CN212305268U

CN212305268U - 一种误差放大电路及电压调节系统

Info

Publication number: CN212305268U
Application number: CN202021105229.9U
Authority: CN
Inventors: 陶万科; 李海茵
Original assignee: Dongguan Changgong Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Dongguan Changgong Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-15

Abstract

本发明涉及开关电源技术领域，尤其是指一种误差放大电路及电压调节系统，第一正向输入端、第二正向输入端以及电阻R1的一端均与参考电压端口连接，第二反向输入端以及电阻R2的一端均与电阻R1的另一端连接，电阻R2的另一端与误差放大输出端口连接，反馈端口通过电阻Rc与第一反向输入端连接，误差放大输出端口通过电容Cz与第一反向输入端连接，误差放大器的输出端用于驱动场效应管Mn，电流源Ip的输入端与外部电源连接，电流源Ip的输出端与场效应管Mn的漏极连接，电流源In的输入端与场效应管Mn的源极连接，电流源In的输出端接地。本发明能够达到利用低成本结构保证误差放大电路的输出精度的效果。

Description

一种误差放大电路及电压调节系统

技术领域

本发明涉及开关电源技术领域，尤其是指一种误差放大电路及电压调节系统。

背景技术

电源电子转换器已广泛应用于各种电子系统。在所有转换器的设计中，关键技术是如何精确地进行电压调节，以适应各种电子负载，如CPU和存储器芯片组。在电压调节系统中，误差放大器(EA)对电压调节的精度和动态性能起着至关重要的作用。如果电压调节系统的控制环路中没有精确的误差放大器，电压调节系统的调节能力和精度就会被限制。目前市面上的误差放大器，无法兼顾成本与精度，市面上亟须低成本且精度高的误差放大器。

发明内容

本发明针对现有技术的问题提供一种精度高且成本低的误差放大电路。

本发明采用如下技术方案：一种误差放大电路，包括反馈端口 FB、参考电压端口Vref、误差放大输出端口EAO、误差放大器EA、电阻R1、电阻R2、电阻Rc、电容Cz、电流源Ip、电流源In以及场效应管Mn，所述误差放大器EA设有第一反向输入端INN1、第一正向输入端INP1、第二反向输入端INN2以及第二正向输入端INP2，第一正向输入端INP1、第二正向输入端INP2以及电阻R1的一端均与参考电压端口Vref连接，第二反向输入端INN2以及电阻R2的一端均与电阻R1的另一端连接，电阻R2的另一端与误差放大输出端口EAO连接，反馈端口FB通过电阻Rc与第一反向输入端INN1连接，误差放大输出端口EAO通过电容Cz与第一反向输入端INN1连接，误差放大器EA的输出端用于驱动场效应管Mn，电流源Ip的输入端与外部电源连接，电流源Ip的输出端与场效应管Mn的漏极连接，电流源In的输入端与场效应管Mn的源极连接，电流源In的输出端接地。

作为优选，所述误差放大器EA包括第一差分对、第二差分对以及输出放大级，第一差分对的第一控制端与第一反向输入端INN1连接，第一差分对的第二控制端与第一正向输入端INP1连接，第二差分对的第一控制端与第二反向输入端INN2连接，第二差分对的第二控制端与第二正向输入端INP2连接，第一差分对的输入端以及第二差分对的输入端均与外部电源连接，第一差分对的输出端以及第二差分对的输出端均通过输出放大级与误差放大输出端口EAO连接。

作为优选，所述第一差分对包括第一偏置电流源、第一场效应管以及第二场效应管，第一场效应管的栅极与第一反向输入端INN1连接，第二场效应管的栅极与第一正向输入端INP1连接，第一场效应管的源极以及第二场效应管的源极均与第一偏置电流源的输出端连接，第一偏置电流源的输入端与外部电源连接，第一场效应管的漏极以及第二场效应管的漏极均与输出放大级的输入端连接。

