CN108599728A - 一种具有限流和钳位功能的误差放大器 - Google Patents

一种具有限流和钳位功能的误差放大器 Download PDF

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Abstract

一种具有限流和钳位功能的误差放大器，属于模拟集成电路设计领域。包括第一级差分放大单元、第二级跨导增强放大单元、偏置电流单元、上限钳位和限流结构、密勒补偿电容和补偿电阻，上限钳位和限流结构中的第七PMOS管是副用管，当误差放大器的正相输入端比反相输入端高的时候，第七PMOS管源漏互换，和第二级跨导增强放大单元一起形成了箝位电路；当误差放大器的正相输入端比反相输入端低的时候，第七PMOS管实现对第二级跨导增强放大单元输出级电压的上限钳位，限制了误差放大器输出端灌电流的能力；同时通过密勒补偿电容和补偿电阻分离主极点和次极点，以保证足够的相位裕度。本发明提出的误差放大器具有限流和钳位功能，能够提高系统的响应速度。

Description

一种具有限流和钳位功能的误差放大器
技术领域
本发明属于模拟集成电路设计领域，具体涉及一种对输出电压具有上限钳位及对输出电流具有限流功能的误差放大器。
背景技术
开关型电源电路因其低功耗、高效率的特点被广泛运用，而误差放大器是开关型电源电路最常见的组成结构之一。误差放大器通过放大带隙基准和输出电压的分压信号来与振荡器产生的斜坡信号做比较，为功率管开关产生控制信号。当输出变化时，信号变化量会通过误差放大器放大，经过脉冲宽度调制比较器后对控制信号进行调整，从而快速地对输出端的电压变化进行响应，因此误差放大器需要高增益和大带宽的性能。
误差放大器常用的结构是带有源电流镜的差分对，通过推挽输出级输出，但是这种单极放大结构开环增益小，并且对误差放大器的输出电压没有限制，误差放大器的输出电压可以高达近似电源轨的值，超出与之比较的三角波幅值，造成误差放大器不必要的充放电过程，降低系统响应速度。此外，由于误差放大器输出处通常需要驱动环路补偿电容，因此为了电路的整体快速响应，需要在保证电容的充放电速度的情况下，限制输出的最大电流，保护误差放大器输出晶体管不被损坏。
发明内容
为了解决传统误差放大器输出电压、电流没有限制而引起过充、过流等问题，本发明基于BICMOS工艺，提出一种通过负反馈钳位运算放大器结构的复用，分别构建对输出电流限流环路和对输出电压上限钳位环路，利用负反馈环路对输出进行限流及上限钳位。
本发明的技术方案是：
一种具有限流和钳位功能的误差放大器，包括第一级差分放大单元、第二级跨导增强放大单元、偏置电流单元、第六PMOS管M14、第七PMOS管M15、第八PMOS管M16、密勒补偿电容Cc和补偿电阻Rz，
所述第一级差分放大单元的正相输入端作为所述误差放大器的正相输入端连接第一基准电压VREF1，其反相输入端作为所述误差放大器的反相输入端连接反馈电压FB，其输出端连接所述第二级跨导增强放大单元的输入端；
所述偏置电流单元包括第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M5、第四PMOS管M6和第五PMOS管M7，第二PMOS管M2的栅极连接第一PMOS管M1的栅极和漏极以及第三PMOS管M5、第四PMOS管M6和第五PMOS管M7的栅极，其源极连接第一PMOS管M1、第三PMOS管M5、第四PMOS管M6和第五PMOS管M7的源极并连接电源电压VCC，其漏极连接第一NMOS管M3的栅极和漏极以及第二NMOS管M4的栅极；第一NMOS管M3和第二NMOS管M4的源极接地GND，第二NMOS管M4作为第一级差分放大单元的尾电流源，其漏极连接所述第一级差分放大单元的输入对管；
