CN113411058A - 数字可编程的全微分误差放大器 - Google Patents

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Abstract

一种误差放大器电路接收第一和第二输入信号，并提供表示第一和第二输入信号之间差值的误差放大器输出信号。误差放大器电路实现具有微分输入信号路径的比例积分‑微分器(PID)电路，并且包括一个比例放大器电路、一个积分‑放大器电路和一个微分‑放大器电路。微分放大器电路接收交流耦合输入信号。误差放大器电路将来自比例放大器电路、积分放大器电路和微分放大器电路的输出求和，以提供误差放大器输出信号，其中误差放大器输出信号参考到第一偏压。

Description

数字可编程的全微分误差放大器
技术领域
本发明涉及一种误差放大器电路及其方法，尤其涉及一种全微分误差放大器。
背景技术
笔记本电脑等电子系统，通常含有电源管理集成电路，用于调节电子系统的功率使用。此外，引入集成电路的电子系统，通常采用电压调制器将供电系统电源的主母线电压转换为一个或多个驱动集成电路所必需的电压。例如，提供给电子系统的5伏电源电压可能需要降低到1.8伏，以驱动电子系统中的集成电路。嵌入式系统，例如物联网(IoT)设备，包括处理器(或微控制器)和本地存储器，耦合到组件上并执行嵌入式软件来执行某些任务。实际上，处理器电源由电压调制器提供，电压调制器将电源的输入电压转换为处理器指定的电压值。
开关模式电源或开关调制器，也被称为直流到直流转换器，是一种通常用于在集成电路所选的电压水平下，将输入端电源电压转换成所需的输出电压的一种电压调制器。在一个示例中，一个12伏或5伏的电源电压可以降低至1伏，以便为嵌入式处理器供电。开关调制器通过电容器、电感器和变压器等低损耗元件提供电源功能，接通或断开电源开关，将能量以分离的封装包形式从输入端转移到输出端。反馈控制电路用于调制能量转移，将稳定的输出电压保持在电路所需的负载极限内。
一些开关调制器采用脉冲宽度调制(PWM)来控制功率开关的工作周期。也就是说，通过调节脉冲宽度，可以在给定的固定频率或可变频率下控制功率开关的导通时间。采用PWM控制的开关调制器包括PWM控制器或调制器，以驱动包括功率开关的功率块、用于功率开关的驱动电路和LC滤波电路。在某些情况下，开关调制器是一个单相位转换器，PWM控制器产生一个单相位PWM时钟信号，驱动单相位功率模块。在其他情况下，开关调制器是一个多相位转换器，多相位PWM控制器产生具有不同相移的时钟信号，以驱动多相位功率模块，每个时钟信号驱动相应的功率模块单元。当电压调制器必须在宽范围的负载条件下以高精度地传输调制后的输出电压时，多相位PWM控制器是十分必要的。
所有开关电源都需要一个放大器将输出电压或电流与目标参考值作比较。输出电压和目标参考值之间的任何差异，即误差，用于将输出电压校正到所需的目标参考值。误差放大器是开关电源控制回路的基础。误差放大器需要特定的频域调谐，使用极点和零点来补偿控制回路。补偿通常是通过一个离散的无源电阻和电容网络以各种方式缠绕在放大器周围来实现的。一些补偿集成在硅上，并进行数字编程，以减少外部元件的数量和焊接的需要。
发明内容
本发明涉及一种误差放大器电路，用于接收第一和第二输入信号，并提供一个误差放大输出信号，表示第一和第二输入信号之间的差值，该误差放大器电路包括：
一个第一分压器，耦合在第一输入信号和第一地电压之间，第一分压器的第一输出节点提供与第一输入信号相关并参考第一地电压的第一输出信号；
一个第二分压器，耦合在第二输入信号和第二地电压之间，第二分压器的第二输出节点提供与第二输入信号相关并参考第二地电压的第二输出信号；以及
一个比例-积分-微分器(PID)电路，具有微分输入信号路径，以接收第一输出信号和第二输出信号，PID电路包括一个比例放大器电路，一个积分放大器电路和一个微分放大器电路，每个比例放大器电路和积分放大器电路接收第一和第二输出信号作为各自的输入信号，微分放大器电路接收第一输出信号和通过交流耦合接收第二输出信号作为输入信号，比例放大器电路、积分放大器电路和微分放大器电路具有共同连接到误差放大器输出节点的输出端子，以提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考到第一偏置电压。
其中第一输入信号包括一个参考信号，表示耦合驱动负载的调制后输出电压所需的电压电平，第一输出信号包括一个与参考信号有关的参考电压，并且参考到第一地电压；并且其中第二输入信号包括一个传感电压，表示负载处的调制输出电压，传感电压参考到第一地电压，第二输出信号包括一个表示传感电压的反馈电压，并且参考到第二地电压。
其中误差放大器输出信号表示参考电压和反馈电压之间的差值。
其中比例放大器电路包括：
一个第一跨导放大器，具有一个非反向输入端子，耦合接收第一输出信号，以及一个反向输入端子，耦合接收第二输出信号，第一跨导放大器具有一个输出端子，提供第一输出电流信号，与第一输出信号和第二输出信号之间的差值成比例，输出端子耦合到误差放大器输出节点上；以及
一个第一电阻器，耦合在第一跨导放大器的输出端子和第一偏压之间。
其中积分放大器电路包括：
一个第二跨导放大器，具有一个非反向输入端子，通过耦合接收第一输出信号，以及一个反向输入端子，通过耦合接收第二输出信号，第二跨导放大器具有一个输出端子，提供第二输出电流信号，与第一输出信号和第二输出信号之间的差值成比例；
一个第一电容器具有一个第一端子，耦合到第二跨导放大器的输出端子上，以及一个第二端子，耦合到第一偏压上，第一电容器积分第二输出电流信号；以及
一个第三跨导放大器，具有一个非反向输入端子，耦合到第一电容器的第一端子上，以及一个反向输入端子，耦合到第一偏压上，第三跨导放大器具有一个输出端子，提供一个第三输出电流信号，与第一电容器上的电压和第一偏压之间的差值成比例，第三跨导放大器的输出端子耦合到误差放大器的输出节点上。
