PWM比較器電路仿真設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上論文題目：PWM比較器電路仿真設(shè)計(jì)本科生畢業(yè)論文，絕對(duì)原創(chuàng)， 2011年06月01日專心-專注-專業(yè)摘 要脈沖寬度調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。本文通過對(duì)PWM發(fā)展現(xiàn)狀的了解，在掌握PWM反相器原理的基礎(chǔ)上，比較分析了幾

2、種常見的比較器電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)PWM中對(duì)比較器的性能要求，設(shè)計(jì)了一種具有高增益和適當(dāng)帶寬、小的失調(diào)電壓、在低功耗情況下具有較短響應(yīng)時(shí)間的比較器；利用集成電路EDA設(shè)計(jì)軟件，對(duì)各子模塊電路進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真分析，同時(shí)進(jìn)行了PWM比較器整體電路的仿真，并繪制了整體的電路版圖。本文所設(shè)計(jì)PWM比較器的增益達(dá)80dB以上，總版圖面積為5674um2。關(guān)鍵詞PWM；比較器；增益；時(shí)延AbstractPWM is in English "Pulse Width Modulation" abbreviation ,It is used digital output of micropro

3、cessor to control of the analog circuit this is a very effective technology,Used for everything from measuring, communications to power control and conversion of many areas.PWM is an analog control method,The changes under the appropriate load modulation transistor gate or base bias,To achieve the s

4、witching power supply output transistors or transistor conduction time change,This approach enables make the power supply output voltage changes in working conditions, constant,It is used digital output to microprocessor to control of the analog circuit a very effective technique.This paper is based

5、 on the PWM comparator Development of understanding.In the control based on PWM principle,Comparative analysis of several common comparator circuit structure,PWM comparator based on performance requirements,Design a suitable bandwidth, high gain and small offset voltage, low power consumption in cas

6、e of a short response time comparator; Using integrated circuit design EDA software, each of sub-module circuit design and simulation parameters,PWM comparator and the overall simulation of the whole circuit.PWM comparator design in this paper gain of up to 100dB.For the overall layout of the drawin

7、g, the total layout areas 5674um2.Keywords PWM; comparator; gain; delay目錄第一章 引言1.1 PWM介紹脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，可變電阻是通過改變其接入電路的電阻值來控制負(fù)載的電流或者電壓值，來達(dá)到控制效果，而PWM則是通過數(shù)字編碼（調(diào)制頻率），對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行調(diào)制來達(dá)到控制效果。圖1

8、-1 PWM方式原理圖如圖1-1所示，從輸入端輸入電壓信號(hào)和參考電壓信號(hào)通過放大器進(jìn)行放大產(chǎn)生放大信號(hào)（但是從放大器輸出的電壓信號(hào)通常不穩(wěn)定），這個(gè)放大信號(hào)與三角波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，可以通過改變?nèi)遣ǖ念l率來實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM信號(hào)的控制。PWM比較器通過對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，通常保持一端輸入電壓不變，另一端輸入電壓可以是鋸齒波或正弦波，通過PWM比較器的比較，在輸出端產(chǎn)生高低電平的方波信號(hào)，方便于應(yīng)用，但要求比較器的時(shí)延低，增益大等。1.2 PWM的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域隨著工藝的發(fā)展，比較器得到了前所未有的研究和開發(fā)，其性能指標(biāo)主要有共模輸入范圍、增益、失調(diào)電壓、傳

9、輸時(shí)延、擺率、帶寬、比較精度等。目前，比較器的研究主要集中在下面兩個(gè)方面：降低失調(diào)電壓和提高電路速度。MarcH.Cihen、Pamela A等提出了一種可編程的浮柵機(jī)構(gòu)，利用浮柵PFET作為電荷存儲(chǔ)單元，設(shè)計(jì)出一中可消除失調(diào)電壓的非易失性電壓比較器。李彥旭等利用鍺硅BiCMOS級(jí)數(shù)，設(shè)計(jì)出了失調(diào)電壓為10uV、頻率為10Mhz的動(dòng)態(tài)高速比較器。還有一種所謂后臺(tái)校準(zhǔn)級(jí)數(shù)，在不影響ADC采樣的情況下，通過比較器的二進(jìn)制輸出反饋校正比較器的失調(diào)電壓。吳曉波等人利用兩個(gè)寬長(zhǎng)比不相等的跳變電壓的比較器，為PWM比較器的研究提出了一種新穎的設(shè)計(jì)思路1。對(duì)于適用與PWM中的比較器的研究，并不是單一的集中在

10、哪個(gè)特性上面，而是對(duì)所有參數(shù)的綜合考慮，目前研究主要是專注于靜態(tài)功耗特性和時(shí)延特性上面，畢竟，比較器的增益通過增加放大電路很容易達(dá)到很高，一般的失調(diào)電壓也很低。如何在高增益條件下取得低時(shí)延和低功耗將是研究的重點(diǎn)，也是每個(gè)設(shè)計(jì)研究者所想要達(dá)到的目的。脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。1PWM在模擬電路中的應(yīng)用模擬電路模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電

11、流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V, 5V這一集合中取值。 模擬電壓和電流可直接用來進(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 盡管模擬控制看起來可能直觀而簡(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如

12、老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)改變電流值的大小。 2PWM在數(shù)字電路中的應(yīng)用數(shù)字控制通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)變得更加容易了。 簡(jiǎn)而言之，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF

13、)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 大多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點(diǎn)亮，在下一個(gè)5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對(duì)開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈(但保持點(diǎn)亮)的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場(chǎng)合也有同樣的要求。通常調(diào)制頻