所述第二级跨导增强放大单元包括第三三极管Q3、第三NMOS管M17和第四NMOS管M18，第三三极管Q3的基极连接第三NMOS管M17和第五PMOS管M7的漏极，其集电极连接电源电压VCC，其发射极连接第八PMOS管M16的栅极和第四NMOS管M18的漏极并作为所述误差放大器的输出端；第三NMOS管M17和第四NMOS管M18的栅极相连并连接所述第一级差分放大单元的输出端，其源极也互连并接地GND；
密勒补偿电容Cc和补偿电阻Rz串联，补偿电阻Rz的另一端连接第三NMOS管M17的漏极，密勒补偿电容Cc的另一端连接第三NMOS管M17的栅极；
第六PMOS管M14的栅极连接第二基准电压VREF2，其源极连接第三PMOS管M5的漏极和第七PMOS管M15的栅极，其漏极连接第四PMOS管M6的漏极并接地GND；
第七PMOS管M15的源极连接所述第一级差分放大单元的输出端，其漏极连接第八PMOS管M16的源极和第四PMOS管M6的漏极。
具体的，所述第一级差分放大单元包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第五NMOS管M12、第六NMOS管M13、第九PMOS管M8、第十PMOS管M9、第十一PMOS管M10和第十二PMOS管M11，
第一三极管Q1的基极作为所述第一级差分放大单元的正相输入端，其发射极连接第二三极管Q2的发射极并连接所述偏置电流单元中第二NMOS管M4的漏极，其集电极连接第十PMOS管M9的栅极和漏极以及第九PMOS管M8的栅极；
第二三极管Q2的基极作为所述第一级差分放大单元的反相输入端，其集电极连接第十一PMOS管M10的栅极和漏极以及第十二PMOS管M11的栅极；
第六NMOS管M13的栅极连接第五NMOS管M12的栅极和漏极以及第九PMOS管M8的漏极，其源极连接第五NMOS管M12的源极并接地GND，其漏极连接第十二PMOS管M11的漏极并作为所述第一级差分放大单元的输出端；
第九PMOS管M8、第十PMOS管M9、第十一PMOS管M10和第十二PMOS管M11的源极连接电源电压VCC。
具体的，所述第一级差分放大单元包括第四三极管Q4、第五三极管Q5、第十三PMOS管M19和第十四PMOS管M20，
第四三极管Q4的基极作为所述第一级差分放大单元的反相输入端，其发射极连接第五三极管Q5的发射极并连接所述偏置电流单元中第二NMOS管M4的漏极，其集电极连接第十三PMOS管M19的栅极和漏极以及第十四PMOS管M20的栅极；
第五三极管Q5的基极作为所述第一级差分放大单元的正相输入端，其集电极连接第十四PMOS管M20的漏极并作为所述第一级差分放大单元的输出端；
第十三PMOS管M19和第十四PMOS管M20的源极连接电源电压VCC。
本发明的有益效果为：本发明通过复用负反馈钳位运算放大器，分别构建对输出电流限流环路和对输出电压上限钳位环路，实现对输出进行限流和上限钳位的功能，减少了误差放大器不必要的充放电过程，提高了系统的响应速度。
附图说明
图1为本发明提供的一种具有限流和钳位功能的误差放大器的一种实现电路图。
图2为本发明中上限钳位负反馈环路的原理图。
图3为本发明中输出电流限制的等效原理图。
图4为本发明提供的一种具有限流和钳位功能的误差放大器的另一种实现电路图。
图5为上限钳位负反馈环路的交流ac仿真图。
图6为误差放大器输出上限钳位的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明。
