（微电子学与固体电子学专业论文）dcdc转换器中核心模块的研究与设计.pdf

西北大学硕，j ：学位论文 摘要 以电池供电的便携式电子设备的广泛应用，对电源管理芯片提出了更高的要求。 小型化、低功耗、高转换效率的开关电源芯片成为其发展的趋势之一，普遍地被应用 于驱动有源矩阵薄膜晶体管( 丌) 和液晶显示器( l c d ) 等产品中。 本文采用u m c0 6 u m2 p 2 mb c d 工艺，分析和设计了一种高频、高效的电流控 制模式d c ，d c 单片开关电源，同时内含两个高性能的r a i l t o r a j l 运算放大器。作者 首先介绍了d c d c 变换器的基本原理，简要阐述了p w m 和p f m 调制方式，对比了 电压控制和电流控制两种模式，并且分析了各自的优缺点；其次，根据应用要求进行 了电路的总体结构设计，完成了多个核心电路的分析和设计。限于文章篇幅，作者有 选择地分析和设计了带隙基准源、运算放大器、振荡器、误差放大器、p w m 比较器、 分频延时电路以及温度保护和欠压封锁等核心模块。 在完成原理分析与电路设计的基础上，本文应用e d a 软件h s p i c e 对各个核心电 路模块进行了仿真和模拟，仿真结果达到了预定指标，验证了作者在文中所阐述的电 流控制模式d c ，d c 转换器的设计理论，是设计理论与实践相结合的一次有价值的尝 试。 关键词：d c d c 转换器，p w m 电流控制模式，带隙基准，r a i l t o r a i l 运算放大器， 误差放大器。 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。 本人允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研 究所等机构将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它 相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 、耖，叩 学位论文作者签名：丝! 堕二：指导教师签名： l 丑i ! 辇 鲫8 年月，罗日 训引卧f 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 宿e 耄、 岫8 引月夕日 两北人学硕 ：学位论文 电子产品的电池使用时间，目前已经成为消费者最为关心的性能之一。如何提高 电池的寿命，以及如何提高效率延长电子产品使用时间，是摆在电源管理产品研发人 员面前的一大挑战。 ( 2 ) 体积和成本最小化； 在性能相同的前提下，体积更小、成本更低的产品必然更具竞争力。为了减小体 积，封装也是电源管理l c 要解决的难题之一。而缩减成本、提高利润一直是各个厂 商的最终追求目标。换言之，电源管理面临的关键任务之一就是如何使产品的性价比 最大化。 ( 3 ) 电压提供多样化： 现在的便携产品通常都会集成诸如视频、音频、照相、录像等多种功能。不同功 能的实现都需要不同的稳定可靠、干净、高效的电压供应，这也是电源管理面临的一 个挑战。如何有效地管理多种电压，并且使之互不干扰，是电源设计中正面临的一个 难题。 ( 4 ) 设计周期最短化； 市场竞争的日趋激烈和产品的快速更新换代使得商家不得不在尽可能短的时间 内将产品推向市场以抢占先机。为此，产品的设计周期也从过去的1 2 1 8 个月变为6 个月甚至更短。这使传统的模拟i c 设计人员面临严峻的挑战。 ( 5 ) 数字电源和模拟电源的相互结合。 过去业界很多人认为，数字技术很快将争夺电源管理器件控制电路的主导权。但 从用户的角度来说，也只有当数字电源的成本等于或低于模拟电源时，用户才会考虑 使用。如今的实际情况是，这两种技术看起来正齐头并进，互为补充。相信在未来几 年，两种技术各展所长，共同推动电源管理技术的发展。 1 3 本论文的主要工作及内容组织 第一章对开关电源的研究现状、发展前景进行了简单介绍，说明了本课题研究的 选题背景和重要意义； 第二章简要的介绍了开关电源的基础，包扩d c ，d c 转换器的基本原理、开关电 源的几种主要调制模式和开关电源的常见控制模式等； 两北人学硕士学位论文 第三章根据前面的介绍，详细的分析和设计了d c ，d c 转换器中常见的多个核心 模块，如带隙基准源、运算放大器、振荡器、误差放大器、p w m 比朝“雾薹| 引瞥塑甏蠼删鹱吖体毯宝i 曩| 蓁政明酬铂砷蠢必鍪薹萎薹藩客 蠢蓁| 了囊叼雾羹鋈蠹= 冀主囊霎鎏妻藿晨锄：霜鐾磊 髹秘誉蠢捌毫脞恕缀坐垒垡羹婀首 直是各个厂 商的最终追求目标。