相同的工艺,并完全匹配。

(1)CMRR分析

CMRR是衡量差分放大器对同时加到其两个输入端的共模信号的抑制能力。是误差放大器的重要性能指标之一。

对电路进行小信号模型分析，可分别得到其差模电压增益为：

从式(3)可以看出，增大R1的值可以增大CMRR。

(2)PSRR分析

电源的纹波可能在放大器的输出端引入很大的噪声，成为影响误差放大器性能的主要因素。PSRR是衡量模拟系统抗电源纹波能力的一个非常重要的指标。因此，在电路设计过程中，必须着重考虑比较器的PSRR性能。

按照文献［5］介绍的方法，将比较器的输入ERR_TH和FB均接小信号地，只考虑电源VCC_A的等效纹波电源Vcc，然后进行小信号模型分析，可得到电源抑制比为：

从(4)式可以知，增大R的阻值或者减小MOS管M6、M7的宽长比可以增大PSRR。故在设计电路时，在不影响其它性能的前提下，可以通过选取适当阻值的R4或者调整M6、M7的宽长比来提高比较器的PSRR。

3仿真结果及分析

电路设计采用0.6MmBCD工艺，仿真条件为25°C并采用全典型模型，在HSPICE软件环境下进行了仿真。

图3给出了未加补偿和加补偿后的增益和相位仿真曲线以及加补偿后的相位裕度曲线。未加补偿时，相位裕度几乎为零，由电路理论可知系统会自激振荡，不稳定。故在COMP接RC补偿电路进行零点补偿，使得相位裕度达到要求。仿真数据表明在很大的频率范围内增益大于60dB，已达到运用的要求。加补偿后的相位裕度在电源电压为2.7V、3.6V、5.5V时，其最低值为99.2。，均可满足设计性能要求。

图4给出了电源电压分别取2.7V、3.6V、5.5V时的CMRR(共模抑制比)仿真曲线。仿真数据表明，三种条件下的CMRR都在120dB左右，均可满足设计的指标要求。

图4CMRR仿真曲线

由表1可见，三种条件下的瞬态上升和下降时延均为百纳秒级，故可实现设计的快速响应。PSRR(电源抑制比)在三种条件下，其PSRR的最小值在电源电压为2.7V,频率为10kHz时，可在57.21dB时达到设计性能要求。

从仿真得到的数据可以知道，本论文设计的误差放大器几项主要指标均达到了常用的误差放大器的要求，CMRR和PSRR，以及瞬态上升和下降时延在电源电压不同的条件下都较普通的误差放大器优异，达到了设计的要求。

4结语

本文设计了一款新型高性能误差放大器。偏置转换模块实现了将一个偏置电压转换为两个不同的偏置电压。其核心电路模块主要由双极型三极管构成的差分运算跨导(OTA)等三级放大结构组成，利用双极型三极管高速的特点，降低了响应时间，并采用外接RC补偿电路，达到相位裕度要求。经0.6〃mBCD工艺条件下的仿真表明各项诸如CMRR、PSRR等主要指标均达到或者优于传统的误差放大器性能指标，完全满足高压DC-DCBUCK转换器性能要求。

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