14、率為1kHz到200kHz之間。 硬件控制器 許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期，在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 ，設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳，啟動(dòng)定時(shí)器，使能PWM控制器 雖然具體的PWM控制器在編程細(xì)節(jié)上會(huì)有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。1.3 PWM技術(shù)PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器

15、件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn)，到目前為止主要有以下幾種類方法。 1. 等脈寬PWM法VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其逆變器部分

16、只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的，是PWM法中最為簡(jiǎn)單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。相對(duì)于PAM法，該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了輸入端的功率因數(shù)，但同時(shí)也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。 2 隨機(jī)PWM在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初，由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管，載波頻率一般不超過5kHz，電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注。為求得改善，隨機(jī)PW

17、M方法應(yīng)運(yùn)而生。其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱。正因?yàn)槿绱?，即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值；另一方面則說明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)分析、解決這種問題的全新思路。3 SPWM法 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在

18、具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實(shí)現(xiàn)有以下幾種方案。 (1) 等面積法 該方案實(shí)際上就是SPWM法原理的直接闡釋，用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計(jì)算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中，通過查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷，以達(dá)到預(yù)期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn)，

19、可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。 (2) 硬件調(diào)制法 硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。 (3) 軟件生成法 由于微

20、機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應(yīng)運(yùn)而生。軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法，其有兩種基本算法，即自然采樣法和規(guī)則采樣法。 自然采樣法是以正弦波為調(diào)制波，等腰三角波為載波進(jìn)行比較，在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，這就是自然采樣法。其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性，脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距，從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，計(jì)算繁瑣，難以實(shí)時(shí)控制。規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，

21、從而實(shí)現(xiàn)SPWM法。當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的，這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣。當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí)，由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬，在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱，這種方法稱為非對(duì)稱規(guī)則采樣。數(shù)字PWM技術(shù)是通過用不同的調(diào)制算法或調(diào)制電路，將輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成不同調(diào)制形式的PWM脈沖信號(hào)，并通過控制脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓、頻率及控制和消除諧波的目的。數(shù)字PWM技術(shù)以其控制靈活、高效節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于分時(shí)多路復(fù)用

22、系統(tǒng)、射頻傳輸、光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、通信系統(tǒng)和數(shù)字音頻系統(tǒng)。1.4 論文背景和選題意義PWM調(diào)制電路是開關(guān)電源芯片設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部分，它是一個(gè)電壓比較器（Comparator）模塊，它將放大器（Amlifier）模塊的輸出信號(hào)Vamp和振蕩器（Oscillator）模塊產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)osc進(jìn)行比較，產(chǎn)生的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)（PWM信號(hào)）。若vamp的電壓高于鋸齒波osc的電壓，則產(chǎn)生的PWM信號(hào)為高電平，反之為低電平。當(dāng)反饋端FB的電壓升高時(shí)，Amplifier模塊的輸出信號(hào)電壓vamp降低，則PWM的同向輸入端的電壓降低，與鋸齒波信號(hào)比較之后，產(chǎn)生的PWM信號(hào)的高電平時(shí)間變小，即PWM信號(hào)的占空比

23、減小，功率開關(guān)管的開啟時(shí)間減小，反之則增大。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。隨著八十年代末期社會(huì)分工的進(jìn)一步發(fā)展，集成電路產(chǎn)業(yè)逐漸分化為設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試等幾個(gè)產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)的分工也帶來一些問題，那就是設(shè)計(jì)企業(yè)不能根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求來調(diào)整工藝參數(shù)，而是要讓自己的設(shè)計(jì)適應(yīng)工藝參數(shù)的要求。尤其是模擬電路的設(shè)計(jì)，和各種工藝參數(shù)息息相關(guān)，工藝參數(shù)的穩(wěn)定性決定著電路的性能甚至是功能。這就

24、迫切要求設(shè)計(jì)企業(yè)能迅速適應(yīng)現(xiàn)代工廠工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)出成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品。PWM比較器是模擬集成電路極為重要的組成部分，它對(duì)模擬電子技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展具有重要的作用，其中高精度比較器在電源切換管理、工業(yè)控制芯片中有廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用對(duì)性能指標(biāo)要求不是很高，但是應(yīng)用環(huán)境比較苛刻，要求芯片能在苛刻的條件下保持穩(wěn)定的性能。高速比較器是存儲(chǔ)器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的重要組成部分，很大程度上決定著這些系統(tǒng)的主要性能，目前，集成電路系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率已經(jīng)達(dá)到幾GHz甚至幾十GHz，這就需要具有相同性能模擬電路與之相匹配。很大程度上，模擬電路的性能逐漸稱為集成電路系統(tǒng)性能提升的瓶頸。因此，高性能模擬電路的設(shè)計(jì)在集成電

25、路設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的作用。1.5 本論文主要工作比較器工作原理。比較器是將兩個(gè)相差不是很小的電壓進(jìn)行比較的系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的比較器就是運(yùn)算放大器。我們知道，運(yùn)算放大器在連有深度負(fù)反饋的條件下，會(huì)在線性區(qū)工作，有著增益很大的放大特性，在計(jì)算時(shí)往往認(rèn)為它放大的倍數(shù)是無窮大。而在沒有反饋的條件下，運(yùn)算放大器在線性區(qū)的輸入動(dòng)態(tài)范圍很小，即兩個(gè)輸入電壓有一定差距就會(huì)使運(yùn)算放大器達(dá)到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出最大電壓，一般是+12V；如果反相端電壓較大，則輸出最小電壓，一般是-12V。這樣，就實(shí)現(xiàn)了電壓比較功能。如圖1-2所示，VA、VB為輸入端，VOUT為輸出端。當(dāng)輸入電壓VA>VB時(shí)，輸出端