换言之，电源管理面临的关键任务之一就是如何使产品的性价比 最大化。 ( 3 ) 电压提供多样化： 两北人学硕士学位论文 图2 1b o o s t 型开关电源的原理图 b o o s t 电路可以在连续电流模式和不连续电流模式两种状态下工作。连续模式 表示电路在每个开关过程中都有连续变化的电感电流；而不连续模式表示电路在整个 工作状态中有部分时间电感电流为零，在每个开关过程开始时，电感电流从零逐渐增 加，到达一定值又逐渐下降，一直降到电流为零，然后保持零电流到整个开关过程结 束，整个过程周而复始。b o o s t 电路的工作模式与电感值的选取和负载的大小息息 相关，后面将会详细分析两种模式的工作过程。由于电路在不同模式下会有不同的频 率响应，通常电路被设计只在一种状态下工作。 以下分析不计电感l 的等效电阻、开关管m 0 的导通电压和续流二极管d 的导 通电压。 在连续电流模式下，可分为功率开关管m o 导通阶段和功率开关管m 0 关断阶段。 当0 时，n 差分对导通p 差分对关断，开关管m p s 导通，m n s 截止。因为m 4 3 中的电流为，呵，所以m 4 2 中电流为3 ，一，n 差分对中的电流为4 ，一。 所以： “撕矿巨府巨也厨 伊3 9 ， 西北人学硕。l ：学位论文 本文采用了浮动电流源【2 8 l 【2 9 j ( f l o a t i n gc u 玎e n ts 0 u r c e ) 来稳定求和电路中的静态 电流，即在晶体管m 3 和m 5 的漏极之间插入浮动电流源，如图3 1 4 所示。另一种偏 置求和电路的方法在文献【2 6 】中给出，但因其偏置电流源的不匹配产生了极大的失调和 噪声因此本文未采用其拓扑结构。浮动电流源的具体实现在运算放大器的整体拓扑结 构图3 1 6 中给出。 图3 1 4 使用浮动电流源偏置的求和电路 3 4 3r a i l t o r a c i a s sa b 输出级 在运算放大器输出级的设计中，为了最大效率的利用电源，输出级必须要有大的 摆幅和尽可能小的静态电流。b 类输出级可以满足上述条件，但它一般存在严重的交 越失真；a 类输出级完全没有交越失真，但a 类输出级的效率只有2 5 。因此，采 用a b 类的输出级是较好的折衷方案。 a b 类输出级的输出晶体管被偏置在一个相对很小的静态电流下，可以有效地减 少交越失真，同时也可保证最大动态输出电流远大于静态电流，从而提高输出级的效 率。a b 类输出级的关键在于保持两个输出晶体管栅极间电压的恒定。如图3 1 5 ( a ) 所 示，这里的a b 类控制采用两个浮栅m n c 和m p c 相对于采用电阻，它能更有效地 减少芯片面积。a b 类浮栅控制形成两个线性回路m p a 、m p b 、m p c 和m p o 以及 m n a 、m n b 、m n c 和m n o ，确定了两输出管的静态电流，固定了两输出管m p o 和m n o 栅极之间的电压。 a b 类输出级的具体原理如下：l 。和l ：为两个同相位的交流小信号电流源，设 西北人学硕i ：学位论文 l ，；l 2 = l 3a 厶。= ，；l 。；l 2 ，0 。m p a 、m p b 和m p c 构成了m p o 的偏置电路， m n a 、m n b 和m n c 构成了m n o 的偏置电路，分别决定了m p o 和m n o 的静态工 作电流。设： ( w l ) m p c ( w l ) m p b = 1 2 ；( w l ) m n c ( w l ) m n b = 1 2 ( 3 4 8 ) 这样，m p b 和m p c ，m p a 和m p o 同为一个栅源电压；同理，m n b 和m n c ， m n a 和m n o 也同为一个栅源电压，若i d s ( m p o ) = m i ，l d s ( m n o ) = m l ；则： ( w l ) m 阳( w l ) m = m ；( w 脚m n o ( w l ) 。