作为优选，所述第二差分对包括第二偏置电流源、第三场效应管以及第四场效应管，第三场效应管的栅极与第二反向输入端INN2连接，第四场效应管的栅极与第二正向输入端INP2连接，第三场效应管的源极以及第四场效应管的源极均与第二偏置电流源的输出端连接，第二偏置电流源的输入端与外部电源连接，第三场效应管的漏极以及第四场效应管的漏极均与输出放大级的输入端连接

作为优选，所述输出放大级包括第一电流镜单元、第五场效应管、第六场效应管、第三偏置电流源以及第四偏置电流源，所述第一电流镜单元的输入端与外部电源连接，所述第一电流镜单元的第一输出端与第五场效应管的漏极连接，第一电流镜单元的第二输出端以及第六场效应管的漏极均与误差放大输出端口EAO连接，第五场效应管的栅极以及第六场效应管的栅极均与外部偏置电压连接，第五场效应管的源极以及第一差分对的输出端均与第三偏置电流源的输入端连接，第六场效应管的源极以及第二差分对的输出端均与第四偏置电流源的输入端连接，第三偏置电流源的输出端以及第四偏置电流源的输出端均接地。

作为优选，所述误差放大电路还包括缓冲器Buffer，参考电压端口Vref与缓冲器Buffer的输入端连接，第一正向输入端INP1、第二正向输入端INP2以及电阻R1的一端均与缓冲器Buffer的输出端连接；所述缓冲器Buffer包括第二电流镜单元、第七场效应管、第八场效应管以及第五偏置电流源，所述第二电流镜单元的输入端与外部电源连接，所述第二电流镜单元的第一输出端与第七场效应管的漏极连接，所述第二电流镜单元的第二输出端与第八场效应管的漏极连接，第七场效应管的源极以及第八场效应管的源极均接地，第七场效应管的栅极与缓冲器Buffer的输入端连接，第八场效应管的栅极与缓冲器 Buffer的输出端连接。

作为优选，所述缓冲器Buffer还包括第九场效应管，第九场效应管的栅极与第二电流镜单元的第二输出端连接，第九场效应管的源极与外部电源连接，第九场效应管的漏极与缓冲器Buffer的输出端连接。

作为优选，所述缓冲器Buffer还包括电容Cp，所述电容Cp的一端与第九场效应管的源极连接，所述电容Cp的另一端与第九场效应管的栅极连接。

作为优选，所述缓冲器Buffer还包括电阻Ro，所述电阻Ro的一端与第九场效应管的漏极连接，所述电阻Ro的另一端接地。

基于上述误差放大电路，本发明还提供一种电压调节系统，包括电压转换电路、电压检测电路、用于驱动电压转换电路的驱动电路以及上述误差放大电路，所述电压转换电路的输出端与电压检测电路的输入端连接，电压检测电路的输出端与所述误差放大电路的输入端连接，所述误差放大电路的输出端与所述驱动电路的控制端连接。

本发明的有益效果：通过利用电阻R1、电阻R2、电流源Ip以及电流源In对误差放大器EA的输出值进行钳位，从而达到利用低成本结构保证误差放大电路的输出精度的效果。

附图说明

图1为本发明的电压调节系统的电路图。

图2为本发明的误差放大电路的电路图。

图3为本发明的误差放大器EA的电路图。

图4为本发明的缓冲器Buffer的电路图。

图5为本发明从反馈端口FB到误差放大输出端口EAO通路的仿真波特图。

图6为本发明从参考电压端口Vref到误差放大输出端口EAO通路的仿真波特图。

图7本发明的误差放大输出端口EAO的电压随参考电压端口Vref的电压和反馈端口FB的电压差值变化而变化的波形图。

附图标记为：1、误差放大电路；2、第一差分对；21、第一偏置电流源；22、第一场效应管；23、第二场效应管；3、第二差分对；31、第二偏置电流源；32、第三场效应管；33、第四场效应管；4、输出放大级；41、第一电流镜单元；42、第五场效应管；43、第六场效应管；44、第三偏置电流源；45、第四偏置电流源；5、第二电流镜单元；51、第七场效应管；52、第八场效应管；53、第五偏置电流源； 54、第九场效应管；6、电压转换电路；7、电压检测电路；8、驱动电路。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。以下结合附图对本发明进行详细的描述。