其中微分放大器电路包括：
一个第二电容器具有一个第一端子和一个第二端子，第一端子通过耦合接收第二输出信号；
一个第四跨导放大器，具有一个非反向输入端子，通过耦合接收第一输出信号，以及一个反向输入端子，耦合到第二电容器的第二端子上，以接收交流耦合的第二输出信号，一个第二电阻器耦合在第四跨导放大器的非反向输入端子和反向输入端子之间，第四跨导放大器具有一个输出端子，通过第四输出电流信号，与第一输出信号和交流耦合的第二输出信号之间的差值成比例，第四跨导放大器的输出端子耦合到误差放大器输出节点上；以及
一个第三电容器，耦合在第四跨导放大器的输出端子和第一偏压之间，
其中第一、第三和第四跨导放大器的输出端子耦合到误差放大器输出节点上，以提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考到第一偏压上。
其中第一分压器包括一个第三电阻器和一个第四电阻器串联在第一输入信号和第一地电压之间，第一输出节点在第三和第四电阻器之间提供第一输出信号；第二分压器包括一个第五电阻器和一个第六电阻器串联在第二输入信号和第二地电压之间，第二输出节点在第五和第六电阻器之间提供第二输出信号，其中第三和第五电阻器具有相同的电阻值，第四和第六电阻器具有相同的电阻值。
其中还包括：一个电流传感放大器，具有一个非反向输入端子，通过耦合接收指示调制后的输出电压的第三输入信号，以及一个反相输入端子，通过耦合接收第二输入信号，第二输入信号包括在负载处表示调制后的输出电压的传感电压，电流传感放大器在一对微分输出端子上提供一对微分输出电流，指示第三输入信号和第二输入信号之间的差值，该对微分输出电流包括耦合到第一分压器的输出节点的第一微分输出电流和耦合到第二分压器的输出节点的第二微分输出电流。
其中第一分压器包括一个第三电阻器和一个第四电阻器，串联在第一输入信号和第一地电压之间，第一输出节点提供在第三和第四电阻器之间的第一输出信号；第二分压器包括一个第五电阻器和一个第六电阻器，串联在第二输入信号和第二地电压之间，第二输出节点提供在第五和第六电阻器之间的第二输出信号。
其中第三电阻器包括一个第七电阻器和一个第八电阻器，串联在第一输入信号和第一输出节点之间，第五电阻器包括一个第九电阻器和一个第十电阻器，串联在第二输入信号和第二输出节点之间，第一微分输出电流耦合到第七和第八电阻器之间的一个节点上，第二微分输出电流耦合到第九和第十电阻器的一个节点上。
其中微分放大器电路接收第七和第八电阻器之间的节点处的第一输出信号，并且接收第九和第十电阻器之间的节点处通过交流耦合的第二输出信号。
其中第三和第五电阻器具有相同的电阻值，第七电阻器和第九电阻器具有相同的电阻值。
其中每个第一、第二、第三和第四跨导放大器都包括一个运算跨导放大器。
其中第一偏压具有一个大于0V的正电压值。
本发明还涉及一种误差放大器的方法，用于接收第一和第二输入信号，并提供一个误差放大器输出信号，表示第一和第二输入信号之间的差值，该方法包括：
产生一个第一输出信号，表示第一输入信号并参考到第一地电压；
产生有第二输出信号，表示第二输入信号并参考到第二地电压；
在输出节点处产生一个比例电流输出信号，表示第一输出信号和第二输出信号之间的差值；
在输出节点处产生一个积分电流输出信号，表示第一输出信号和第二输出信号之间的差值的时间积分；
在输出节点处产生一个微分电流输出信号，表示第一输出信号和交流耦合的第二输出信号之间的差值；并且
对输出节点处的比例电流输出信号、积分电流输出信号和微分电流输出信号求和，以便提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考到第一偏压。
其中第一偏压为大于0V的正电压值。
其中第一输入信号包括一个参考信号，表示通过耦合驱动负载的调制后输出电压所需的电压电平，第一输出信号包括一个与参考信号有关的参考电压，参考到第一地电压；以及其中第二输入信号包括一个传感电压，表示负载处的调制输出电压，传感电压参考到第一地电压，第二输出信号包括一个反馈电压，表示传感电压并参考到第二地电压。
其中还包括：提供一对微分输出电流，表示调制输出电压和传感电压之间的差值，传感电压表示负载处的调制输出电压；并且
提供一对微分输出电流，包括耦合到第一输出信号上的第一微分输出电流，以及耦合到第二输出信号上的第二微分输出电流。
其中还包括：利用一个耦合在第一输入信号和第一地电压之间的第一分压器，产生第一输出信号，第一分压器包括一个第一电阻器和一个串联的第二电阻器；
利用一个耦合在第二输入信号和第二地电压之间的第二分压器，产生第二输出信号，第二分压器包括一个第三电阻器和一个串联的第四电阻器；
在第一分压器的第一电阻器和第二电阻器之间的节点处，提供第一输出信号，并且在一个节点处提供第一微分输出电流，该节点具有的电阻值为第一电阻器阻值的一部分；并且
在第二分压器的第三电阻器和第四电阻器之间的节点处，提供第二输出信号，并且在一个节点处提供第二微分输出电流，该节点具有的电阻值为第三电阻器阻值的一部分。
其中在输出节点处产生一个微分电流输出信号，表示第一输出信号和交流耦合的第二输出信号之间的差值，包括：
在输出节点处产生一个微分电流输出信号，表示具有第一电阻器的部分阻值的节点处的信号，与具有第三电阻器的部分阻值的节点处的信号之间的差值。
附图说明
以下的详细说明及附图提出了本发明的各个实施例。
图1表示在一些示例中，一种电压调制器的示意图。
图2表示在一些示例中，一种带有补偿网络的单端误差放大器的电路图。
图3表示在一些示例中，一种带有补偿网络的单端电流传感放大器输出级的电路图。
图4包括图4(a)和4(b)，表示在一些示例中，可以引入到求和放大器中的A类和AB类输出级的示例。
图5表示在一些示例中，由于使用单端误差放大器而导致的电压调制器中不期望的输出电压行为的图示。
图6表示在本发明的实施例中，全微分误差放大器电路的电路图。