26、VOUT則輸出高電平；當(dāng)VA<VB時(shí)，輸出端VOUT則輸出低電平。圖1-2 比較器模型本次研究課題的主要工作如下：1. 了解PWM的原理及結(jié)構(gòu)模型，對(duì)PWM中比較器進(jìn)行研究。2. 設(shè)計(jì)比較器電路的整體結(jié)構(gòu)。3. 對(duì)PWM比較器的各個(gè)子模塊電路進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真調(diào)試及結(jié)果分析。4. 整體版圖繪制。第二章 PWM比較器比較器不同于運(yùn)算放大器，在設(shè)計(jì)比較之前，必須了解比較器的參數(shù)特性。在不同的功能電路中，對(duì)參數(shù)特性的要求是不同的，如高增益比較器要求有足夠的帶寬，高速度比較器中要求比較器具有非常好的延時(shí)特性。PWM比較器就是高精度高速度比較器，在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中需要解決存在的增益、失調(diào)電壓、時(shí)延等

27、問題。在設(shè)計(jì)PWM比較器時(shí)，需要對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行折衷，即在相對(duì)較高增益、時(shí)延較小的情況下，具有較小的失調(diào)電壓和較低的靜態(tài)功耗，但是各個(gè)參數(shù)必須滿足性能要求。比較器是模擬電路中經(jīng)常用到的基本單元之一，其作用是比較兩個(gè)模擬信號(hào)的值并給出二進(jìn)制的結(jié)果。按照結(jié)構(gòu)的不同，常見的比較器可以分以下幾種：第1， 標(biāo)準(zhǔn)兩級(jí)比較器。這一類比較器采用差分放大級(jí)加輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。是最基本的比較器結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整差分放大級(jí)負(fù)載的結(jié)構(gòu)和輸出級(jí)的結(jié)構(gòu)，可以滿足各種不同的性能要求。但這種結(jié)構(gòu)有很多不足。由于結(jié)構(gòu)本身的限制，要在擺率、傳輸時(shí)延等性能之間折衷，只能應(yīng)用在對(duì)速度等要求不高的環(huán)境中。目前對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)兩級(jí)比較器的研究已經(jīng)很成熟，新

28、的研究結(jié)果并不多見。但是它是構(gòu)成其他比較器的基本單元，很多改進(jìn)都是針對(duì)具體的應(yīng)用條件的，影響這類比較器性能的主要因素是輸入失調(diào)電壓。第2， 開關(guān)電容比較器。開關(guān)電容比較器是由組合開關(guān)電容和開環(huán)比較結(jié)構(gòu)。它的有限是差分信號(hào)可以用單端電路進(jìn)行比較，而且可以對(duì)開環(huán)比較器直流失調(diào)電壓自動(dòng)校零。這種結(jié)構(gòu)在一定程度上解決了開環(huán)比較器直流失調(diào)電壓的問題，但是也引入了新的問題，那就是時(shí)鐘饋通問題。第3， 可再生比較器?？稍偕容^器又被稱為鎖存器或者雙穩(wěn)態(tài)電路，它使用正反饋來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的比較。這種比較器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，版圖面積小，適合大規(guī)模集成，一般應(yīng)用在SRAM等存儲(chǔ)器中。但是這種比較器需要高速時(shí)鐘作為控制信號(hào)，

29、限制了它的應(yīng)用范圍。第4， 高速比較器是目前研究的最多的一類比較器。這種比較器在模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器中有著廣泛的應(yīng)用，高速比較器一般采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，前面介紹的幾種比較器都可以作為高速比較器的一部分，但是需要調(diào)整性能參數(shù)。高速比較器最重要的目的就是降低傳輸時(shí)延，因此，這種結(jié)構(gòu)通過多級(jí)級(jí)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高增益，通過降低每一級(jí)的增益來實(shí)現(xiàn)高帶寬。2.1 幾種常見比較器結(jié)構(gòu)2.1.1 反相比較器如圖2-1所示是最簡(jiǎn)單的反相比較器。圖2-1由PMOS管M1和NMOS管M2組成，VIN2是參考端，電壓值必須確保M1管子導(dǎo)通，VIN1是輸入比較端當(dāng)輸入VIN1為高電平時(shí)，M2導(dǎo)通，電流通過M2流入地，輸出VOUT為0，即

30、低電平；當(dāng)輸入VIN1為低電平時(shí)，M1導(dǎo)通，M2截至，輸出VOUT為VDD，即高電平。從上述原理中可以得出，當(dāng)輸入VIN1為低電平時(shí)，即VIN1<VIN2時(shí)，比較輸出電壓為高電平（VDD），當(dāng)VIN1>VIN2時(shí)，比較輸出電壓為低電平（地），實(shí)現(xiàn)了比較功能。圖2-1反相比較器比較器的增益與兩個(gè)管子的跨導(dǎo)，輸出跨導(dǎo)不是很大，所以不會(huì)有更大的增益，但是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較適用于輸出大擺幅的比較器電路中。2.1.2 二級(jí)比較器雙端輸入差分放大電路二級(jí)比較器，如下圖2-2所示。兩級(jí)比較器：其中包括一級(jí)差分比較和一級(jí)反相放大。采用差分輸入便于控制比較器跳變電壓的離散性，使之對(duì)工藝和電源電壓的變化不敏