如图2所示，一种误差放大电路1，包括反馈端口FB、参考电压端口Vref、误差放大输出端口EAO、误差放大器EA、电阻R1、电阻R2、电阻Rc、电容Cz、电流源Ip、电流源In以及场效应管Mn，所述误差放大器EA设有第一反向输入端INN1、第一正向输入端INP1、第二反向输入端INN2以及第二正向输入端INP2，第一正向输入端INP1、第二正向输入端INP2以及电阻R1的一端均与参考电压端口Vref连接，第二反向输入端INN2以及电阻R2的一端均与电阻R1的另一端连接，电阻R2的另一端与误差放大输出端口EAO连接，反馈端口FB通过电阻Rc与第一反向输入端INN1连接，误差放大输出端口EAO通过电容 Cz与第一反向输入端INN1连接，误差放大器EA的输出端用于驱动场效应管Mn，电流源Ip的输入端与外部电源连接，电流源Ip的输出端与场效应管Mn的漏极连接，电流源In的输入端与场效应管Mn的源极连接，电流源In的输出端接地。

现有技术中，实现误差放大器EA输出值的钳位的方法主要有两种。一种是在误差放大器EA的输出端设置齐纳二极管，但根据制造工艺数据，低压齐纳二极管的参数分布范围大，这导致钳位精度低；同时齐纳二极管对温度敏感，容易因温度变化而产生较大漂移，进一步导致钳位电压精度低。另一种是方法是在误差放大器EA的输出端设置运算放大器以及多个场效应管，这种结构可以消除由器件参数分布和温度变化引起的钳位电压精度漂移，但这种结构导致电路复杂性增加且制造成本高，且加入运算放大器会影响误差放大器EA的动态性能。基于现代集成电路技术，很容易实现低温度漂移的高精度电阻；另外，具有温度补偿的电流源已是很成熟的解决方案，因此在一些实施例中，通过设置电阻R1、电阻R2、电流源Ip以及电流源In来实现钳位，从而利用较低的电路成本来实现精确钳位。工作原理描述如下：首先定义输入电压差为ΔVi，该电压差等于参考电压端口Vref的电压减去反馈端口FB的电压。当ΔVi低时，误差放大器EA工作在饱和区，场效应管Mn也工作在饱和区，此时场效应管Mn起电压跟随器的作用。误差放大输出端口EAO的电压跟随输入误差信号ΔVi变化，因此整个电路起着误差放大的作用。当ΔVi为正且足够大时，误差放大输出端口EAO的输出值变得很高，这时场效应管Mn处于线性区。因此，误差放大输出端口EAO的电压就为流源Ip和电流源In的电流差流过电阻R1和电阻R2产生的压降在加上参考电压端口Vref的电压，即 (VREF+(Ip-In)*(R1+R2))，这个电压就是高钳位电压。当ΔVi 为负且足够大时，误差放大输出端口EAO的输出值变得很低，这时场效应管Mn处于截止区。因此，误差放大输出端口EAO的电压就为参考电压端口Vref的电压减去电流In流过电阻R1和电阻R2的压降，即 VREF-In*(R1+R2)，这就是低钳位电压。

如图3所示，所述误差放大器EA包括第一差分对2、第二差分对3 以及输出放大级4，第一差分对2的第一控制端与第一反向输入端 INN1连接，第一差分对2的第二控制端与第一正向输入端INP1连接，第二差分对3的第一控制端与第二反向输入端INN2连接，第二差分对 3的第二控制端与第二正向输入端INP2连接，第一差分对2的输入端以及第二差分对3的输入端均与外部电源连接，第一差分对2的输出端以及第二差分对3的输出端均通过输出放大级4与误差放大输出端口 EAO连接。通过第一差分对2和第二差分对3实现误差放大器EA的输入，从而使得误差方法器EA具有较高的直流增益。

