其它功能模块 - 用于低噪声恒流电荷泵的误差放大器设计

1.2 其它功能模块

　　另外，在设计本电路时，还应当设计一些其它的功能模块，包括：启动电路、电流采样、过流保护等电路。

　　不同于传统方法，本设计将Gml差分输入的电源偏置连接在电荷泵的输出电压VOUT上，而不是VIN，这就使得此偏置电压非常稳定，其原因在于VOUT的纹波很小，而且噪声极低。

　　然而，这种设计也会产生一个问题，即：VOUT在系统上电之初为零，而此时EA又不工作，使得整个电路无法工作，所以，需要增加一个启动单元，以使系统在刚上电时就可使电荷泵工作，从而使VOUT上升，当VOUT增大到阈值时，EA开始工作。当电路启动起来以后，电荷泵驱动电压则由EA输出控制M22、R4和M24使能开启电路，而M23、M25、M26和R5将其关断。

　　系统中的电流采样电路采取一个与IGM成正比的小电流IS，此电路由M27、M28、M29和M30组成。应将M27的栅极和电荷泵中电流镜的栅极相连接，可将采样比例设定为1：3000。其采样原理如下：

　　由于基准电路提供的是一个非常小的偏置电流(大概1μA)，那么M28的栅源电压VGS也就很小，差不多就是其阈值电压。而M29的宽长比W/L被设计得很大，那么采样电流IS就很小，则M29的栅源电压VGS也很小，因此，M27和电荷泵中开关管的VDRAIN差不多大小。其过流保护电路包含M32、M33和M34。这里，M34和电流采样电路的M31相互镜像。它是通过采样电流IS来控制电荷泵中开关管的栅极电压，因此限制了最大值。在正常范围内，IS很小，M32和M34一起驱动，M33的VGATE为高，过流保护单元不工作。当IGM增加时，M34的VDRAIN(或者M33的VGATE)将慢慢减小。当增大到某个值时，M33完全导通，反馈回路将VDRIVER限制在某个值，从而限制IGM，实现过流保护功能。M32、M33和M34的尺寸在设计时应注意匹配。限流工作时，电路形成一个反馈回路，C3作为弥勒补偿以使限定电流稳定。

　　为了评估所设计电路的性能，本系统利用Hynix 0.5μm CMOS工艺进行仿真。图2给出了HSPICE仿真在不同电源电压下频率与增益的比较结果，仿真结果表明在很宽的频率范围内.增益超过60 DB。

　　

 

　　不同电源电压下PSRR与频率的关系及不同IGM下CMRR与频率的关系分别在图3和图4中给出。结果表明，该电路的PSRR和CMRR分别可达到65 DB和70 DB。

　　为了进一步测定设计的可用性，这里还绘制了一个用到该EA的恒流电荷泵版图，如图5所示，以便开展后续工作。

　　

 

　　3 结束语

　　本文基于对称OTA结构，设计了一款用于低噪声恒流电荷泵的误差放大器EA，即在传统的设计基础上引入了动态频率补偿及弥勒补偿。新设计的EA不仅降低了输出波纹及噪声，而且改善了稳定性。从电路分析和仿真结果可以看到在100 Hz～10 MHz频率范围内，其增益高达60 DB，PSRR为65 DB，而CMRR则高达70 DB，系统达到了较高的性能。