如图1所示，本发明提出的误差放大器具有两级放大结构，包括第一级差分放大单元、第二级跨导增强放大单元、偏置电流单元、第六PMOS管M14、第七PMOS管M15、第八PMOS管M16、密勒补偿电容Cc和补偿电阻Rz，第六PMOS管M14、第七PMOS管M15和第八PMOS管M16构成误差放大器的上限钳位和限流结构。第一级差分放大单元是带有源电流镜的差分放大结构，第二级是跨导增强结构，在第一级差分放大单元的输出和第二级跨导增强放大单元的输出之间加入误差放大器的上限钳位和限流结构中的第七PMOS管M15和第八PMOS管M16，当误差放大器的负相输入端小于正相输入端时，这两根PMOS管和误差放大器的第二级跨导增强放大单元形成一个独立的带负反馈的运算放大器，从而对误差放大器的上限进行钳位。通过加入密勒补偿电容Cc和补偿电阻Rz分离主极点和次极点，以保证足够的相位裕度。此外，复用负反馈钳位运算放大器，可构建输出级电流限流功能，第七PMOS管M15是副用管，当误差放大器的正相输入端比反相输入端高的时候，第七PMOS管M15源漏互换，和第八PMOS管M16形成差分对管，和第二级跨导增强放大单元一起形成了钳位电路；当误差放大器的正相输入端比反相输入端低的时候，第七PMOS管M15实现了对第三NMOS管M17栅端电压的上限钳位，这样就限制了误差放大器输出端灌电流的能力。
第一级差分放大单元的正相输入端作为误差放大器的正相输入端连接第一基准电压VREF1，其反相输入端作为误差放大器的反相输入端连接反馈电压FB，其输出端连接第二级跨导增强放大单元的输入端。
偏置电流单元包括第一NMOS管M3、第二NMOS管M4、第一PMOS管M1、第二PMOS管M2、第三PMOS管M5、第四PMOS管M6和第五PMOS管M7，第二PMOS管M2的栅极连接第一PMOS管M1的栅极和漏极以及第三PMOS管M5、第四PMOS管M6和第五PMOS管M7的栅极，其源极连接第一PMOS管M1、第三PMOS管M5、第四PMOS管M6和第五PMOS管M7的源极并连接电源电压VCC，其漏极连接第一NMOS管M3的栅极和漏极以及第二NMOS管M4的栅极；第一NMOS管M3和第二NMOS管M4的源极接地GND；第二NMOS管M4作为第一级差分放大单元的尾电流源，其漏极连接第一级差分放大单元的输入对管的发射极；第五PMOS管M7为第二级跨导增强放大单元提供偏置，第五PMOS管M7的漏极连接第二级跨导增强放大单元中第三NMOS管M17的漏极；第三PMOS管M5和第四PMOS管M6为误差放大器的上限钳位和限流结构提供偏置，其中第三PMOS管M5为第六PMOS管M14和第七PMOS管M15提供偏置。
第二级跨导增强放大单元包括第三三极管Q3、第三NMOS管M17和第四NMOS管M18，第三NMOS管M17和第四NMOS管M18为放大管，第三三极管Q3的基极连接第三NMOS管M17和第五PMOS管M7的漏极，其集电极连接电源电压VCC，其发射极连接第八PMOS管M16的栅极和第四NMOS管M18的漏极并作为误差放大器的输出端；第三NMOS管M17和第四NMOS管M18的栅极相连并连接第一级差分放大单元的输出端，其源极也互连并接地GND。
密勒补偿电容Cc和补偿电阻Rz串联，补偿电阻Rz的另一端连接第三NMOS管M17的漏极，密勒补偿电容Cc的另一端连接第三NMOS管M17的栅极；第六PMOS管M14的栅极连接第二基准电压VREF2，其源极连接第三PMOS管M5的漏极和第七PMOS管M15的栅极，其漏极连接第四PMOS管M6的漏极并接地GND；第七PMOS管M15的源极连接第一级差分放大单元的输出端，其漏极连接第八PMOS管M16的源极和第四PMOS管M6的漏极。
如图1所示给出了第一级差分放大单元的一种实现电路结构，包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第五NMOS管M12、第六NMOS管M13、第九PMOS管M8、第十PMOS管M9、第十一PMOS管M10和第十二PMOS管M11，其中第一三极管Q1和第二三极管Q2为输入对管，第五NMOS管M12、第六NMOS管M13、第九PMOS管M8、第十PMOS管M9、第十一PMOS管M10和第十二PMOS管M11构成有源电流镜，偏置电流单元中的第二NMOS管M4是第一级差分放大单元的尾电流源；第一三极管Q1的基极作为第一级差分放大单元的正相输入端，其发射极连接第二三极管Q