具体地，所述第一差分对2包括第一偏置电流源21、第一场效应管22以及第二场效应管23，第一场效应管22的栅极与第一反向输入端 INN1连接，第二场效应管23的栅极与第一正向输入端INP1连接，第一场效应管22的源极以及第二场效应管23的源极均与第一偏置电流源21的输出端连接，第一偏置电流源21的输入端与外部电源连接，第一场效应管22的漏极以及第二场效应管23的漏极均与输出放大级4的输入端连接。所述第二差分对3包括第二偏置电流源31、第三场效应管32以及第四场效应管33，第三场效应管32的栅极与第二反向输入端 INN2连接，第四场效应管33的栅极与第二正向输入端INP2连接，第三场效应管32的源极以及第四场效应管33的源极均与第二偏置电流源31的输出端连接，第二偏置电流源31的输入端与外部电源连接，第三场效应管32的漏极以及第四场效应管33的漏极均与输出放大级4的输入端连接。所述输出放大级4包括第一电流镜单元41、第五场效应管42、第六场效应管43、第三偏置电流源44以及第四偏置电流源45，所述第一电流镜单元41的输入端与外部电源连接，所述第一电流镜单元41的第一输出端与第五场效应管42的漏极连接，第一电流镜单元41 的第二输出端以及第六场效应管43的漏极均与误差放大输出端口 EAO连接，第五场效应管42的栅极以及第六场效应管43的栅极均与外部偏置电压连接，第五场效应管42的源极以及第一差分对2的输出端均与第三偏置电流源44的输入端连接，第六场效应管43的源极以及第二差分对3的输出端均与第四偏置电流源45的输入端连接，第三偏置电流源44的输出端以及第四偏置电流源45的输出端均接地。

如图2所示，所述误差放大电路1还包括缓冲器Buffer，参考电压端口Vref与缓冲器Buffer的输入端连接，第一正向输入端INP1、第二正向输入端INP2以及电阻R1的一端均与缓冲器Buffer的输出端连接。缓冲器Buffer可以保持参考电压端口Vref的输入阻抗为高阻抗，同时为电阻R1和电阻R2提供所需的电流。

如图4所示，所述缓冲器Buffer包括第二电流镜单元5、第七场效应管51、第八场效应管52以及第五偏置电流源53，所述第二电流镜单元5的输入端与外部电源连接，所述第二电流镜单元5的第一输出端与第七场效应管51的漏极连接，所述第二电流镜单元5的第二输出端与第八场效应管52的漏极连接，第七场效应管51的源极以及第八场效应管52的源极均接地，第七场效应管51的栅极与缓冲器Buffer的输入端连接，第八场效应管52的栅极与缓冲器Buffer的输出端连接，从而使得缓冲器Buffer的输出电压与缓冲器Buffer的输入电压保持一致。

如图4所示，所述缓冲器Buffer还包括第九场效应管54，第九场效应管54的栅极与第二电流镜单元5的第二输出端连接，第九场效应管 54的源极与外部电源连接，第九场效应管54的漏极与缓冲器Buffer的输出端连接，从而增强电流驱动能力。

如图4所示，所述缓冲器Buffer还包括电容Cp，所述电容Cp的一端与第九场效应管54的源极连接，所述电容Cp的另一端与第九场效应管54的栅极连接，从而增加电路的稳定性。

如图4所示，所述缓冲器Buffer还包括电阻Ro，所述电阻Ro的一端与第九场效应管54的漏极连接，所述电阻Ro的另一端接地，以便决定输出电流的大小。

定义第一正向输入端INP1和第一反向输入端INN1之间的电压差为ΔV1，第二正向输入端INP2和第二反向输入端INN2之间的电压差为ΔV2。假设误差放大器EA的总增益为G，则输出端误差放大输出端口 EAO的电压为G(ΔV1+ΔV2)。