图7表示在本发明的实施例中，全微分误差放大器电路的电路图。
图8包括图8(a)和8(b)，表示在一些实施例中，图7所示的误差放大器电路的补偿控制回路的频率响应。
图9包括图9(a)，表示在本发明的可选实施例中，全微分误差放大器电路的电路图。
图10表示在本发明的实施例中，一种误差放大器方法的流程图。
具体实施方式
依据本发明的实施例，误差放大器电路接收第一和第二输入信号，并提供指示第一和第二输入信号之间的差的误差放大器输出信号。误差放大器电路实现具有微分输入信号路径的比例积分-微分(PID)电路，并且包括比例放大器电路、积分-放大电路和微分-放大器电路。微分放大器电路接收交流耦合输入信号。误差放大器电路将来自比例放大器电路、积分放大器电路和微分放大器电路的输出相加，以提供误差放大器输出信号，其中误差放大器输出信号参考第一偏置电压。
本发明所述的误差放大器电路的一个显著特征是，采用全微分电压和/或电流结构来实现误差放大器电路，以便从每个输入到输出实现匹配的传递函数。全微分误差放大器可以利用电流传感放大器实现，不使用任何地面参考NMOS或NPN输出级，这消除了任何的低共模操作问题。本发明所述的误差放大器电路与传统误差放大器相比，实现了许多优点。首先，误差放大器电路排除了在负载点需要高精度的系统中微分到单端求和放大器的必要性。第二，这样实现的误差放大器电路在需要电流反馈的情况下，也消除了对双向(拉-拉)电流传感放大器的需要，这将在下面更详细地讨论。最后，误差放大电路允许简单的回路补偿，其中每个部分的补偿波特图是独立的，可编程正交于其他，使回路补偿更容易实现。
图1表示在一些示例中，一种电压调制器的示意图。确切地说，图1所示的电压调制器采用脉宽调制(PWM)来控制电源开关的工作周期。给定的脉冲宽度或给定的脉冲宽度可由开关控制。采用PWM控制的电压调制器包括PWM控制器或PWM调制器以驱动包括功率开关的功率块、用于功率开关的驱动电路和LC滤波电路。在图1所示的示例中，电压调制器是一个单相转换器，包括一个单相PWM调制器，它产生一个单相PWM时钟信号来驱动单相电源块。在其它示例中，电压调制器可实施为多相转换器且包括多相PWM调制器，其产生具有不同相移的时钟信号，以驱动多相功率块，每个时钟信号驱动相应的功率块单元。本发明所述的误差放大器电路可并入单相转换器或多相转换器中，以实现反馈控制回路。单相调制器的使用仅用于解释说明，并不用于限制。电压调制器的具体配置对于本发明的误差放大器电路的实现不是关键的。
参照图1，电压调制器10包括耦合以驱动功率块的单相调制器14，功率块包括功率级16以及相关联的输出电感器L1和输出电容器COUT。更具体地说，电压调制器10在输入节点17上接收输入电压VIN，并在输出节点18上生成经调节的输出电压VOUT以向负载20供电。调制器14提供PWM信号以驱动功率级16。功率级16包括一对串联连接的功率开关，其由PWM信号接通和断开，以便参照目标电压调节输出电压VOUT。具体地，功率级16中的功率开关交替地接通和断开，以便在开关输出节点处产生开关输出电压。输出电感器L1耦合到功率级16的开关输出节点和输出电容器COUT上。输出电感器L1和输出电容器COUT形成LC电路，用于在保持基本恒定的输出电压VOUT的同时向输出节点18提供电流。输出电压VOUT可用于驱动负载20。
电压调制器10实现反馈控制回路，以调节输出电压VOUT。为此，调制器14在输出节点18或负载20处接收指示经调节的输出电压VOUT的反馈电压VFB。在一些示例中，反馈电压VFB是输出电压VOUT的降压电压。调制器14还接收指示调节输出电压所需的电压值的目标电压VTARG。在一些示例中，目标电压调制器可由所述目标电压信号表示。例如，当应用于移动电压定位时，调制器14可以接收电压识别(VID)码，该码告诉调制器它应该提供什么输出电压。每个VID码都与一个电压值相关联。解码器解码代码，以产生目标电压。
调制器14包括实现电压调制器的反馈控制回路，以产生PWM信号驱动功率级16的电路。确切地说，调制器14包括耦合一个误差放大器12，以将反馈电压VFB与目标电压VTARG进行比较，产生控制回路误差信号VCOMP。误差信号VCOMP可以是电压信号或电流信号。例如，误差放大器12产生输出电流，该输出电流可由耦合到误差放大器12的输出端的回路滤波器转换为电压信号。误差信号VCOMP被提供给控制电路15，控制电路15可以至少包括调制比较器和锁存电路，以产生PWM信号。
电压调制器中用于实现反馈控制回路的传统误差放大器通常是单端系统。通常来说，单端误差放大器和相关的补偿网络都是单端的。单端系统通过反馈路径具有不同的传递函数，在一定条件下会导致系统的动态性能较差。图2表示在一些示例中带有补偿网络的单端误差放大器的电路图。参考图2，单端误差放大器25接收单端输入信号-检测电压Vsen和目标电压Vtarg-并提供单端输出Vcomp。
在本示例中，目标电压Vtarg由数字控制电路21提供的数字目标电压代码指示，该数字目标电压代码表示期望的调制器输出电压。使用数模转换器(DAC)22将目标电压代码转换为模拟电压信号Vdac。使用微分求和放大器24将电压信号Vdac与地电位Rgnd求和，以产生目标电压Vtarg，这将在下文更详细地解释。更确切地说，在误差放大器25处，接收传感电压Vsen的反向输入端，需要将传感电压Vsen和来自单端电流传感放大器(CSA)26的反馈电流相加。同时，接收目标电压Vtarg的误差放大器25的非反向输入端子需要将信号Vdac和地电位Rgnd相加。