= m ( 3 4 9 ) 各管的宽长比还应满足如下要求： ( w 几0 m n o ( 叫m p 0 = ( 、m n a ( 叫m p a = ( w l ) m 舳( 一) m p b = ( 、m n c ( 、m p c ( 3 5 0 ) 因为a 、b 间可以视为一个浮动电压源，交流小信号下可视为短路，即圪一， 于是有如下两种情况： ( a ) 当l = ，f 月： 0 时( 流入节点a 和b ) ，节点a 和b 电压将升高，最终m p 0 截 止、m n 0 导通，圪= ，呦； ( b ) 当l ，一l ： 衙皿 妈- s 。 其中c l 是输出负载电容，本文中采用负载电容c l = 1 0 矿，则有 c 1 = c 2 = 1 1 p f 。 对于图3 1 8 所示的电路，q 1 、q 2 的集电极电流，c q 。、，c 口：与输出反馈电压关 系如下图3 1 9 所示： 5 u 4 u 二 石3 n g2 u 目 u l u 0 图3 - 1 9 q 1 、q 2 集电极电流，。、，c q 2 与反馈电压关系 当反馈端f b 电压较低时，。、，c q ：都较小，电阻r 的压降，可忽略，由 于q 2 与q 1 发射区面积之比为n ( n = 8 ) ，c q ： ，c 口。；随着电压逐渐上升，c q l 、 ，：逐渐变大，q 2 射极电阻r 的负反馈作用也逐渐增强，c q 。的上升斜率最终大于 ，c q ：的上升斜率，当等于阈值电压时，c q 。= k ：；当 时，c q l ，c q ：， ，c q 。的上升斜率大于，c 口：的上升斜率。 当等于阈值电压时，即k ，= k ：，由图3 1 9 可得到： m 唧等山x p 等 c 3 峭， k 2 毕= 半 c 3 叫， 所以 = = 巩k ：+ 。- 2 r 等警+ 。 ( 3 5 5 ) 其中屹= 七丁口，k 为b o l t z m a n 常数，t 为温度，q 为电子电量。 由式( 3 5 5 ) 可知，阈值电压可通过调节电阻r 与心的比值自由设定，但 为使阈值电压近似与温度无关，提高电路温度稳定性，根据温度补偿原理，r 与r 应 西北人学硕一j ：学位论文 满足如f 关系： a 1 堕。_ 丝一 ( 3 5 6 ) _ 三_ ：一 j 一) nj r2 生l l l g 当尺1 与r 满足式( 3 5 6 ) ，阈值电压。1 2 ，且近似与温度无关，即兰争o 。 d 图3 2 0 给出了输入级的两个输出端口0 1 和0 2 与反馈电压的关系： 琶3 8 ；3 6 3 4 一、 十 l 0 1 1 i1 21 31 4 y 0 1 t - g xn i n ) c y 0 u s ) 图3 - 2 0 0 1 和0 2 与反馈电压的关系曲线 从图3 2 0 中可以看出，0 1 和0 2 在= 1 2 4 v 附近变化呈线性关系，实现了用 0 1 和0 2 电位差反映f b 与1 2 4 v 进行比较产生的误差信号。 3 5 2 输入级的小信号跨导和电流补偿电路 小信号是对大信号在静态工作点的线性近似，下图3 - 2 1 给出了c 口与的大 信号关系曲线。 曩5 n 旮 0 n 吣“。1 2 4 、 - 一、一一一? 图3 - 2 1 ，。与，c q ：的差值c q 与反馈电压的关系曲线 2 嘎 4 ( u _ d 两北大学硕上学位论文 从图3 2 1 中可以看出，当在静态工作点处微弱变化时，即 1 ，那么，心。- 。( 1 + g 。q 。墨：) ( 3 6 5 ) ( 3 6 6 ) ( 3 6 7 ) ( 3 6 8 ) ( 3 6 9 ) ( 3 7 0 ) ( 3 7 1 ) ( 3 7 2 ) 又因为从m 2 2 的漏端向上看的电阻为： 。r 0 2 2 + 【1 + ( g 。2 2 + g 胍6 2 2 ) 乞2 2 】乞2 1 一g 。2 2 乞2 2 2 1 ( 3 7 3 ) 所以输出电阻： 屯。a 吃 ( 3 7 4 ) 增益为： 4 = 瓯一g 卅( 屹。) ( 3 7 5 ) 由式( 3 7 0 ) 、( 3 7 5 ) 及图3 - 2 4 可以看出b a n d g a p 跨导放大器的主要优点： 实现自基准比较，免去独立的带隙基准电压源的设计，减小芯片面积和功耗。通过修 调片上电阻调节跨导放大器的增益，进而灵活地调整系统的环路增益和相位裕度，克 服工艺角。在牺牲温度稳定性的条件下，内建的基准比较电平可以通过电阻自由调节。 同时，其缺点有：需要设计基极电流补偿电路，以减小跨导放大器对前级电路的 西北人学硕i j 学位论文 合，时间控制电路主要分为时钟信号的产生电路和时间延时电路，而在本文的3 3 节 中介绍的就是一种时钟信号的产生电路，在本节中将介绍时间延时电路。 