本发明的示例性仿真如下：设置Rc＝5Meg,Cc＝10p,R1＝R/8, R2＝8*R,R＝1.6k,Ip＝2uA,In＝1uA,VREF＝600mV。

如上所述计算得：

Av_20dB＝20*log(R2/R1)＝20*log64＝36.1dB；

Pole＝1/(2*π*Rc*Cc*Av)＝1/(2*π*5Meg*10p*64)＝49.7Hz；

Vclamp_H＝(Ip-In)*(R1+R2)+VREF＝(2uA-1uA)*(200+12.8k)+600 mV＝613mV；

Vclamp_L＝VREF-(In*(R1+R2))＝600mV-1uA*(200+12.8k)

＝587mV。

如图5所示，从反馈端口FB到误差放大输出端口EAO通路的仿真波特图。图中标示的直流增益为36.10099dB，这与计算值 Av_20dB＝36.1dB几乎一致。图中标示的主极点位置在52.948Hz处，这与计算值Pole＝49.7Hz差不多一致。增益过零频率为3.37473kHz，在较大的带宽内相位裕度保持在90°附近。

图6示出了从参考电压端口Vref到误差放大输出端口EAO通路的仿真波特图。仿真结果说明误差放大输出端口EAO可以快速响应参考电压端口Vref的变化。如图所示，图中标示的直流增益为36.2623dB，这与计算值Av_dB20＝36.2dB几乎一致。图中标示的主极点位置在 57.7744Hz，这与计算值Pole＝57.7Hz几乎一致。增益过零频率为 3.2233kHz，在较大的带宽内相位裕度保持在90°附近。

图7为误差放大输出端口EAO的电压随参考电压端口Vref的电压和反馈端口FB的电压差值变化而变化的波形图。在这个仿真中，参考电压端口Vref的电压设为600mV，反馈端口FB的电压从599.3mV上升到600.7mV。误差放大输出端口EAO输出电压为曲线903。在第一阶段，参考电压端口Vref的电压和反馈端口FB的电压的差值为正且很大，所以输出电压被限制在高钳位电压613mV。在第二个阶段，参考电压端口Vref的电压和反馈端口FB的电压的差值很小，误差放大器 EA工作在饱和区，这时误差放大输出端口EAO的电压值几乎随着反馈端口FB的电压的升高线性下降。在第三阶段，参考电压端口Vref 的电压值与反馈端口FB的电压值的差值为负且很大，所以误差放大输出端口EAO的电压值被限制在低钳位电压587mV。上述结果与计算值几乎一致。

如图1所示在一些实施例中，还提供一种电压调节系统，包括电压转换电路6、电压检测电路7、用于驱动电压转换电路6的驱动电路8 以及上述误差放大电路1，所述电压转换电路6的输出端与电压检测电路7的输入端连接，电压检测电路7的输出端与所述误差放大电路1的输入端连接，所述误差放大电路1的输出端与所述驱动电路8的控制端连接，从而使得电压调节系统能够更精确地调节和输出。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种误差放大电路，其特征在于：包括反馈端口FB、参考电压端口Vref、误差放大输出端口EAO、误差放大器EA、电阻R1、电阻R2、电阻Rc、电容Cz、电流源Ip、电流源In以及场效应管Mn，所述误差放大器EA设有第一反向输入端INN1、第一正向输入端INP1、第二反向输入端INN2以及第二正向输入端INP2，第一正向输入端INP1、第二正向输入端INP2以及电阻R1的一端均与参考电压端口Vref连接，第二反向输入端INN2以及电阻R2的一端均与电阻R1的另一端连接，电阻R2的另一端与误差放大输出端口EAO连接，反馈端口FB通过电阻Rc与第一反向输入端INN1连接，误差放大输出端口EAO通过电容Cz与第一反向输入端INN1连接，误差放大器EA的输出端用于驱动场效应管Mn，电流源Ip的输入端与外部电源连接，电流源Ip的输出端与场效应管Mn的漏极连接，电流源In的输入端与场效应管Mn的源极连接，电流源In的输出端接地。