在本说明书中，传感电压Vsen是指在负载处测量的反馈电压。确切地说，提供调制后的输出电压VOUT的电压调制器通常远离其提供电源的负载(例如CPU)。从负载(CPU)向电压调制器提供反馈电压。在本说明书中，该反馈电压被称为传感电压Vsen。对于高精度系统，反馈电压是一个微分信号，包括在测量点(即负载处)的感应电压和接地电压。也就是说，在负载(CPU)处测量传感电压Vsen。由于负载处的地电位(例如CPU的PC板)可能与电压调制器处的地电位不同，因此负载处的地电位Rgnd也会反馈。在某些情况下，负载的地电位和电压调制器的地电位之间可能存在几毫伏的差异。在需要高精度电压调节的情况下，需要根据负载的地电位来调整目标电压Vtarg。也就是说，目标电压Vtarg表示为：Vtarg＝Vdac+Rgnd。例如，如果Vdac是1V，Rgnd是0.01V，则Vtarg是1.01V。因此，在常规配置中，微分求和放大器24用于将地电位Rgnd与信号Vdac求和，以获得误差放大器25的目标电压Vtarg。
误差放大器25的电路配置导致两个信号路径，每个信号路径具有不同的传递函数。确切地说，用于传感电压Vsen的反馈信号路径(线路27)具有与用于目标电压Vtarg的参考信号路径(线路28)不同的传递函数。两个信号路径之间的不同传递函数在动态操作期间产生不期望的输出响应，并且可能导致输出信号VCOMP的不良频率响应。此外，当需要诸如微分求和放大器24之类的附加放大器来组合微分反馈信号时，放大器通常必须工作到地电位，这是困难的并且可能需要负电压轨，这在计算系统上不可用。在理想操作中，如果误差放大器的输入是平衡的，也就是说，两个输入是相同的并且没有误差，那么输出信号VCOMP应该处于给定的电压(不是零)。该条件可在误差放大器25处得到满足。但是，在微分求和放大器24处不能实现该条件。在微分求和放大器24处，如果信号Vdac接地或接近接地，则电路需要将目标电压Vtarg驱动到接地，这是很难做到的。
在传统情况中，当需要电流反馈时，单端电流传感放大器26用于提供电流反馈。电流传感放大器26比较负载(Vsen)处传感的电压和电压调制器处的输出电压(Vout+Iout*DCR)。电流传感放大器26提供单端反馈电流输出。图3表示在一些示例中，一种单端电流传感放大器输出级的电路图。参考图3，电流传感放大器26通常包括单端输出级。单端输出级通常是利用PMOS和NMOS晶体管的“推拉”或AB类输出级。在实践中，PMOS和NMOS晶体管在三极管模式下偏置时工作不好(即过饱和)。
当误差放大器是单端电压反馈放大器时。对于需要微分遥感以获得精度(例如用于传感Intel CPU负载)的系统，都需要额外的微分放大器，例如微分求和放大器24(图2)。微分求和放大器需要额外的硅面积，并增大电流。在某些情况下，微分求和放大器在低共模输出时会出现增益或精度损失。图4包括图4(a)和4(b)，说明了在一些示例中可并入求和放大器的A类和AB类输出级的示例。参考图4，求和放大器24将微分反馈转换为单端输出信号。求和放大器的输出级可以是A类输出级(图4(a))或AB类输出级(图4(b))。一般来说，如果MOS器件处于饱和状态，则放大器工作得很好。如果MOS器件在三极管区偏置，则增益变化很大，工作不稳定。在输出电压接近地面或地面时(例如备用电压Vtarg为0V)，单端放大器的精度较差。
图5表示在一些示例中，由于使用单端误差放大器而导致的电压调制器中不期望的输出电压行为的图示。参考图5，目标电压Vtarg(曲线41)由虚线表示，输出电压Vout(曲线42)由实线表示。目标电压Vtarg从0V的初始状态开始，随着时间的推移增加到给定的期望输出电压值，然后随后降低到另一期望输出电压值。
因为误差放大器处的反馈信号通路和参考信号通路具有不对称的频率响应。结果是电压调制器在低目标电压下调节不良。因此，在目标电压Vtarg的低值下，误差放大器不稳定并且输出电压没有被很好地调节。此外，不良的频率响应导致输出电压Vout不能跟随目标电压Vtarg。如图5所示，输出电压Vout具有失调和不稳定恢复的周期。在初始环路恢复期间，输出电压可能具有过大的dV/dt，并且可能显著地超过目标电压。不对称的频率响应也导致较差的动态回转和输出电压可以是非单调的。所有这些行为对电压调制器来说都是不可取的。
在本发明的实施例中，使用全微分输入信号路径来实现误差放大器电路。本发明的误差放大器电路克服了传统单端误差放大器电路的许多缺点，并且在并入电压调制器时提供了更鲁棒的整体解决方案。在一些实施例中，本发明的误差放大器电路可以仅使用输出级中的PMOS晶体管与电流传感放大器协作。本发明所述的误差放大器电路提供了单位面积的高精度。本发明的误差放大器电路能够实现远程地电位与目标电压的自然混合，并且不需要微分求和放大器来将远程地电位与目标电压求和。此外，本发明的误差放大器电路具有可以工作到地电位的输入，以实现全误差放大器操作，同时提供远离地电位的安全共模输出电压。确切地说，误差放大器可以被偏置到公共偏置电压(例如2V)，这确保放大器没有任何输出共模问题。在一些实施例中，使用简化了总体设计和环路补偿的运算跨导放大器电路来实现误差放大器电路。例如，运算跨导放大器的箝位要比电压模式运算放大器容易得多。
图6表示本发明实施例中的全微分误差放大器电路的电路图。参考图6，提供全微分误差放大器电路45，以将反馈电压与目标电压进行比较，并生成指示反馈电压与目标电压之间的差的误差放大器输出信号。在本发明的实施例中，反馈电压测量电子系统中的感兴趣电压，并且目标电压指示感兴趣电压的期望电压电平。例如，感兴趣的电压可以是由电压调制器产生并被应用于驱动负载(例如CPU)的调制后的输出电压(VOUT)。反馈电压表示测量负载处的调节输出电压的传感电压。目标电压表示调制输出电压所需的电压电平。在一些实施例中，目标电压由从数字目标电压码导出的模拟电压信号生成。