2的发射极并连接偏置电流单元中第二NMOS管M4的漏极，其集电极连接第十PMOS管M9的栅极和漏极以及第九PMOS管M8的栅极；第二三极管Q2的基极作为第一级差分放大单元的反相输入端，其集电极连接第十一PMOS管M10的栅极和漏极以及第十二PMOS管M11的栅极；第六NMOS管M13的栅极连接第五NMOS管M12的栅极和漏极以及第九PMOS管M8的漏极，其源极连接第五NMOS管M12的源极并接地GND，其漏极连接第十二PMOS管M11的漏极并作为第一级差分放大单元的输出端；第九PMOS管M8、第十PMOS管M9、第十一PMOS管M10和第十二PMOS管M11的源极连接电源电压VCC。
如图4所示给出了第一级差分放大单元的另一种实现电路结构，包括第四三极管Q4、第五三极管Q5、第十三PMOS管M19和第十四PMOS管M20，第四三极管Q4的基极作为第一级差分放大单元的反相输入端，其发射极连接第五三极管Q5的发射极并连接偏置电流单元中第二NMOS管M4的漏极，其集电极连接第十三PMOS管M19的栅极和漏极以及第十四PMOS管M20的栅极；第五三极管Q5的基极作为第一级差分放大单元的正相输入端，其集电极连接第十四PMOS管M20的漏极并作为第一级差分放大单元的输出端；第十三PMOS管M19和第十四PMOS管M20的源极连接电源电压VCC。
下面以图1中给出的第一级差分放大单元为例详细说明本发明的工作原理。
本实施例中的第一级差分放大单元为带有源电流镜的差分放大结构，NPN三极管(即第一三极管Q1和第二三极管Q2)做输入对管相较MOS管有更大的跨导，使得第一级差分放大单元具有更大的增益。第二级跨导增强放大单元是跨导增强结构，令(W/L)17＝k(W/L)18，则整个放大器的开环增益为：
AOL1＝gm1(ro11||ro13)·[k(β+1)+1]gmn18ROUT (1)
其中AOL1是误差放大器的开环增益，gm1是第一三极管Q1的跨导，ro11和ro13分别是第十二PMOS管M11和第六NMOS管M13的导通电阻，k是第三NMOS管M17的宽长比和第四NMOS管M18的宽长比的比值，β是第三三极管Q3的电流放大倍数，gmn18是第四NMOS管M18的跨导，ROUT是误差放大器的输出阻抗。通过设置k的值来调整第二级跨导增强放大单元的跨导，k值越大，第二级跨导越大，整个结构的增益就越大。第二级跨导增强放大单元通过NPN三极管(即第三三极管Q3)实现了跨导增强。误差放大器的输出阻抗ROUT为：
则放大器的开环增益可以简化为：
AOL1＝gm1(ro11||ro13)kgmn18(rπ+ro7||ro17) (3)
其中rπ是三极管的基极电阻，ro7是第五PMOS管M7的导通电阻，ro17是第三NMOS管M17的导通电阻，gmn1是第一PMOS管M1的跨导。
第六PMOS管M14的栅端电压是第二基准电压VREF2，第三PMOS管M5是镜像电流源，所以第七PMOS管M15的栅端是固定电压。当误差放大器的反相输入端小于正相输入端时，误差放大器的第一级差分放大单元输出为低电位，第二级跨导增强放大单元输出为高电位，第七PMOS管M15的源漏互换，和第八PMOS管M16以及误差放大器的第二级跨导增强放大单元构成误差放大器的上限钳位缓冲Buffer结构，如图2所示。第二NMOS管M4的尾电流源大小为4I，全都流过M13，其中I为流过第一PMOS管M1漏极的电流，此时流过第七PMOS管M15的电流也为4I，流过第八PMOS管M16的电流为3I。若误差放大器的输出增大，则第八PMOS管M16源端电压增大，误差放大器第一级差分放大单元输出电压增大，拉低第三NMOS管M17漏端电压，从而拉低第三三极管Q3发射极电压即输出端电压，实现误差放大器上限钳位。
设置钳位缓冲Buffer结构中的差分对的宽长比：
其中(W/L)16是第八PMOS管M16的宽长比，(W/L)15是第七PMOS管M15的宽长比，ID16是第八PMOS管M16的漏电流，ID15是第七PMOS管M15的漏电流。