3 7 1 分频延时电路的原理 分频延时电路的基本原理就是利用分频器来获得不同的时间量，也就是按照脉冲 计数的方式来实现信号的转化。一般情况下，分频器常常利用触发器的时钟边沿触发 特性来设计【3 9 1 。下图3 2 7 就是本文中所采用的一种触发器的原理图。 3 7 2 分频延时电路的设计 图3 2 7 触发器的原理图 延时采用分频的方式实现，每多加一个t 触发器可实现上级信号的二分频功能， 依此类推，若要得到8 m s 的延时，需要进行n 次二分频： = 华= 跏s ( 3 邗) 其中，1 ，为时钟周期，从3 3 章中我们知道振荡器产生的时钟频率为1 m h z ， 所以1 ，= h s 。可以计算当n = 1 4 时，= 8 1 9 2 肌s 一8 历s ，基本上达到了系统的要 求。 根据上面的分频延时电路的原理，在本文中设计的分频电路具体如下：它是将各 西北人学硕上学位论文 触发器的输入d 端口和其反相输出相连接，构成t 触发器结构。t 触发器结构即为触 发信号来一次，输出信号翻转一次。下图3 2 8 就是利用1 4 个t 触发器实现的分频延 时电路。其中s y sc l k 是系统的时钟信号，其频率为1 m h z ，e 幅l e 为分频电路 的使能信号，当该信号为高电平时，所有的触发器被清零。下图3 2 8 中的l o g l c 模 块和分频延时模块组合起来是用来完成芯片的关断和重新启动的。 t i m ed e l a v 模块电路主要实现时间计数功能。典型情况下从o s c i l l a t o r 模块获得 1 m h z 的时钟信号，通过对1 m h z 的时钟信号进行分频，提供一个延迟8 m s 的上升 脉冲信号。芯片正常工作时，t i m e _ d e l a y 置位信号为低电平，该模块不工作，当芯 片发生错误时，e n a b l e 信号变为高电平，模块开始工作，进行8 m s 的延迟计时。 当芯片工作出现错误时，e m 姐l e 跳变为高电平，此时t i m ed e l a y 模块电路开 始对1 m h z 的时钟信号进行分频。第1 个t 触发器的输出端口q 端得到1 2 频率的 时钟信号，第2 个t 触发器q 端得到1 4 频率的时钟信号，第3 个t 触发器q 端得 到1 8 频率的时钟信号，依次类推第1 4 个t 触发器q 端便得到8 m s 的延迟控制 信号。 图3 2 8 分频延时电路的原理图 西北人学硕 ：学位论文 3 8u v l o 欠压封锁模块的设计 u v l o ( 欠压保护) 也称为低电压保护，指的是稳压电源由于某种原因( 如电源由 电池供电，电池电压过低) 使输出电压降到某极限值时，欠压保护电路能自动检测到 电源电压的不足，并将稳压电源切断并保持切断状态( 锁存) ，等电源电压上升到极 限值以上某一个值时，电路可恢复供电。这是保证不因工作电压过低而造成电路工作 不正常或电路性能超差的保护措施1 3 7 】【3 8 】。 3 8 1u v l o 模块的基本原理 在正常的电池供电系统中，正常的工作条件下，电池电压因为负载的消耗总会不 断地下降，当输入电压下降到一定程度，会导致芯片内部子电路无法正常工作，特别 是数字逻辑控制电路容易出现误操作现象，输入电压欠压封锁电路主要功能是在输入 电压下降至系统设定的阈值后，输出控制信号关闭整个芯片及功率m o s 管，为了避 免因电源不稳定而引起不断开关功率管的现象，欠压封锁模块中设置了一定的迟滞 量，等到电源电压恢复并超过欠压阈值一定迟滞量后，芯片才重新开启，此间避免了 不当操作及误动作的发生。图3 2 9 为所设计的欠压封锁电路的原理图。 图3 2 9u v l o 欠压锁存模块的原理图 图3 2 9 是欠压保护电路的原理图。其功能是当整体电路启动时检测v d d ，如果 v d d 达不到一定值，使输出信号u v l o o u t 置低电平，使后续模块不工作。当整个 芯片j 下常工作不需要欠压保护时，比较器a m p 输出高电平，欠压保护电路输出高电 西北人学硕j ：学位论文 平使能信号，此时m 1 4 管导通，只有电阻r 和马接入电路。如果电源电压下降，使 得比较器的正负输入端电压相等时，比较器a m p 反转，经过一级反相器后输出高电 平信号，m 1 4 管关闭，电阻尺5 接入电压采样支路，形成正反馈，导致采样电压急剧 下降，更低于v r e f ，欠压保护电路输出信号被锁定为低电平。 