在本发明的实施例中，误差放大器电路45被实现为具有全微分输入信号路径的比例-积分-微分器(PID)电路50。PID电路50包括比例放大器电路52、积分放大器电路53和微分放大器电路51。指示目标电压码的信号Vdac(节点56)被提供给由电阻器R11形成的分压器并被偏置到远程地电位Rgnd(节点64)，以产生目标电压Vtarg(节点60)。因此，目标电压Vtarg(节点60)参考远程地电位Rgnd(节点64)。指示在负载处测量的感兴趣的电压的反馈电压的传感电压Vsen(节点58)被提供给由电阻器R11形成的分压器并被偏置到局部地电位(节点67)以产生反馈电压VFB(节点62)。目标电压Vtarg和反馈电压VFB被提供给PID电路50。误差放大器电路45的PID电路50对来自比例放大器电路52、积分放大器电路53和微分放大器电路51的输出求和，以提供误差放大器输出信号VCOMP(节点55)。在本发明的实施例中，误差放大器输出信号VCOMP参考具有大于0V的正电压值的第一偏置电压。在这种情况下，误差放大器电路的输出共模被安全地偏置远离地电位。在本发明的实施例中，微分放大器电路51通过交流耦合接收传感电压信号Vsen，这将在下文进行更详细地解释。
在一些实施例中，误差放大器电路45包括微分电流反馈电路65。微分电流反馈电路65将感兴趣的电压(节点57)(例如电压调制器的输出电压VOUT)与作为在负载处测量的感兴趣的电压的反馈电压的传感电压Vsen(节点58)进行比较。微分电流反馈电路65提供微分电流I_diffp和I_diffn(66)作为输出信号。微分电流I_diffp和I_diffn被提供给全微分PID电路50。微分电流反馈电路65是可选的，并且当需要电流反馈时可以包括微分电流反馈电路65。在一些实施例中，可以省略微分电流反馈电路65。
图7表示在本发明实施例中，一种全微分误差放大器电路的电路图。参考图7，全微分误差放大器电路70包括由电阻器R11形成的第一分压器，用于接收电压信号Vdac(节点76)和生成目标电压Vtarg(节点80，参考远程地电位Rgnd(节点84))。误差放大器电路70还包括由电阻器R11形成的第二分压器，该第二分压器用于接收传感电压信号Vsen(节点78)并生成参考本地地电位的目标反馈VFB(节点82)(节点87)。在一些示例中，传感电压指示在负载处测量的感兴趣电压的反馈电压，并且电压信号Vdac指示感兴趣电压的期望电压电平。第一和第二分压器形成微分分压器。如上所述，远程地电位Rgnd是负载处的地电位。
误差放大器电路70包括由具有gm_p增益的运算跨导放大器(OTA)形成的比例放大器电路72。比例放大器电路72具有耦合以接收目标电压Vtarg的非反相输入端子，通过耦合以接收反馈电压VFB的反相输入端子。比例放大器电路72在节点75上提供一个输出电流信号，表示目标电压Vtarg和反馈电压VFB之间的差值。
误差放大器电路70包括由积分放大器74和缓冲器79形成的积分放大器电路73。积分放大器74是具有gm_i增益的运算跨导放大器(OTA)，积分放大器74接收与比例放大器电路72相同的输入信号。确切地说，积分放大器74具有耦合以接收目标电压Vtarg的非反相输入端子，通过耦合以接收反馈电压VFB的反相输入端子。积分放大器74在节点92上提供一个输出电流信号，指示目标电压Vtarg和反馈电压VFB之间的差值。节点92上的输出电流信号与电容器Ci积分，耦合在节点92和偏置到偏置电压Vbias的偏置电压节点95之间。节点92上的积分信号耦合到缓冲器79的非反相输入端子。缓冲器79的反相输入端子耦合到偏置电压节点95。缓冲器79在节点75上提供一个输出电流信号，指示积分信号(节点92)和偏置电压Vbias(节点95)之间的差值。
误差放大器电路70包括由具有gm_d增益的运算跨导放大器(OTA)形成的微分放大器电路71。微分放大器电路71通过交流耦合，具有耦合以接收目标电压Vtarg的非反相输入端子和耦合以接收反馈电压VFB的反相输入端子。确切地说，反馈电压VFB耦合到电容器Cd1的第一板。电容器Cd1(节点90)的第二板耦合到微分放大器电路71的反相输入端子。电阻器Rd耦合在非反相和反相输入端子(节点80和90)之间。微分放大器电路71在节点75上提供一个输出电流信号，指示目标电压Vtarg和交流耦合反馈电压VFB之间的差值。在操作中，微分放大器电路71接收交流耦合的传感电压信号Vsen。因此，微分放大器电路71在直流处不提供信号并且在高频处提供输出信号。也就是说，当传感电压Vsen快速变化时，微分器放大器电路71将响应，以提供一个输出信号。
来自比例放大器电路72、积分放大器电路73和微分放大器电路71的输出电流信号在节点75处求和。电阻器Rp和电容器Cd2并联连接在求和节点75和偏置电压节点95之间。结果，求和的电流信号被转换为作为误差放大器输出信号VCOMP的电压信号。特别地，误差放大器输出信号Vcomp参考偏置电压Vbias。在一些实施例中，偏置电压Vbias是大于0V的正电压，误差放大器输出信号VCOMP参考偏置电压Vbias，以便即使在由误差放大器输出测量的误差为零时，也保持由信号VCOMP驱动的器件处于饱和偏置状态。例如，当反馈电压VFB等于目标电压Vtarg时，因为没有误差，则PID电路没有电流输出。在这种情况下，误差放大器输出电压VCOMP保持在偏置电压Vbias处，使得由误差放大器输出信号驱动的所有晶体管在饱和状态下良好地偏置。
在本发明的实施例中，分压器具有相同的电阻值，由电阻器R11表示。在这种情况下，反馈信号路径(Vsen)和参考信号路径(Vdac)具有相同的电阻值，使得两个信号路径很好地匹配。在本实施例中，使用具有相同电阻值的电阻器R11形成分压器。在另一实施例中，可以使用电阻器R11与电阻器R12(未显示)串联形成分压器，电阻器R11和R12具有不同的电阻值。在这种情况下，将使用电阻器R11和R12形成两个分压器，以确保匹配的信号路径。
在本发明的实施例中，可以使用传统的运算跨导放大器架构和标准匹配技术来实现误差放大器电路70。微分分压器可以利用过程匹配来实现高匹配电阻值。最后，误差放大器的电路结构在很大程度上与过程无关，并且电路性能不会随过程的变化而变化很大。
