一种基于PWM的CMOS误差放大器的设计

摘要：为解决PWM控制器中输出电压与基准电压的误差放大问题，设计了一款高增益、宽带宽、静态电流小的新型误差放大器，通过在二级放大器中间增加一级缓冲电路，克服补偿电容的前馈效应，同时消除补偿电容引入的零点。在Cadelence软件平台上，经过交流和瞬态仿真，电路0 dB带宽达到55．5 MHz，电压开环增益约67．2 dB，相位裕度为83．0°上升建立时间和下降建立时间分别为6．7 V／μs和5．7 V／μs共模抑制比为49．17 dB，电源抑制比为71．39 dB。该误差放大器已经应用到了PWM芯片中，使得PWM最大、最小占空比可调，大幅提升了芯片系统的整体性能。
关键词：PWM；误差放大器；高增益；宽带宽；占空比

开关稳压电源具有集成度高、外围电路简单、电源效率高等优点，在各种电子设备中得到广泛的应用。尤其是在通信系统和控制系统等要求高稳定性、高可靠性电源的设备中，开关稳压电源已经取代效率较低的线性稳压器。脉宽调制(Pulse-Width Modulation，PWM)芯片作为开关电源中的核心，其关键技术对我国国防和民用电源领域至关重要。这种调制方式的实现方法是由内部震荡器产生一个频率恒定的锯齿波，与误差放大器输出的参考电压比较，输出方波用于控制调整管。误差放大器输出摆幅直接决定了PWM芯片的输出占空比的最大、最小值，固定的输出摆幅使得芯片输出占空比的最大、最小值不可调节，限制了芯片的应用，影响了PWM芯片的性能。
本文设计的运放是整个PWM控制器的误差放大器，作为电路中最重要的模块之一，主要功能是获得输入电压和基准电压的误差放大值，作为下一级比较器的输入。与常见的误差放大器相比，本文采用二级放大器组成的CMOS运算放大器进行设计，中间加入一级缓冲器电路，克服补偿电容的前馈效应，同时消除补偿电容引入的零点。该误差放大器应用在PWM芯片中，随着其输出摆幅的调整，PWM芯片最大、最小输出占空比可以控制，明显改善了PWM芯片的性能。

1 电路设计
1．1 基本的CMOS二级运放电路
基本的CMOS二级运放电路如图1所示。基本二级电路由偏置部分和两级放大电路构成。VM5、VM6、VM8、VM9构成比例恒流源系统，对电路提供偏置。其中，VM9为等效电阻。第一级放大电路的电流偏置经由VM5管提供，VM1和VM2组成差分输入对管，VM3和VM4充当其有源负载，并且在无损增益的情况下实现电路的单端输出转换。第二级放大电路是个简单的共源放大电路，VM6提供电流偏置并充当有源负载，放大功能主要由VM7管实现。

由于场效应管做共源放大器的时候，输出端电压与输入端电压反相，使得场效应管漏极和栅极之间的电容的充放电电流增大，从输入端看进去，电容好像增大了Au倍(Au为该级放大电路的增益倍数)，这就是密勒效应。密勒效应会导致电路频率特性降低，因此，电路引入了密勒补偿电容C1，将其跨接到该级放大器的输出端和输入端，起到频率补偿的作用。
该运放结构简单，易于实现，但是电路性能不够理想。电路中的补偿电容C1在实现频率补偿的同时，也引入了电压输出负反馈，过强的负反馈容易引起运放电路的不稳定。