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，經過交流和瞬態仿真，電路0 dB帶寬達到55．5 MHz，電壓開環增益約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

開關穩壓電源具有集成度高、外圍電路簡單、電源效率高等優點，在各種電子設備中得到廣泛的應用。尤其是在通信系統和控制系統等要求高穩定性、高可靠性電源的設備中，開關穩壓電源已經取代效率較低的線性穩壓器。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方法是由內部震蕩器產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，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。基本二級電路由偏置部分和兩級放大電路構成。VM5、VM6、VM8、VM9構成比例恒流源系統，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。

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)，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，起到頻率補償的作用。
該運放結構簡單，易于實現，但是電路性能不夠理想。電路中的補償電容C1在實現頻率補償的同時，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定。