图8包括图8(a)和8(b)，表示在一些实施例中，图7所示的误差放大器电路的补偿控制回路的频率响应。确切地说，图8表示可作为图7的误差放大器电路的电路布置的结果来实现的类型III补偿调谐。参考图8，来自比例-积分-微分放大器电路的输出电流相加，使得低通滤波器(积分器)、平坦增益(比例)和高通滤波器(微分器)(图8(a))产生图8(b)中所示的III型补偿频率响应。
更具体地说，积分放大器电路提供一个低通滤波器频率响应EA_i，比例放大器电路提供平坦增益频率响应EA_p，微分放大器电路提供高通滤波器频率响应EA_d。当输出电流被求和时，图8(b)中的频率响应(曲线98)产生结果。误差放大器输出信号的频率响应(曲线98)有3个极点(fp1、fp2和fp3)和2个零点(fz1和fz2)。
在一些实施例中，频率响应中极点和零点的位置表示如下：
fp1＝1/(2π·ro·Ci)；
fz1二gm_i/(2π·gm_p·Ci)
Figure BDA0002970068020000141
fp2＝1/(2π·Rd·Cd1)
fp3＝1/(2π·Rp·Cd2)
中频增益为gm_p1.Rp，高频增益为gm_d.Rp。
如这样构造的，本发明的误差放大器电路在传感电压Vsen和目标电压Vtarg之间具有频率响应，该频率响应是良好平衡的，使得感兴趣的电压(例如电压调制器的调制后的输出电压VOUT)可以跟随目标电压。
图9包括图9(a)，表示在本发明的可选实施例中的全微分误差放大器电路的电路图。图9表示图7所示的误差放大器电路的扩展。为了简化讨论，图7和图9中的类似元素被给出了类似的参考号。参考图9，误差放大器电路70以与图7所示相同的方式构造，并且包括比例放大器电路72、积分放大器电路73和微分放大器电路71。信号Vdac由数字电路100提供的数字目标电压代码生成。数字目标电压代码被提供给数字到模拟转换器(DAC)102，以被转换为信号Vdac(节点76)。
在本实施例中，误差放大器电路70被实现为包括微分电流反馈。为此，微分电流传感放大器105用于比较指示感兴趣的电压的信号(非反相输入端子122)和测量负载处的感兴趣的电压的传感电压Vsen(反相输入端子79)。微分电流传感放大器105提供微分电流I_diffp和I_diffn作为输出信号。在一些实施例中，微分电流I_diffp和I_diffn分别耦合到目标电压节点80和反馈电压节点82。在本实施例中，分压器的第一电阻器R11被分压，并且微分反馈电流被提供给电阻器R11的电阻值的一部分。
确切地说，节点76(Vdac)和节点84(Rgnd)之间的第一分压器包括一个连接在节点76(Vdac)和节点80(Vtarg)之间的第一电阻器R11。第一电阻器R11被分为两个串联的电阻器K×R11和(1–K)×R11，其中K是介于0和1之间的数字，使得两个电阻器的总电阻与第一电阻器R11相同。同时，节点79(Vsen)和节点87(地)之间的第二分压器包括一个连接在节点79(Vsen)和节点82(VFB)之间的第二电阻器R11。第二电阻器R11被分为两个串联的电阻器K×R11和(1–K)×R11，其中K是介于0和1之间的数字，使得两个电阻器的总电阻与第二电阻器R11相同。
在本发明的实施例中，将微分电流I_diffp和I_diffn注入分割电阻器。也就是说，微分电流I_diffp耦合到第一分压器中的电阻器K×R11和(1–K)*R11之间的节点81，并且微分电流I_diffn耦合到第二分压器中的电阻器K×R11和(1–K)*R11之间的节点83。换言之，电流传感放大器105将微分电流I_diffp吸收到信号Vdac中，并且将微分电流I_diffn源于传感电压Vsen。此外，当比例放大器电路72和积分放大器电路73接收目标电压Vtarg(节点80)和反馈电压VFB(节点82)时，微分放大器电路71接收来自分离电阻器的输入信号。也就是说，微分器放大器电路71具有耦合到第一分压器中的分割电阻器K×R11和(1–K)*R11之间的节点81的非反相输入端子。微分放大器电路71还具有通过电容器Cd1耦合到第二分压器中的分割电阻器K×R11和(1–K)*R11之间的节点83的反相输入端子。在这种情况下，微分电流反馈被提供给误差放大器电路70。反馈提供给误差放大器电路的信号Vdac的电流，补偿了电路中的偏移。
在图9所示的实施例中，误差放大器电路70应用于产生调制后的输出电压VOUT的电压调制器的反馈控制回路中。电压调制器电路的典型实施例如图9(a)所示。
参考图9(a)，电压调制器配置为接收输入电压VIN并产生调制后的输出电压VOUT。误差放大器输出信号VCOMP(节点75)耦合到调制器110，调制器110生成用于驱动包括一对功率开关的功率级114的PWM信号(节点112)。功率级114耦合在输入电压VIN和地电位之间。功率级114产生开关输出电压(节点116)，其耦合到由电感器L1和输出电容器COUT形成的输出滤波电路。在输出节点118处提供的调制后的输出电压VOUT被耦合，以驱动负载120。负载120的位置可以远离电压调制器。
在本实施例中，通过电感器L1的直流电阻(DCR)来测量流过电感器L1的电流。注意，电阻器DCR是电感器L1的寄生电阻，显示在虚线框内，表示电阻器不是实际的电阻器。传感电阻器Rsen和电容器Csen在电感器L1上串联连接。在传感电阻器Rsen和电容器Csen之间的节点122处的信号指示通过电感器L1的直流电阻测量的调制后的输出电压VOUT和输出电流IOUT。也就是说，在耦合到微分电流传感放大器105的非反相输入端子的节点122处，提供信号VOUT+IOUT*DCR。同时，在节点处测量传感电压Vsen，并且将传感电压Vsen(节点79)以及负载处的远程地电位Rgnd(节点84)反馈给误差放大器70。传感电压Vsen(节点79)耦合到第二分压器并且还耦合到微分电流传感放大器105的反相输入端子。远程地电位Rgnd(节点84)被提供给第一分压器，以产生参考远程地电位Rgnd的目标电压Vtarg。