2.根据权利要求1所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述误差放大器EA包括第一差分对、第二差分对以及输出放大级，第一差分对的第一控制端与第一反向输入端INN1连接，第一差分对的第二控制端与第一正向输入端INP1连接，第二差分对的第一控制端与第二反向输入端INN2连接，第二差分对的第二控制端与第二正向输入端INP2连接，第一差分对的输入端以及第二差分对的输入端均与外部电源连接，第一差分对的输出端以及第二差分对的输出端均通过输出放大级与误差放大输出端口EAO连接。

3.根据权利要求2所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述第一差分对包括第一偏置电流源、第一场效应管以及第二场效应管，第一场效应管的栅极与第一反向输入端INN1连接，第二场效应管的栅极与第一正向输入端INP1连接，第一场效应管的源极以及第二场效应管的源极均与第一偏置电流源的输出端连接，第一偏置电流源的输入端与外部电源连接，第一场效应管的漏极以及第二场效应管的漏极均与输出放大级的输入端连接。

4.根据权利要求2所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述第二差分对包括第二偏置电流源、第三场效应管以及第四场效应管，第三场效应管的栅极与第二反向输入端INN2连接，第四场效应管的栅极与第二正向输入端INP2连接，第三场效应管的源极以及第四场效应管的源极均与第二偏置电流源的输出端连接，第二偏置电流源的输入端与外部电源连接，第三场效应管的漏极以及第四场效应管的漏极均与输出放大级的输入端连接。

5.根据权利要求2所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述输出放大级包括第一电流镜单元、第五场效应管、第六场效应管、第三偏置电流源以及第四偏置电流源，所述第一电流镜单元的输入端与外部电源连接，所述第一电流镜单元的第一输出端与第五场效应管的漏极连接，第一电流镜单元的第二输出端以及第六场效应管的漏极均与误差放大输出端口EAO连接，第五场效应管的栅极以及第六场效应管的栅极均与外部偏置电压连接，第五场效应管的源极以及第一差分对的输出端均与第三偏置电流源的输入端连接，第六场效应管的源极以及第二差分对的输出端均与第四偏置电流源的输入端连接，第三偏置电流源的输出端以及第四偏置电流源的输出端均接地。

6.根据权利要求1所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述误差放大电路还包括缓冲器Buffer，参考电压端口Vref与缓冲器Buffer的输入端连接，第一正向输入端INP1、第二正向输入端INP2以及电阻R1的一端均与缓冲器Buffer的输出端连接；

所述缓冲器Buffer包括第二电流镜单元、第七场效应管、第八场效应管以及第五偏置电流源，所述第二电流镜单元的输入端与外部电源连接，所述第二电流镜单元的第一输出端与第七场效应管的漏极连接，所述第二电流镜单元的第二输出端与第八场效应管的漏极连接，第七场效应管的源极以及第八场效应管的源极均接地，第七场效应管的栅极与缓冲器Buffer的输入端连接，第八场效应管的栅极与缓冲器Buffer的输出端连接。

7.根据权利要求6所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述缓冲器Buffer还包括第九场效应管，第九场效应管的栅极与第二电流镜单元的第二输出端连接，第九场效应管的源极与外部电源连接，第九场效应管的漏极与缓冲器Buffer的输出端连接。

8.根据权利要求7所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述缓冲器Buffer还包括电容Cp，所述电容Cp的一端与第九场效应管的源极连接，所述电容Cp的另一端与第九场效应管的栅极连接。

9.根据权利要求7所述的一种误差放大电路，其特征在于：所述缓冲器Buffer还包括电阻Ro，所述电阻Ro的一端与第九场效应管的漏极连接，所述电阻Ro的另一端接地。

10.一种电压调节系统，其特征在于：包括电压转换电路、电压检测电路、用于驱动电压转换电路的驱动电路以及权利要求1-9任一权利要求所述的误差放大电路，所述电压转换电路的输出端与电压检测电路的输入端连接，电压检测电路的输出端与所述误差放大电路的输入端连接，所述误差放大电路的输出端与所述驱动电路的控制端连接。