31、感，而反相級(jí)則補(bǔ)償了差分級(jí)輸入增益低的缺陷，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，這種電路的比較器增益為： (2-1)圖2-2 二級(jí)比較器由式（2-1）可知，增大差分MOS輸入管W/L或者減小工作電流I1、I6可提高比較器的增益。2.1.3 可驅(qū)動(dòng)大電容性負(fù)載的比較器 如果比較器連接有大的容性負(fù)載，它的速度將受到擺率的限制。在這些情況下，我們?cè)趦杉?jí)開環(huán)比較器的輸出端增加幾個(gè)級(jí)聯(lián)的推挽反相器12，如圖2-3所示。 反相器M8-M9和M10-M11可以允許有很大的電容C，且比較器速度不會(huì)降低。這一原理在高速數(shù)字緩沖器中很容易理解。如果大電容連到M6和M7的漏極，由于吸入和輸出的電流不大，擺率很不理想。反相器M8-M

32、9使電流驅(qū)動(dòng)能力增大的同時(shí)，而且不影響比較器的擺率，M8和M9的W/L值必須足夠大，以增加吸入和輸出電流的能力，且不加載M6和M7。同樣M10和M11使吸入和輸出電流的能力繼續(xù)增大，驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)，同時(shí)擺率會(huì)很大。圖2-3 增大兩級(jí)開環(huán)比較器的容性驅(qū)動(dòng)能力2.1.4 遲滯比較器 遲滯性是比較器的一種特性，它使比較器的輸入閾值電壓隨輸入或輸出的電平而變。通常情況下，這種比較器工作于噪聲環(huán)境中，且在閾值點(diǎn)檢測(cè)信號(hào)的變化。如果比較器比較速度足夠快且噪聲的幅度足夠大的話，其輸出端也存在噪聲。在這種情況下，需要在比較器中引入遲滯。如圖2-4所示是帶有輸出級(jí)和內(nèi)部遲滯的比較器，遲滯是通過內(nèi)部的正反饋來實(shí)現(xiàn)的

33、，在輸出端實(shí)現(xiàn)了差分到單級(jí)的轉(zhuǎn)換，為電路提供了驅(qū)動(dòng)能力。圖2-4 帶有輸出級(jí)和內(nèi)部遲滯的比較器在圖2-4中，共有兩條反饋路徑，第一條連接M1-M2的共源節(jié)點(diǎn)的串聯(lián)電流，這是負(fù)反饋；第二條是連接M6-M7源漏極的并聯(lián)電壓反饋，是正反饋。當(dāng)正反饋系數(shù)大于負(fù)反饋的系數(shù)時(shí)，整個(gè)電路將表現(xiàn)為正反饋，在電壓傳輸曲線中將出現(xiàn)遲滯17。2.1.5 離散時(shí)間比較器在很多電路中，比較器只作用一段時(shí)間，具有高速度、傳輸延時(shí)小的優(yōu)點(diǎn)。這種電路常常由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，比較器工作時(shí)，具有一部分時(shí)間和相位，不工作時(shí)，只具有相位。常見的電路有開關(guān)電容比較器和可在生比較器。其中，開關(guān)電容比較器使用組合開關(guān)電容和開環(huán)比較器，優(yōu)點(diǎn)是差分信

34、號(hào)可用單端電路進(jìn)行比較，且可對(duì)開環(huán)比較器直流失調(diào)電壓自動(dòng)校零，不常用?？稍偕容^器又叫鎖存器或雙穩(wěn)態(tài)電路。圖2-5是使用具有內(nèi)建閾值鎖存器的比較器。圖2-5 內(nèi)建閾值鎖存器的比較器在圖2-5中，M9-M10被用作復(fù)位鎖存器，這通過使M7-M8的漏源電壓為零來實(shí)現(xiàn)。鎖存器的輸入加在M1A、M1B的柵極。M1A、M1B、M2A、M2B工作于三極管先行區(qū)。輸入值將使M3和M4的源極到地的電阻發(fā)生變化，M3、M4構(gòu)成鎖存器的并行正反饋通路，鎖存器使能時(shí)，M3、M4的漏極將連到鎖存器的輸出。當(dāng)鎖存/復(fù)位變高時(shí)，鎖存器將進(jìn)入再生模式15。2.2 比較器參數(shù)2.2.1 增益比較器增益定義了輸出能夠在兩個(gè)二進(jìn)

35、制狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換所需要的最小輸入變化量精度。決定了轉(zhuǎn)換快慢。圖2-6所示比較器的增益為無限大時(shí)理想傳輸曲線。VOHV0（VP-VN）+VOL圖2-6 比較器理想傳輸曲線圖 VOL、VOH分別表示后續(xù)數(shù)字電路要求的高低電平。在實(shí)際應(yīng)用中，比較器的增益不可能為無限大，圖2-7所示是實(shí)際比較器傳輸曲線。增益： （2-2）(VP-VN)V0VOHVOLVILVIH圖2-7 實(shí)際轉(zhuǎn)移曲線其中VIL和 VIH分別是輸出達(dá)到上限和下限所需要的輸入點(diǎn)壓差。實(shí)際比較的時(shí)候，提高增益有很多方法，本文設(shè)計(jì)比較器采用在輸入及和輸出及之間增加一級(jí)有源負(fù)載差分放大器，使得總增益提高。2.2.2 失調(diào)電壓 將差分放大器的兩個(gè)