使得第七PMOS管M15和第八PMOS管M16的跨导相等。则钳位缓冲Buffer结构的开环增益可以写为：
其中gmn15是第七PMOS管M15的跨导，ro13是第六NMOS管M13的导通电阻。
可以通过增大gm15和gm16来增大钳位负反馈环路的开环增益。通过第二级跨导增强放大单元来实现密勒补偿。该放大器的零极点分布为：
其中C是第三NMOS管M17漏端到地的等效电容，gmn17是第三NMOS管M17的跨导，VGS17和VGS17分别是第三NMOS管M17和第四NMOS管M18的栅源电压。
可以通过调节密勒补偿电容Cc和补偿电阻Rc来调整零极点位置，使零点将主极点和次极点隔开，以保证足够的相位裕度。
钳位负反馈环路的增益带宽积为：
根据图2，列出第七PMOS管M15和第八PMOS管M16的过驱动电压方程：
其中VOV15和VOV16分别是第七PMOS管M15和第八PMOS管M16的过驱动电压，μp是PMOS管的迁移率，COX是单位面积栅氧电容。
输出电压被钳位到第七PMOS管M15和第八PMOS管M16的过驱动电压之差再加上偏置电压，即：
从式(11)可以看出来，通过调节第七PMOS管M15和第八PMOS管M16的尺寸可以调节误差放大器输出的上限电压。
输出电流限制的原理图如图3所示，当误差放大器的反相输入端比正相输入端高的时候，第二NMOS管M4的电流全都流过第十二PMOS管M11，电流大小为4I，此时流过第七PMOS管M15的电流也为4I。因为流过第四PMOS管M6的电流是7I，所以流过第八PMOS管M16的电流是11I，此时第七PMOS管M15的漏端可以看成交流地，当第七PMOS管M15源端电位上升，则瞬间流过第七PMOS管M15的电流增大，为了保持电流不变，第七PMOS管M15的源漏电压减小，则第七PMOS管M15源端电位又被拉下来，最后稳定在：
VS15＝V偏置+VSG15 (12)
其中VS15是第七PMOS管M15源端的电压，VSG15是第七PMOS管M15的栅源电压。通过限制第七PMOS管M15源端的最大电压来限制误差放大器输出端第四NMOS管M18的灌电流的能力，从而避免误差放大器输出端电容放电时损坏晶体管。
采用上述方案实施的误差放大器仿真波形如图5和图6所示。从图5可以看出，误差放大器上限钳位负反馈环路的开环增益达到了64dB，由于将零点放在了增益带宽积GBW外，所以相位裕度很高，达到97°，误差放大器的增益带宽积GBW为1MHz。从图6可以看出，当误差放大器负向输入端的电压小于正相输入端的电压时，误差放大器第一级差分放大单元的输出电压V1被钳位在993mV，第二级跨导增强放大单元的输出电压V2被钳位在3.1V。该误差放大器实现了对输出电压的上限钳位，并且钳位环路具有良好的稳定性，解决了传统开关型电源电路中误差放大器输出过高而产生过大占空比从而产生输出电压过冲的问题。
可以理解的是，本发明不限于上文示出的精确配置和组件。在不脱离权利要求书的保护范围基础上，可以对上文方法和结构的步骤顺序、细节及操作做出各种修改、改变和优化。

Claims (3)

1.一种具有限流和钳位功能的误差放大器，其特征在于，包括第一级差分放大单元、第二级跨导增强放大单元、偏置电流单元、第六PMOS管(M14)、第七PMOS管(M15)、第八PMOS管(M16)、密勒补偿电容(Cc)和补偿电阻(Rz)，
所述第一级差分放大单元的正相输入端作为所述误差放大器的正相输入端连接第一基准电压(VREF1)，其反相输入端作为所述误差放大器的反相输入端连接反馈电压(FB)，其输出端连接所述第二级跨导增强放大单元的输入端；
