一种基于PWM的CMOS误差放大器的设计

3 误差放大器仿真结果

在Cadence软件中搭建模拟仿真验证平台，在电源和地线之间接入5 V直流电压，误差放大器的正向输入端接入1．12 V的直流电压(这个电压取值在系统中由带隙基准电压源产生)，反向输入端输入一个直流电位为1．12 V的正弦波。由于放大器的电压增益较大，如果正弦波的交流幅度较大，会使得输出出现失真，因此，这里将反相输入端的正弦波电压选取1 mV的交流幅度输入。

首先要进行直流工作点的验证。通过dc仿真，观测电路中的MOS管工作状态，如果有不在饱和区的管子，需要根据调整MOS管宽长比，直至所有管子的工作区(region)都显示为"2"。

直接测试电源电压端的电流值，即可得到误差放大器的静态总电流。测得这个电流值I为173．4μA，由此可计算出误差放大器的静态总功耗：

进行瞬态仿真，仿真结果如图3所示。观察电路波形，确认模块实现了电压的比较和误差的放大功能。由瞬态仿真波形图可以看出，输入差模电压为1 mV时，输出电压最大值可达4．15 V，最小值接近1．52 V，输出摆幅不小于2．63 V。加大信号，可测得输出电压的建立时间：

计算可得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。

对电路进行交流增益仿真，观察电路增益和单位增益带宽，结果如图4所示。

根据交流仿真结果可知，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180°-96．97°≈83．0°。

共模抑制比CMRR是放大器对输入端共模信号的抑制能力，其计算表达式为

其中Avd表示差模增益，Avc表示共模增益。把运算放大器连接成单位增益负反馈的模式，在运算放大器的同相和反相输入端加上相同的交流电压，进行交流仿真，得到的仿真结果如图5所示，该曲线是1／CMRR，因此可以得到运算放大器的低频共模抑制比为49．17 dB。

电源抑制比PSRR是衡量电路对电源噪声的抑制能力，把运算放大器连接成单位增益负反馈的模式，仅在供电电压源上增加1 V的交流电压，测试结果如图6所示，该曲线是1／PMRR，因此运算放大器的低频电源抑制比为71．39 dB，各项指标达到预期要求。

4 结论

为解决PWM控制器中输出电压与基准电压的误差放大问题，本文设计了一款高增益，宽带宽，输出摆幅可以控制的新型误差放大器。通过在二级放大电路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。通过交流仿真验证，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，共模抑制比和电源抑制比分别为49．17 dB和71．39 dB。其突出优点是自顶向下设计，每一个器件的具体参数先通过手工计算再用软件仿真逐步调整获得，查找和修改错误方便，具有较大的灵活性。该误差放大器已经成功运用到PWM芯片中，其独特的结构使得PWM的最大输出占空比和最小输出占空比可以控制，大幅提升了芯片系统的整体性能。