36、輸入端連接在一起，在輸出端測(cè)到的電壓就是輸出失調(diào)電壓，用VGS表示。將輸出失調(diào)電壓除以放大器的增益，得到的失調(diào)電壓叫輸入失調(diào)電壓，用VOS表示。公式表示為： （2-3）如圖2-8中標(biāo)示的即是比較器的輸入失調(diào)電壓。在一些需要精度很高的系統(tǒng)中，失調(diào)電壓是一個(gè)相當(dāng)重要的參數(shù)，對(duì)同一個(gè)設(shè)計(jì)來說，每個(gè)電路的失調(diào)電壓都不一定相同，而是隨機(jī)變化的16。電路的輸入失調(diào)電壓主要是油實(shí)際電路中元器件參數(shù)值的不相同而造成的，其中主要是兩個(gè)輸入管閾值電壓、導(dǎo)通電阻等區(qū)別產(chǎn)生的。VOUTVOHVOLVIHVIL0VOS圖2-8 具有輸入失調(diào)電壓的比較器傳輸特性在PWM電路中，比較器失調(diào)電壓參數(shù)十分重要，如果此參數(shù)過高，

37、導(dǎo)致PWM比較器輸出結(jié)果延遲，達(dá)不到預(yù)期效果。解決失調(diào)電壓過高的方法有兩種15：第一種：為了減小工藝誤差對(duì)電路性能的影響，兩個(gè)輸入PMOS管的面積需要做的很大，來補(bǔ)償摻雜濃度、溝道調(diào)制效應(yīng)、氧化層電荷密度等因素起伏的影響。第二種：通過改變兩個(gè)輸入差分對(duì)管的對(duì)稱性。如果失調(diào)電壓為VOS，即比較器輸出信號(hào)在V11-V12=VOS時(shí)才跳變，則在VS2端增加一靜態(tài)電壓VOS，使得輸入差為零，在差分放大器內(nèi)部相當(dāng)于輸入之差為VOS，比較器發(fā)生跳變。2.2.3 時(shí)延時(shí)延即比較器的響應(yīng)時(shí)間，指從輸入越過閾值點(diǎn)VT時(shí)起到輸出一個(gè)有效邏輯信號(hào)。如圖3-4所示是比較器的傳輸時(shí)延，時(shí)延隨輸入信號(hào)幅度的變化而變化，較

38、大的輸入使時(shí)延變短。輸入電平會(huì)增大到一個(gè)上限，即輸入電平增加到一定值后時(shí)延基本不在變化，這時(shí)的電壓變化率被稱為擺幅。在圖2-9中，VIL和VIH是輸出分別達(dá)到下限和上限所需要的輸入電壓差VP-VN，VOH和VOL是比較器輸出的高電平和低電平，tp為傳輸延遲時(shí)間。從圖中可以看出，當(dāng)從輸入電壓差的中點(diǎn)值開始，理想比較器應(yīng)該翻轉(zhuǎn)，實(shí)際比較器在經(jīng)過一段時(shí)間后才開始翻轉(zhuǎn)。VoVi=VP-VNVOHVOLVIHVILt(S)t(S)tPVo=(VOH+VOL)/2Vi=(VIH+VIL)/2圖2-9 比較器的傳輸延時(shí)如果比較器的增益表示式為： （2-4） 其中，是比較器直流增益，S是輸出擺幅，=是比較器頻

39、率響應(yīng)單極點(diǎn)（主極點(diǎn)）的-3dB頻率。設(shè)比較器的最小輸入電壓差為比較器的精度，定義比較器最小輸入電壓為： （2-5） 對(duì)于一個(gè)階躍輸入電壓，當(dāng)以Vinmin加在比較器上時(shí)，得到： （2-6） （2-7）所以，階躍輸入為Vinmin時(shí)的傳輸時(shí)延為： （2-8）此公式使用于比較器的正向或是負(fù)向輸出的傳輸延遲。如果輸入是Vin的k倍，則傳輸時(shí)延為： （2-9）其中，顯然，比較器的輸入信號(hào)Vin越大，傳輸時(shí)延越短。隨著比較器輸入信號(hào)增加，比較器最終進(jìn)入大信號(hào)模式。在大信號(hào)模式下，由于電容充放電電流限制，將出現(xiàn)擺率限制。如果傳輸時(shí)延由比較器的電壓擺率（SR）決定，則公式（2-9）可以寫為： （2-10）

40、有公式（3-10）可知，當(dāng)傳輸時(shí)延由擺率SR決定時(shí)，減小傳輸時(shí)延的方法是增加比較器供出或吸入電流的能力。（壓擺率在英文里是Slew Rate，減寫為SR，也稱轉(zhuǎn)化速率，SR=。壓擺率就是運(yùn)算放大器輸出電壓的轉(zhuǎn)換速率，單位通常有V/s，V/ms和V/s三種，它反應(yīng)的是一個(gè)運(yùn)算放大器在速度方面的指標(biāo)，一般來說，壓擺率高，其工作電流也越大，亦即耗電也大，壓擺率卻是高速運(yùn)放的重要標(biāo)志。）第三章 PWM比較器設(shè)計(jì)3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)通過前面對(duì)PWM比較器的分析研究，結(jié)合開關(guān)電源控制芯片實(shí)際應(yīng)用，本章設(shè)計(jì)出了一個(gè)用于開關(guān)電源控制芯片中的PWM比較器，并結(jié)合設(shè)計(jì)電路圖，對(duì)設(shè)計(jì)思路、參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。由開關(guān)電源