通过这样的配置，误差放大器电路70在PID电路中引入电流反馈，以提供具有更高精度的误差放大器输出信号。
在图9所示的实施例中，电阻器R11被显示为分成两个电阻器K*R11和(1–K)*R11，其中K是介于0和1之间的数字。在一些实施例中，电阻器R11可以被构造为电位计，以在电阻值的中间提供抽头，以使反馈电流吸收或流出。可改变值K以调整提供给微分器放大器电路71的反馈电流的增益。
图10表示在本发明的实施例中，一种误差放大器中方法的流程图。参考图10，误差放大器中的方法200接收第一和第二输入信号并提供一种误差放大器输出信号，指示第一和第二输入信号之间的差值。方法200首先生成指示第一输入信号并参考第一地电位的第一输出信号(202)。然后，方法200生成指示第二输入信号并参考第二地电位的第二输出信号(204)。方法200在指示第一输出信号和第二输出信号之间的差的输出节点处生成比例电流输出信号(206)。方法200还在输出节点处生成积分器电流输出信号，该积分器电流输出信号指示随时间积分的第一输出信号和第二输出信号之间的差(208)。方法200还包括在输出节点处生成微分器电流输出信号(210)，表示第一输出信号和被交流耦合的第二输出信号之间的差值。方法200在输出节点处对比例电流输出信号、积分器电流输出信号和微分器电流输出信号求和，以提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考第一偏置电压。
本发明可以多种方式实现，包括作为一个工艺；一种设备；一个系统；一种物质的组成；一个体现在计算机可读存储介质上的计算机程序产品；和/或一个处理器，例如硬件处理器或处理器设备，一个配置为执行存储在处理器上和/或由耦合到处理器的存储器提供的指令。在本说明书中，这些实现或本发明可能采取的任何其他形式可被称为技术。一般来说，所公开过程步骤的顺序可以在本发明的范围内改变。除非另有说明，例如处理器或存储器之类的被配置为执行任务的组件可以被实现为临时配置为在给定时间执行任务的通用组件，或者被制造来执行任务的特定组件。如本文所用，术语“处理器”是指配置成处理数据(例如计算机程序指令)的一个或多个设备、电路和/或处理核心。
上文提供了对本发明的一个或多个实施例的详细描述以及说明本发明原理的附图。结合这些实施例描述本发明，但是本发明不限于任何实施例。本发明的范围仅受权利要求书的限制，本发明包括许多替代品、修改和等效物。为了提供对本发明的透彻理解，在说明书中阐述了许多具体细节。提供这些细节是为了示例的目的，并且可以根据权利要求实施本发明，而不需要这些特定细节中的一些或全部。为了清楚起见，在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料没有被详细描述，以免对本发明产生不必要的混淆。
提供上述详细描述是为了说明本发明的具体实施例，而不是为了限制。本发明范围内的许多修改和变化都是可能的。本发明由所附权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种误差放大器电路，用于接收第一和第二输入信号，并提供一个误差放大输出信号，表示第一和第二输入信号之间的差值，该误差放大器电路包括：
一个第一分压器，耦合在第一输入信号和第一地电压之间，第一分压器的第一输出节点提供与第一输入信号相关并参考第一地电压的第一输出信号；
一个第二分压器，耦合在第二输入信号和第二地电压之间，第二分压器的第二输出节点提供与第二输入信号相关并参考第二地电压的第二输出信号；以及
一个比例-积分-微分器(PID)电路，具有微分输入信号路径，以接收第一输出信号和第二输出信号，PID电路包括一个比例放大器电路，一个积分放大器电路和一个微分放大器电路，每个比例放大器电路和积分放大器电路接收第一和第二输出信号作为各自的输入信号，微分放大器电路接收第一输出信号和通过交流耦合接收第二输出信号作为输入信号，比例放大器电路、积分放大器电路和微分放大器电路具有共同连接到误差放大器输出节点的输出端子，以提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考到第一偏置电压。
2.权利要求1所述的误差放大器电路，其中第一输入信号包括一个参考信号，表示耦合驱动负载的调制后输出电压所需的电压电平，第一输出信号包括一个与参考信号有关的参考电压，并且参考到第一地电压；并且其中第二输入信号包括一个传感电压，表示负载处的调制输出电压，传感电压参考到第一地电压，第二输出信号包括一个表示传感电压的反馈电压，并且参考到第二地电压。
3.权利要求2所述的误差放大器电路，其中误差放大器输出信号表示参考电压和反馈电压之间的差值。
4.权利要求1所述的误差放大器电路，其中比例放大器电路包括：
一个第一跨导放大器，具有一个非反向输入端子，耦合接收第一输出信号，以及一个反向输入端子，耦合接收第二输出信号，第一跨导放大器具有一个输出端子，提供第一输出电流信号，与第一输出信号和第二输出信号之间的差值成比例，输出端子耦合到误差放大器输出节点上；以及
一个第一电阻器，耦合在第一跨导放大器的输出端子和第一偏压之间。
5.权利要求4所述的误差放大器电路，其中积分放大器电路包括：
一个第二跨导放大器，具有一个非反向输入端子，通过耦合接收第一输出信号，以及一个反向输入端子，通过耦合接收第二输出信号，第二跨导放大器具有一个输出端子，提供第二输出电流信号，与第一输出信号和第二输出信号之间的差值成比例；
一个第一电容器具有一个第一端子，耦合到第二跨导放大器的输出端子上，以及一个第二端子，耦合到第一偏压上，第一电容器积分第二输出电流信号；以及
一个第三跨导放大器，具有一个非反向输入端子，耦合到第一电容器的第一端子上，以及一个反向输入端子，耦合到第一偏压上，第三跨导放大器具有一个输出端子，提供一个第三输出电流信号，与第一电容器上的电压和第一偏压之间的差值成比例，第三跨导放大器的输出端子耦合到误差放大器的输出节点上。
