毕业设计（论文）-PWM比较器电路仿真设计.doc

论文题目：PWM比较器电路仿真设计I摘要脉冲宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。本文通过对PWM发展现状的了解，在掌握PWM反相器原理的基础上，比较分析了几种常见的比较器电路结构，根据PWM中对比较器的性能要求，设计了一种具有高增益和适当带宽、小的失调电压、在低功耗情况下具有较短响应时间的比较器；利用集成电路EDA设计软件，对各子模块电路进行了参数设计及仿真分析，同时进行了PWM比较器整体电路的仿真，并绘制了整体的电路版图。本文所设计PWM比较器的增益达80dB以上，总版图面积为5674um2。关键词PWM；比较器；增益；时延IIAbstractPWMisinEnglish"PulseWidthModulation"abbreviation,Itisuseddigitaloutputofmicroprocessortocontroloftheanalogcircuitthisisaveryeffectivetechnology,Usedforeverythingfrommeasuring,communicationstopowercontrolandconversionofmanyareas.PWMisananalogcontrolmethod,Thechangesundertheappropriateloadmodulationtransistorgateorbasebias,Toachievetheswitchingpowersupplyoutputtransistorsortransistorconductiontimechange,Thisapproachenablesmakethepowersupplyoutputvoltagechangesinworkingconditions,constant,Itisuseddigitaloutputtomicroprocessortocontroloftheanalogcircuitaveryeffectivetechnique.ThispaperisbasedonthePWMcomparatorDevelopmentofunderstanding.InthecontrolbasedonPWMprinciple,Comparativeanalysisofseveralcommoncomparatorcircuitstructure,PWMcomparatorbasedonperformancerequirements,Designasuitablebandwidth,highgainandsmalloffsetvoltage,lowpowerconsumptionincaseofashortresponsetimecomparator；UsingintegratedcircuitdesignEDAsoftware,eachofsub-modulecircuitdesignandsimulationparameters,PWMcomparatorandtheoverallsimulationofthewholecircuit.PWMcomparatordesigninthispapergainofupto100dB.Fortheoveralllayoutofthedrawing,thetotallayoutareas5674um2.KeywordsPWM；comparator；gain；delay目录摘要.IAbstract.II第一章引言.11.1PWM介绍.11.2PWM的发展现状及应用领域.11.3PWM技术.31.4论文背景和选题意义.51.5本论文主要工作.6第二章PWM比较器.82.1几种常见比较器结构.82.1.1反相比较器.92.1.2二级比较器.92.1.3可驱动大电容性负载的比较器.102.1.4迟滞比较器.102.1.5离散时间比较器.112.2比较器参数.122.2.1增益.122.2.2失调电压.132.2.3时延.14第三章PWM比较器设计.173.1设计指标.173.2电流镜的设计.183.3前置差分放大电路设计.203.4中间级放大器设计.223.5输出级设计.223.6PWM比较器整体电路.24第四章仿真结果及分析.264.1电流镜的仿真及分析.264.2PWM比较器的整体仿真及分析.274.3其他模块的仿真分析.294.4PWM比较器整体电路版图.30结论.32参考文献.33附录一电流镜相关网表.35附录二其他模块仿真网表.36附录三比较器仿真网表.38致谢.41PWM比较器电路仿真设计1第一章引言1.1PWM介绍脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，可变电阻是通过改变其接入电路的电阻值来控制负载的电流或者电压值，来达到控制效果，而PWM则是通过数字编码（调制频率），对模拟信号电平进行调制来达到控制效果。图1-1PWM方式原理图如图1-1所示，从输入端输入电压信号和参考电压信号通过放大器进行放大产生放大信号（但是从放大器输出的电压信号通常不稳定），这个放大信号与三角波信号发生器产生的锯齿波进行比较，产生PWM控制信号，可以通过改变三角波的频率来实现对PWM信号的控制。PWM比较器通过对两个输入电压进行比较，通常保持一端输入电压不变，另一端输入电压可以是锯齿波或正弦波，通过PWM比较器的比较，在输出端产生高低电平的方波信号，方便于应用，但要求比较器的时延低，增益大等。1.2PWM的发展现状及应用领域随着工艺的发展，比较器得到了前所未有的研究和开发，其性能指标主要有共模输入范围、增益、失调电压、传输时延、摆率、带宽、比较精度等。目前，比较器的研究主要集中在下面两个方面：降低失调电压和提高电路速度。MarcH.Cihen、PamelaA等提出了一种可编程的浮栅机构，利用浮栅PFET作为电荷存储单元，设计出一中可消除失调电压的非易失性电压比较器。李彦旭等利用锗硅BiCMOS级数，设计出了失调电压为10uV、频率为10Mhz的动态高速比较器。还有一种所谓后台校准级数，在不影响ADC采样的情况下，通过比较器的二进制输出反馈校正比较器的失调电压。吴晓波等人利用两个宽长比不相等的跳变电压的比较器，为PWM比较器的研究提出了一种新颖的设计思路1。PWM比较器电路仿真设计2对于适用与PWM中的比较器的研究，并不是单一的集中在哪个特性上面，而是对所有参数的综合考虑，目前研究主要是专注于静态功耗特性和时延特性上面，毕竟，比较器的增益通过增加放大电路很容易达到很高，一般的失调电压也很低。如何在高增益条件下取得低时延和低功耗将是研究的重点，也是每个设计研究者所想要达到的目的。脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。1PWM在模拟电路中的应用模拟电路模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V,5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。2PWM在数字电路中的应用数字控制通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。大多数负载(无论是电感性负载还PWM比较器电路仿真设计3是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。硬件控制器许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期，在PWM控制寄存器中设置接通时间，设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚，启动定时器，使能PWM控制器虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同，但它们的基本思想通常是相同的。1.3PWM技术PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几种类方法。1.等脉宽PWM法VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)装置在早期是采用PAM(PulseAmplitudeModulation)控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。2随机PWM在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了