41、控制方式可知，電壓型是對(duì)輸出電壓進(jìn)行采樣，電流型對(duì)輸出電壓和峰值電流采樣。雖然控制芯片的反饋?zhàn)兞坎煌妷盒秃碗娏餍涂刂颇Ｊ降暮诵碾娐范加蠵WM比較器，且PWM比較器的輸入輸出變量都一樣。所以，PWM比較器在開關(guān)電源控制芯片中起著非常重要的作用。它要求具有高的增益和低的失調(diào)電壓，以保證比較的精度，使比較器在系統(tǒng)要求的時(shí)間點(diǎn)能進(jìn)行跳變。同時(shí)必須具有相當(dāng)短的響應(yīng)時(shí)間，如果響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)關(guān)斷的信號(hào)延遲，使得開關(guān)管在經(jīng)過一段時(shí)間延遲后才關(guān)斷，這樣會(huì)導(dǎo)致輸出電壓過大，嚴(yán)重會(huì)燒毀開關(guān)管而導(dǎo)致控制芯片燒壞。對(duì)控制芯片及時(shí)采樣信號(hào)并做出處理后輸出給開關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷工作，PWM比較器的設(shè)計(jì)最為關(guān)

42、鍵，設(shè)計(jì)開關(guān)電源控制芯片的核心部分就是設(shè)計(jì)一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的PWM比較器。在設(shè)計(jì)PWM比較器時(shí)，不能單純考慮增益或失調(diào)或時(shí)延，需要對(duì)所有特性進(jìn)行綜合考慮，滿足整個(gè)開關(guān)電源控制芯片要求。由此，設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于開關(guān)電源控制芯片中的PWM比較器模塊電路。其性能指標(biāo)如下：1. 工作電壓：2.5V2. 靜態(tài)電流：大于30uA，小于等于40uA3. 增益：大于等于80dB4. 時(shí)延：上升時(shí)延小于100ns，下降時(shí)延小于80ns5. 靜態(tài)功耗：小于340uw本文設(shè)計(jì)的用于開關(guān)電源PWM比較器整體部分組成有：偏置電流鏡、前置差分放大、中間級(jí)有源負(fù)載差分放大電路、輸出級(jí)共源級(jí)放大電路四部分。其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所

43、示。輸入信號(hào)電流鏡中間級(jí)放大前置差分放大輸出級(jí)PWM輸出圖3-1 PWM比較器整體框圖原理：前置差分放大器的輸入信號(hào)來自誤差放大器的微弱信號(hào)與信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行放大，該放大器的增益不是很大；放大后的信號(hào)送至中間級(jí)放大器，該放大器需要很大的增益，以便放大后信號(hào)能夠顯示信號(hào)強(qiáng)弱；電流鏡主要是為前置差分放大器、中間級(jí)放大器、輸出負(fù)載提供恒定電流；輸出級(jí)共源放大器增加了輸出擺幅，得到PWM輸出。3.2 電流鏡的設(shè)計(jì)在集成電路高穩(wěn)定工作中，信號(hào)的產(chǎn)生、放大、傳輸都離不開電流，每一個(gè)信號(hào)的控制作用都是在電流和電壓之間不停地轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)的。電流源是電路中各子模塊工作電流的來源，是各部分

44、電路穩(wěn)定工作的保證。在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)者總希望電路的直流工作點(diǎn)穩(wěn)定，這通常要求模塊偏置電流與電源電壓和負(fù)載無關(guān)。自偏置電流源可以滿足這樣的設(shè)計(jì)要求。電流鏡是模擬IC設(shè)計(jì)的基本組成單元，用于將電路偏置在理想的工作狀態(tài)。電流鏡的鏡象原理：如果兩個(gè)工藝相同的MOS管的柵源電壓相等，在漏源電壓相差不大時(shí)，溝道電流之比近似等于MOS管的寬長(zhǎng)比之比21。理想的電流鏡是任何時(shí)候輸出的電流都和端電壓無關(guān)的。圖3-2為最基本的NMOS電流鏡，M1管柵漏相接，使其工作在飽和狀態(tài)，假設(shè)M2同樣工作在飽和區(qū)，忽略溝道長(zhǎng)度調(diào)制，可以得到: （3-1） （3-2）由，忽略體效應(yīng)，由式（3-1）和式（3-2）可以得到輸

45、出電流與基準(zhǔn)電流之比： （3-3）當(dāng)MOS管采用同一工藝流程制造時(shí)，漏源電壓VDS不相等是影響3-2中電流鏡性能的最主要因素 8。 圖 3-2 基本電流鏡 圖 3-3 共源共柵電流鏡MOS管的溝道長(zhǎng)度越短，漏源電壓越大，溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)越顯著。為了抑制溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)，迫使VDS1=VDS2，可以采用共源共柵結(jié)構(gòu)。如圖3-3是共源共柵電流鏡，適當(dāng)選取M1和M4的參數(shù)，可以使M2、M3的漏端電壓相等，從而消除溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。圖3-3中的共源共柵電流鏡雖然消除了溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)帶來的影響，但是由于輸出點(diǎn)到地之間疊加兩個(gè)MOS管，因此限制了輸出電壓擺幅23。為改善上述共源共柵電流鏡的輸出范圍，可以