6.权利要求5所述的误差放大器电路，其中微分放大器电路包括：
一个第二电容器具有一个第一端子和一个第二端子，第一端子通过耦合接收第二输出信号；
一个第四跨导放大器，具有一个非反向输入端子，通过耦合接收第一输出信号，以及一个反向输入端子，耦合到第二电容器的第二端子上，以接收交流耦合的第二输出信号，一个第二电阻器耦合在第四跨导放大器的非反向输入端子和反向输入端子之间，第四跨导放大器具有一个输出端子，通过第四输出电流信号，与第一输出信号和交流耦合的第二输出信号之间的差值成比例，第四跨导放大器的输出端子耦合到误差放大器输出节点上；以及
一个第三电容器，耦合在第四跨导放大器的输出端子和第一偏压之间，
其中第一、第三和第四跨导放大器的输出端子耦合到误差放大器输出节点上，以提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考到第一偏压上。
7.权利要求1所述的误差放大器电路，其中第一分压器包括一个第三电阻器和一个第四电阻器串联在第一输入信号和第一地电压之间，第一输出节点在第三和第四电阻器之间提供第一输出信号；第二分压器包括一个第五电阻器和一个第六电阻器串联在第二输入信号和第二地电压之间，第二输出节点在第五和第六电阻器之间提供第二输出信号，其中第三和第五电阻器具有相同的电阻值，第四和第六电阻器具有相同的电阻值。
8.权利要求2所述的误差放大器电路，还包括：
一个电流传感放大器，具有一个非反向输入端子，通过耦合接收指示调制后的输出电压的第三输入信号，以及一个反相输入端子，通过耦合接收第二输入信号，第二输入信号包括在负载处表示调制后的输出电压的传感电压，电流传感放大器在一对微分输出端子上提供一对微分输出电流，指示第三输入信号和第二输入信号之间的差值，该对微分输出电流包括耦合到第一分压器的输出节点的第一微分输出电流和耦合到第二分压器的输出节点的第二微分输出电流。
9.权利要求8所述的误差放大器电路，其中第一分压器包括一个第三电阻器和一个第四电阻器，串联在第一输入信号和第一地电压之间，第一输出节点提供在第三和第四电阻器之间的第一输出信号；第二分压器包括一个第五电阻器和一个第六电阻器，串联在第二输入信号和第二地电压之间，第二输出节点提供在第五和第六电阻器之间的第二输出信号。
10.权利要求9所述的误差放大器电路，其中第三电阻器包括一个第七电阻器和一个第八电阻器，串联在第一输入信号和第一输出节点之间，第五电阻器包括一个第九电阻器和一个第十电阻器，串联在第二输入信号和第二输出节点之间，第一微分输出电流耦合到第七和第八电阻器之间的一个节点上，第二微分输出电流耦合到第九和第十电阻器的一个节点上。
11.权利要求10所述的误差放大器电路，其中微分放大器电路接收第七和第八电阻器之间的节点处的第一输出信号，并且接收第九和第十电阻器之间的节点处通过交流耦合的第二输出信号。
12.权利要求10所述的误差放大器电路，其中第三和第五电阻器具有相同的电阻值，第七电阻器和第九电阻器具有相同的电阻值。
13.权利要求6所述的误差放大器电路，其中每个第一、第二、第三和第四跨导放大器都包括一个运算跨导放大器。
14.权利要求1所述的误差放大器电路，其中第一偏压具有一个大于0V的正电压值。
15.一种误差放大器的方法，用于接收第一和第二输入信号，并提供一个误差放大器输出信号，表示第一和第二输入信号之间的差值，该方法包括：
产生一个第一输出信号，表示第一输入信号并参考到第一地电压；
产生有第二输出信号，表示第二输入信号并参考到第二地电压；
在输出节点处产生一个比例电流输出信号，表示第一输出信号和第二输出信号之间的差值；
在输出节点处产生一个积分电流输出信号，表示第一输出信号和第二输出信号之间的差值的时间积分；
在输出节点处产生一个微分电流输出信号，表示第一输出信号和交流耦合的第二输出信号之间的差值；并且
对输出节点处的比例电流输出信号、积分电流输出信号和微分电流输出信号求和，以便提供误差放大器输出信号，误差放大器输出信号参考到第一偏压。
16.权利要求15所述的方法，其中第一偏压为大于0V的正电压值。
17.权利要求15所述的方法，其中第一输入信号包括一个参考信号，表示通过耦合驱动负载的调制后输出电压所需的电压电平，第一输出信号包括一个与参考信号有关的参考电压，参考到第一地电压；以及其中第二输入信号包括一个传感电压，表示负载处的调制输出电压，传感电压参考到第一地电压，第二输出信号包括一个反馈电压，表示传感电压并参考到第二地电压。
18.权利要求17所述的方法，还包括：
提供一对微分输出电流，表示调制输出电压和传感电压之间的差值，传感电压表示负载处的调制输出电压；并且
提供一对微分输出电流，包括耦合到第一输出信号上的第一微分输出电流，以及耦合到第二输出信号上的第二微分输出电流。
19.权利要求18所述的方法，还包括：
利用一个耦合在第一输入信号和第一地电压之间的第一分压器，产生第一输出信号，第一分压器包括一个第一电阻器和一个串联的第二电阻器；
利用一个耦合在第二输入信号和第二地电压之间的第二分压器，产生第二输出信号，第二分压器包括一个第三电阻器和一个串联的第四电阻器；
在第一分压器的第一电阻器和第二电阻器之间的节点处，提供第一输出信号，并且在一个节点处提供第一微分输出电流，该节点具有的电阻值为第一电阻器阻值的一部分；并且
在第二分压器的第三电阻器和第四电阻器之间的节点处，提供第二输出信号，并且在一个节点处提供第二微分输出电流，该节点具有的电阻值为第三电阻器阻值的一部分。
20.权利要求19所述的方法，其中在输出节点处产生一个微分电流输出信号，表示第一输出信号和交流耦合的第二输出信号之间的差值，包括：
在输出节点处产生一个微分电流输出信号，表示具有第一电阻器的部分阻值的节点处的信号，与具有第三电阻器的部分阻值的节点处的信号之间的差值。
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