所述偏置电流单元包括第一NMOS管(M3)、第二NMOS管(M4)、第一PMOS管(M1)、第二PMOS管(M2)、第三PMOS管(M5)、第四PMOS管(M6)和第五PMOS管(M7)，第二PMOS管(M2)的栅极连接第一PMOS管(M1)的栅极和漏极以及第三PMOS管(M5)、第四PMOS管(M6)和第五PMOS管(M7)的栅极，其源极连接第一PMOS管(M1)、第三PMOS管(M5)、第四PMOS管(M6)和第五PMOS管(M7)的源极并连接电源电压(VCC)，其漏极连接第一NMOS管(M3)的栅极和漏极以及第二NMOS管(M4)的栅极；第一NMOS管(M3)和第二NMOS管(M4)的源极接地(GND)，第二NMOS管(M4)作为第一级差分放大单元的尾电流源，其漏极连接所述第一级差分放大单元的输入对管；
所述第二级跨导增强放大单元包括第三三极管(Q3)、第三NMOS管(M17)和第四NMOS管(M18)，第三三极管(Q3)的基极连接第三NMOS管(M17)和第五PMOS管(M7)的漏极，其集电极连接电源电压(VCC)，其发射极连接第八PMOS管(M16)的栅极和第四NMOS管(M18)的漏极并作为所述误差放大器的输出端；第三NMOS管(M17)和第四NMOS管(M18)的栅极相连并连接所述第一级差分放大单元的输出端，其源极也互连并接地(GND)；
密勒补偿电容(Cc)和补偿电阻(Rz)串联，补偿电阻(Rz)的另一端连接第三NMOS管(M17)的漏极，密勒补偿电容(Cc)的另一端连接第三NMOS管(M17)的栅极；
第六PMOS管(M14)的栅极连接第二基准电压(VREF2)，其源极连接第三PMOS管(M5)的漏极和第七PMOS管(M15)的栅极，其漏极连接第四PMOS管(M6)的漏极并接地(GND)；
第七PMOS管(M15)的源极连接所述第一级差分放大单元的输出端，其漏极连接第八PMOS管(M16)的源极和第四PMOS管(M6)的漏极。
2.根据权利要求1所述的具有限流和钳位功能的误差放大器，其特征在于，所述第一级差分放大单元包括第一三极管(Q1)、第二三极管(Q2)、第五NMOS管(M12)、第六NMOS管(M13)、第九PMOS管(M8)、第十PMOS管(M9)、第十一PMOS管(M10)和第十二PMOS管(M11)，
第一三极管(Q1)的基极作为所述第一级差分放大单元的正相输入端，其发射极连接第二三极管(Q2)的发射极并连接所述偏置电流单元中第二NMOS管(M4)的漏极，其集电极连接第十PMOS管(M9)的栅极和漏极以及第九PMOS管(M8)的栅极；
第二三极管(Q2)的基极作为所述第一级差分放大单元的反相输入端，其集电极连接第十一PMOS管(M10)的栅极和漏极以及第十二PMOS管(M11)的栅极；
第六NMOS管(M13)的栅极连接第五NMOS管(M12)的栅极和漏极以及第九PMOS管(M8)的漏极，其源极连接第五NMOS管(M12)的源极并接地(GND)，其漏极连接第十二PMOS管(M11)的漏极并作为所述第一级差分放大单元的输出端；
第九PMOS管(M8)、第十PMOS管(M9)、第十一PMOS管(M10)和第十二PMOS管(M11)的源极连接电源电压(VCC)。
3.根据权利要求1所述的具有限流和钳位功能的误差放大器，其特征在于，所述第一级差分放大单元包括第四三极管(Q4)、第五三极管(Q5)、第十三PMOS管(M19)和第十四PMOS管(M20)，
第四三极管(Q4)的基极作为所述第一级差分放大单元的反相输入端，其发射极连接第五三极管(Q5)的发射极并连接所述偏置电流单元中第二NMOS管(M4)的漏极，其集电极连接第十三PMOS管(M19)的栅极和漏极以及第十四PMOS管(M20)的栅极；
第五三极管(Q5)的基极作为所述第一级差分放大单元的正相输入端，其集电极连接第十四PMOS管(M20)的漏极并作为所述第一级差分放大单元的输出端；
第十三PMOS管(M19)和第十四PMOS管(M20)的源极连接电源电压(VCC)。
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