46、對(duì)共源共柵電流鏡做如圖3-4的改進(jìn)5。在圖3-4中，VA=VGS1-VDS2，若選取VDS2=VT，則：VB=VA=Von（3），于是：Vxmin=Von4+Von3，比基本共源共柵電流鏡減小了一個(gè)閾值電壓VT，低壓共源共柵電流鏡由此得名。圖 3-4 低壓工作時(shí)共源共柵電流鏡在圖3-4中，由于輸出點(diǎn)在MOS管M4的漏極，到地層疊了兩個(gè)MOS管，為了提高輸出電壓的下擺幅，使在NMOS管M2和M4上的壓降達(dá)到最小，同時(shí)又要保證兩個(gè)NMOS管都始終工作在飽和區(qū)，需要選擇適當(dāng)電壓vb，使輸出支路M2和M4上消耗的電壓余度最小，同時(shí)保證精確的鏡象參考電流。由于增加了偏置電壓Vb，也增加電路的復(fù)雜性。圖3

47、-5是本文設(shè)計(jì)自偏置低壓共源共柵電流鏡，M17、M18、M19、M20、M21都工作于飽和區(qū)，電流鏡中所有MOS管取相同的溝道長(zhǎng)度L，以減小源漏區(qū)邊緣擴(kuò)散(LD)所產(chǎn)生的誤差。在圖3-5中，通過分壓電阻RD實(shí)現(xiàn)M17和M19的漏源電壓相等，替代了圖4-4中偏置電壓Vb，且M19、M20消耗的電壓余度最小(M19與M20過驅(qū)動(dòng)電壓之和)，完成了對(duì)電流IREF的精確鏡像。 （3-4）其中， （3-5）圖 3-5 自偏置低壓共源共柵電流鏡自偏置低壓共源共柵電流鏡MOS管及電阻參數(shù)：M21 w=8u l=1uM18 w=15u l=0.5uM17 w=15u l=0.5uM19 w=15u l=0.5

48、uM20 w=15u l=0.5uRD w=1.3u l=10uVR14=1.1v3.3 前置差分放大電路設(shè)計(jì)差分放大電路就其功能而言，是放大兩個(gè)輸入信號(hào)之差，由于其在電路和性能方面有很多優(yōu)點(diǎn)，因而在運(yùn)放和比較器設(shè)計(jì)電路中廣泛應(yīng)用。圖3-6是本文設(shè)計(jì)的P溝道雙端輸入和雙端輸出差分放大器。在圖3-6中，VS1、VS2是差分放大器的兩個(gè)輸入端，VS2是來自誤差放大器放大后輸出的誤差電壓，誤差電壓值是隨機(jī)變化的，所以用緩慢變化正弦波電壓模擬誤差放大器的誤差電壓值，輸入至差分放大器輸入端，頻率為10KHZ上，幅值為2.5V。Vs2是三角波比較信號(hào)，其周期為200us，起始電壓2.4V，終止電壓2.6V

49、。Ml和M2是差分放大器的輸入PMOS管，兩個(gè)管子是完全對(duì)稱的，襯底接電源電壓VDD；M3為差分放大器提供尾電流；M4和M5構(gòu)成的二極管連接MOS管是差分放大器的負(fù)載，M6和M7構(gòu)成的電流源是為解決二極管連接的MOS作負(fù)載時(shí)增益低而設(shè)置的，并聯(lián)電流源相當(dāng)于降低了M4和M5的跨導(dǎo)，增加輸出電阻。在差分放大器作為比較器輸入級(jí)的應(yīng)用設(shè)計(jì)中，往往先將一個(gè)輸入電壓固定為參考電壓，另一輸入電壓變化，當(dāng)變化到參考電壓時(shí)，輸出產(chǎn)生跳變。此參考電壓的設(shè)定，必須使所有MOS管子都處于飽和區(qū)。為了獲得最大差分增益，要求所有管子也都工作在飽和區(qū)。差分放大器左右兩邊是對(duì)稱的，Ml-M2、M4-M5、M6-M7相對(duì)有相同

50、的寬長(zhǎng)比。圖 3-6 雙端差分輸入電路工作原理分析：M3提供的尾電流為ISS3，負(fù)載MOS管M4-M6的阻抗為1/gm4.6，M5-M7的阻抗為1/gm5.7，首先假設(shè)VS1VS2，由于尾電流ISS3有限，將導(dǎo)致VP<VS1-VTH，M2管導(dǎo)通，M1管截至，尾電流源M3提供尾電流將全部流入M2所在支路，差分輸出端電壓為：VO1A=VDD，VO1B=（1/gm5.7）*VS2，隨著VS1-VS2逐漸變小，VP將緩慢增加，當(dāng)VP>VS1-VTH時(shí)，M1管開始導(dǎo)通，M1管處于飽和區(qū)，M2管飽和，尾電流ISS3將有一小部分流入M1管，剩余的電流流入M2管，但一直保持ID1+ID2=ISS3

51、；此后，隨著VS2的增加，M1管電流ID1將逐漸增大，相應(yīng)的M2管的電流ID2將逐漸減小，VOIA=ID1*(1/gm4.6)，VOIB=ID2*(1/gm5.7)。當(dāng)VS1=VS2時(shí)，兩電流相等，VOIA=VOIB=(1/2)*ISS3*(1/gm4.6)。此后，隨著VS2的繼續(xù)增加，ID1繼續(xù)增大，而ID2繼續(xù)減小。當(dāng)VS1VS2時(shí)，M2管截至，M1管導(dǎo)通，ISS3全部流入M1管，VOIB=VDD，VOIA=ISS3*（1/gm4.6）。雙端差分輸入電路MOS管參數(shù)：M3 W=16u L=1uM1 W=40u L=1uM2 W=40u L=1uM6 W=5u L=1uM4 W=5u L=1

