关键词:恒流驱动;带隙基准;补偿网络;高精度电流镜

       随着LED 成为平板显示领域的主流[1] ,对LED显示屏的要求也不断提高。而LED 为电流驱动型器件,即在一定的正向电流工作范围内,其发光亮度
与流过器件的电流大小成正比,故只要保证每个LED 管中的电流恒定,就能保证显示设备的亮度一致[2-4] 。常用的恒流驱动电路有开关模式与线性调节模式[5] 。开关模式驱动电路将引入EMI[6] 。本文采取线性模式的调节方法,并通过改善系统的瞬态响应与提高输出电流镜的输出阻抗,使输出电流在供电电压与环境温度发生变化时,仍能保持较高的稳定性。

1摇电路设计
      文中设计的恒流驱动电路的整体结构框图如图1 所示。其主要包括基准电流产生模块、补偿网络、电流调节模块。基准电流发生器产生参考电流Iref,该电流通过高精度电流镜后变为M 倍,最后再经由电流调节器使电流变为MNIref 输出,并保持输出电流恒定。补偿网络是一个带宽非常高的内部负反馈环路,它能够感应任何负载电流的变化,并将信号送回到M1 的栅极从而改善瞬态响应。最终的输出电流满足:

              Iout = 12 滋n COXWL(VGS -Vth)2            (1)
     这里滋n 为电子迁移率;Cox为单位面积栅电容;W 和L 分别为栅的宽与长。电流变化率为:
                           驻IoutIout =驻(W / L)W / L + 驻Vth -Vth +驻(滋n COX )滋n COX +驻VrefVref          (2)
1. 1摇基准电压
       本文采用带隙基准为运放放大器提供基准电压,该电路主要由带隙基准核心电路与启动电路构成。如图2 所示,双极晶体管在不同电流密度下工
作时,它们的基极-发射极电压的差值与绝对温度成正比[7] 。该电压差值作用于一个电阻上,并通过电流镜复制流过该电阻的电流,即可获得PTAT 电
流I2,在输出支路上产生与绝对温度成正比的电压I2R2,该电压加在Q5 的基极-发射极电压上,即可得到基准输出电压。在带隙基准核心电路中,将两个
二级管串联使用,可以降低运放的失调电压[8] ;采用低压共源共栅电流镜复制电流,可抑制沟道长度调制效应,减小电源电压变化对电流的影响,提高输
出电流的精度[9] 。输出电压可表示为:
      Vref =VBE,Q5 +(VT lnn-VOS / 2)(1+R1 / R2) (3)式中,VOS为运放的失调电压,n 为Q1、Q2 与Q3、Q4的面积比。当VBE,Q5 抑750 mV, T = 300 K 时,鄣VBE,Q5 / 鄣T抑-1. 5 mV/ 益,鄣VT / 鄣T抑0. 087 mV/ 益。故当满足(1+R1 / R2 )lnn抑17. 2 的关系时,可获得零温度系数电压。
      启动电路的作用是确保核心电路在上电后能迅速摆脱零电流状态而稳定工作,其工作原理为:若上电后各支路电流为零,则所有的PMOS 管关断,M11 的栅极为低电位,M11导通,并向R2 和Q4 所在的支路注入电流。一旦电路摆脱零电流状态,M12、M13、M14 将M11的栅极电位拉高,将M11 关断,使启动电路脱离主电路,完成启动过程,带隙基准进入正常工作状态。
1. 2摇补偿网络
      图1 的基准电流产生模块中,当M1 的电压降较大或是连接线的寄生参数较大时,M1 的漏极电压及流过其中的电流会发生振荡[10] 。其小信号模型如图3 所示。
     其传输函数为:
               VoutVin =-gm ro椅1 ?è? ??÷ sC1+gm R           (4)
     这里C0 为从输出端看进去的对地电容。由式(4)知,系统在右半平面存在一个零点,这将大大降低系统的稳定性。为解决这一问题,文中设计了图4 所示的补偿电路。
       该补偿网络的偏置电流由M9 提供。M11 为M10提供偏置电压并确保其工作于饱和区。M10、M12 组成共源共栅结构,其输出阻抗约为gm r20
,这是一个较大的阻抗,它可以有效地防止前馈通路的形成,从而避免右半平面出现零点。M13 与偏置电流源组成一个共源放大器,同R2 共同作用将C 上的采样电流转化为电压并改善瞬态响应。加入该补偿网络有:

                  Vout +gm13 V13sC =-V13                         (5)
        则有
                  V13 =-VoutsCsC+gm13                                (6)
      同理
                  gm14 V14 +Vout 1 RL+sC ?è? ??÷ L =gm13 V13     (7)
       由于Iin =V14 / gm r20+gm13 V13,解以上方程有:
        VoutIin = -gm14gmr2oRL(gm13 +sC)s2RL CL C+[(1+gm14gmr2o)gm13RL C+C+gm13RL CL ]s+gm13
       由上式可知,该结构为系统在左半平面引入了一个零点,从而可使系统稳定。
1. 3摇高精度电流镜
       要保证输出电流有较高的稳定性,电流镜的应用很关键。而精度与输出阻抗是决定电流镜性能的最重要的参数[11] 。为解决这些问题,文中应用的高精度电流镜如图5 所示。
      MOS 管M0、M2、M3 构成一个两级的共源共栅电流镜。偏置管M1、M4、M5、M6 和M7 用于改善共源共栅电流镜的匹配精度。3 个负反馈增益阶M8、M9、M10能够极大地增加电流镜的输出阻抗。这里“A冶表示每个增益级的电压增益。该电流镜的输出阻抗Rout可由以下推出:
       由式(11)可知该电流镜具有很高的输出阻抗。

        如图5 所示,电压V1 是独立于V0 的。当V0 与V1 增加时,由于存在3 个负反馈回路,则Vds11减小。电压Vds11作为一个负反馈信号连接至M3 的栅极,Vds11下降导致V1 下降。故此,负反馈回路将V1 锁定,换句话说即是V0 的变化不会导致V1 发生变化,所以可以得到稳定的输出电流Iout。
       另外,在该电流镜中,M4、M5、M6 及M7 用于匹配电流IM1与IM2 ,并使VGS8 =VGS1 。因为VGS0 =VGS1 =VDS0 ,且VGS8 =VGS2 ,易得出VDS2 =VDS0 ,使Iin =Iout。
 2摇仿真结果
        采用CSMC 0. 5 滋m CMOS 数模混合工艺,在Cadence 中使用Spectre 对图2 电路进行仿真,并在表1 中对比文献[12]进行了性能比较。
        外接电阻不同时恒流输出特性曲线如图6 所示。阻值为620 赘~8 500 赘时,输出电流变化范围为3 mA ~40 mA。

       图7 所示为系统的瞬态仿真图。由图可知系统的阶跃响应时间为2. 5 滋s,输出曲线无振铃,表明系统具有较高的稳定性。
      工艺角下,温度从-40 益~ 85 益变化时,输出电流随温度变化的曲线如图8 所示。电流最大值为40. 89 mA,最小值为39. 76 mA,电流最大温度系数为58. 85伊10-6。
      当环境温度为27 益,外接电阻为620 赘,在tt、ff、ss 工艺角下,电源电压从4. 5 V ~5. 5 V 变化时,输出电流随电源电压变化的曲线如图9 所示。电流最大值为40. 52 mA,最小值为39. 55 mA,电流最大变化率为1. 62%。
3摇总结
      设计一个带补偿网络的高精度LED 恒流驱动电路。该电路的基准电压由带隙基准产生。利用补偿网络改善电路的瞬态响应。采用高精度电流镜提高输出电流的精度,实现了电流的稳定输出。在Cadence中利用Spectre 对电路在各工艺角下进行仿真,仿真显示:电源电压从4.5 V ~5.5 V 变化时,电流最大变化率为1.62%,温度从-40 益~85 益变化时,电流最大温度系数为58.85伊10-6。外接电阻为620 赘~8 500 赘时,对应驱动电流变化范围3 mA ~40 mA。结果表明,该驱动电路稳定性良好,符合设计要求。