一種基于PWM的CMOS誤差放大器的設計

摘要：為解決PWM控制器中輸出電壓與基準電壓的誤差放大問題，設計了一款高增益、寬帶寬、靜態(tài)電流小的新型誤差放大器，通過在二級放大器中間增加一級緩沖電路，克服補償電容的前饋效應，同時消除補償電容引入的零點。在Cadelence軟件平臺上，經(jīng)過交流和瞬態(tài)仿真，電路0 dB帶寬達到55．5 MHz，電壓開環(huán)增益約67．2 dB，相位裕度為83．0°上升建立時間和下降建立時間分別為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)應用到了PWM芯片中，使得PWM最大、最小占空比可調，大幅提升了芯片系統(tǒng)的整體性能。
關鍵詞：PWM；誤差放大器；高增益；寬帶寬；占空比

開關穩(wěn)壓電源具有集成度高、外圍電路簡單、電源效率高等優(yōu)點，在各種電子設備中得到廣泛的應用。尤其是在通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等要求高穩(wěn)定性、高可靠性電源的設備中，開關穩(wěn)壓電源已經(jīng)取代效率較低的線性穩(wěn)壓器。脈寬調制(Pulse-Width Modulation，PWM)芯片作為開關電源中的核心，其關鍵技術對我國國防和民用電源領域至關重要。這種調制方式的實現(xiàn)方法是由內(nèi)部震蕩器產(chǎn)生一個頻率恒定的鋸齒波，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、最小值不可調節(jié)，限制了芯片的應用，影響了PWM芯片的性能。
本文設計的運放是整個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電壓的誤差放大值，作為下一級比較器的輸入。與常見的誤差放大器相比，本文采用二級放大器組成的CMOS運算放大器進行設計，中間加入一級緩沖器電路，克服補償電容的前饋效應，同時消除補償電容引入的零點。該誤差放大器應用在PWM芯片中，隨著其輸出擺幅的調整，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 電路設計
1．1 基本的CMOS二級運放電路
基本的CMOS二級運放電路如圖1所示?；径夒娐酚善貌糠趾蛢杉壏糯箅娐窐嫵?。VM5、VM6、VM8、VM9構成比例恒流源系統(tǒng)，對電路提供偏置。其中，VM9為等效電阻。第一級放大電路的電流偏置經(jīng)由VM5管提供，VM1和VM2組成差分輸入對管，VM3和VM4充當其有源負載，并且在無損增益的情況下實現(xiàn)電路的單端輸出轉換。第二級放大電路是個簡單的共源放大電路，VM6提供電流偏置并充當有源負載，放大功能主要由VM7管實現(xiàn)。

由于場效應管做共源放大器的時候，輸出端電壓與輸入端電壓反相，使得場效應管漏極和柵極之間的電容的充放電電流增大，從輸入端看進去，電容好像增大了Au倍(Au為該級放大電路的增益倍數(shù))，這就是密勒效應。密勒效應會導致電路頻率特性降低，因此，電路引入了密勒補償電容C1，將其跨接到該級放大器的輸出端和輸入端，起到頻率補償?shù)淖饔谩?br /> 該運放結構簡單，易于實現(xiàn)，但是電路性能不夠理想。電路中的補償電容C1在實現(xiàn)頻率補償?shù)耐瑫r，也引入了電壓輸出負反饋，過強的負反饋容易引起運放電路的不穩(wěn)定。