52、uM5 W=5u L=1uM7 W=5u L=1u3.4 中間級(jí)放大器設(shè)計(jì)由于受MOS管尺寸和工藝的影響，輸入級(jí)的差分放大器的增益不是很大，為了進(jìn)一步提高增益，達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，必須增加中間級(jí)放大電路。圖3-7是本文設(shè)計(jì)的有源負(fù)載差分放大中間級(jí)放大電路，具有很高的增益，并將雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出的差動(dòng)對(duì)放大電路。在圖3-7中，將差分輸入級(jí)放大輸出的電壓VOIA、VOIB作為中間級(jí)放大器的的輸入端，M8、M9、M10、M11和M12組成雙端輸入轉(zhuǎn)單端輸出的帶有源電流鏡(有源負(fù)載)的差動(dòng)對(duì)放大器。其中，M9-M8組成差分管，M11-M12構(gòu)成鏡像，組成有源負(fù)載，M10為該放大器提供尾電流。該電路的重要特

53、性之一是將差動(dòng)雙端輸入信號(hào)變成了單端輸出信號(hào)，完成了雙一單端變換。圖 3-7 帶有源電流鏡差放電路帶有源電流鏡差放電路MOS管參數(shù)：M11 W=20u L=1uM8 W=45u L=1uM12 W=20u L=1uM9 W=45u L=1uM10 W=16u L=1u3.5 輸出級(jí)設(shè)計(jì) CMOS輸出級(jí)的基本作用是電流變換，大部分輸出級(jí)都具有高電流增益和低電壓增益。對(duì)一個(gè)輸出級(jí)的特定要求有:(l)以電壓或電流的形式提供足夠的輸出功率，(2)防止信號(hào)失真，(3)高效率，(4)對(duì)異常狀態(tài)(短路，過熱等)提供保護(hù)。由于信號(hào)擺幅很大，并且在小信號(hào)放大器中一般的非線性問題變得重要了，故而有第二項(xiàng)要求。第三

54、項(xiàng)要求是要使驅(qū)動(dòng)晶體管上的功耗比負(fù)載上的功耗小得多。對(duì)第四項(xiàng)要求，CMOS輸出級(jí)通常都可以滿足，這是由于MOS器件本身的自我限制特性造成的。10當(dāng)負(fù)載是由一個(gè)小電阻或大電容組成時(shí)，就不希望輸出電阻太大，要在小的負(fù)載電阻上取得較大的輸出電壓擺幅，就要求很大的電流，一個(gè)大負(fù)載電容要求很大的輸出電流來提供所需的充電電流，才能滿足瞬態(tài)響應(yīng)的要求。中間級(jí)有源負(fù)載差分放大器提供了較高的增益，但是輸出擺幅受到限制。為了得到大擺幅，輸出級(jí)加入有源負(fù)載共源級(jí)放大電路（采用負(fù)載電阻或者是二極管連接負(fù)載，增大阻值會(huì)限制輸出電壓的擺幅)。為了在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)偏壓下提供足夠的輸出電流，就必須采用低阻輸出級(jí)。l8本論文采用了

55、有源負(fù)載共源級(jí)放大電路作為輸出級(jí)的放大電路，如圖3-8所示虛線左邊，M13、M14構(gòu)成有源負(fù)載共源級(jí)放大電路，M13為有源負(fù)載。圖3-8虛線左邊中，M13、M14都工作在飽和區(qū)，在輸出結(jié)點(diǎn)看到的總輸出阻抗等于ro13與ro14并聯(lián)。小信號(hào)增益為： （3-6）圖 3-8 輸出級(jí)及其驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路比較器和一般運(yùn)放不同，輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)。在開關(guān)電源芯片中，MOS開關(guān)管接受的信號(hào)只有高電平和低電平兩種狀態(tài)的信號(hào)電壓，即輸出端到端滿擺幅工作，要求比較器的輸出級(jí)具有滿擺幅。根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)可知，開關(guān)電源的輸出外接有大容量的電容和電感，控制芯片的速度將受到擺率的限制，使反饋電路的響應(yīng)變慢，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。在比

56、較器電路中，為了滿足上述的要求，一般將多個(gè)反相器級(jí)聯(lián)，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行波形整形，使其輸出電壓具有VDD和0兩種狀態(tài)。如圖3-8所示虛線右邊，本論文采用一個(gè)反相器作為整形電路。加入該電路后，不僅能將邊沿緩慢變化的信號(hào)波形整形為邊沿陡峭的矩形波，還可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除，同時(shí)，能起到與負(fù)載隔離的作用，而且提高了電路帶負(fù)載能力11。圖4-8虛線右邊電路中M15、M16兩個(gè)管子都處于飽和區(qū)。當(dāng)VO3輸入的信號(hào)電壓很小時(shí)(大于0)，M15導(dǎo)通，M16關(guān)斷，M15電流不能正常的向下流動(dòng)，輸出端VOUT輸出信號(hào)電壓為VDD;當(dāng)VO3輸出的電壓很大時(shí)(小于VDD)，M15關(guān)斷，M16導(dǎo)通，VOUT=0;在輸出端達(dá)到滿擺幅狀態(tài)。輸出級(jí)及其驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路MOS管參數(shù)：M13 W=16u L=1uM14 W=40u L=1uM15 W=5u L=0.5uM16 W=5u L=1u3.6 PWM比較器整體電路根據(jù)前面的分析，將其綜合連接后，得到開關(guān)電源控制芯片中PWM比較器的整體電路圖如