3 8 2u v l o 模块具体实现 图3 3 0u v l o 欠压锁存模块的具体实现电路图( 包含偏置电路部分) 在图3 3 0 中，虚线方框中的部分为u v l o 欠压锁存模块的偏置电路部分，由 r r 、m 1 m 1 3 和q 1 q 2 组成。虚线方框的右边是u v l o 的核心模块，分别由 恐一r 。、m 1 4 m 2 1 和q 3 q 7 组成。现在分析u v l o 模块的具体实现原理：当系统 上电时，由冠、民、马和m 1 5 组成的支路对电源电压v d d 进行分压，为三极管q 5 和q 6 提供了工作电压，并与三极管q 3 、q 4 和m 1 6 构成了电流通路，打开了三极管 q 7 ，从而q 7 的集电极输出了一个高电平，通过反相器的整形后u v l 0 0 u t 输出高 电平。 如果忽略晶体管m 1 5 上的电压降的话，那么通过电阻尺5 、r 6 和马的分压作用可 以得到q 5 和q 6 的基极电压约为： 极璩7缂斗 晶体管m 1 4 截至，电阻r s 不再被，这使得冗7 上的 分压进一步的降低，使得三极管q5和q6仍旧被关断，只有源电压上升的更高时，q 5 和q 6 才能再次导通能 。 当电源电压v d d 从0 v 逐渐上升时，电路处于欠压状态压保护模块的输出 uvloout为低电平。由前面的分析可知，vdd要到25v时才不处于欠压状态 并开始正常工作，欠压保高电平。 当电源电压vdd从5v逐渐下降时，电路不处于欠压状态极管q7的集电极 输出高电平，所以一级反相器输出的低电平使开关管m14导电阻r被短路。此 时三极管q 5 和基值为： s唰。叫 电压为： 小卜也)警 。叫。 通过设计电阻的比值，我们把欠压锁存的反相阈值电置为2 3 西北人学硕l ：学位论文 第四章核心模块的仿真与分析 在电子线路的设计中，计算机仿真发挥着至关重要的作用。随着e d a 工具的发 展，以及人们对半导体器件工作原理认识的加深，对器件的建模越来越精确，尤其是 和特定的工艺相结合的仿真参数，使仿真的结果和实际流片测很的结果愈来愈接近， 相对于流片以周计的实验时间，计算机可以在很短的一到两天、或者数小时的时间内 就得到结果。同时，和 x 西北人学硕l 学位论文 葺 d - _ r 1 名 d h 嚣 二 d 耋 01 0 01 5 0 t m p t r - t 田r q i n ) 0 ) e g j ) 图4 6 过温保护电路的仿真结果 05 01 0 01 5 02 0 0 t 蛳p e r t u r q i n ) 0 ) e g j ) 图4 7 在不同的电源电压下过温保护电路的仿真结果 4 3o s c 川a t o r 振荡器电路的仿真 图4 8 给出了振荡器偏置电压随温度变化的的仿真结果，从图4 8 中可以看出， 在2 0 1 2 0 的温度范围内，振荡器的偏置电压随温度的变化很小，约为2 m v ；图 4 9 给出了振荡器产生锯齿波和方波的仿真结果；图4 1 0 和图4 1 1 分别给出了不同温 度下锯齿波和方波的仿真结果。 3 与 2 与 嘶 o 2 卯 5 3 5 2 5 i 0 3 2 。 o 5 2 6 7 = 2 9 9 4 d 嚣2 9 9 2 2 2 嘲 两北人学硕士学位论文 名1 弓t 1 1 二21 0 曙 o - j l c l k i 曼嘶 j 嚣6 m j 4 n 图4 8 振荡器偏置电压随温度变化的的仿真结果 4 u6 ub 1 i1 0 u 1 2 u 1 4 u 1 6 u1 8 u t i m eq i n )c r i 矾e ) 图4 9 振荡器产生锯齿波和方波的仿真结果 2 u3 u4 u5 u 6 ut u8 u9 t i n q i n ) c r 工啊e ) 图4 1 0 不同的温度下锯齿波的仿真结果 一5 9 两北火学硕j j 学位论文 l l li。 8 一 髓 # 刊 4 u6 u8 u t i _ q i n )c r i 啊e ) 图4 1 1 不同温度下方波的仿真结果 4 4r a i l - t o r a 运算放大器的仿真 图4 1 2 给出了r a i l t o r a i l 输入级跨导的仿真结果，仿真结果表明在整个共模输 入的范围内输入级的总跨导肿t o t 的变化约为1 5 ，且在整个曲线中没有尖锐的不连 续现象，在大多数的应用下满足了设计要求；在负载电容为1 0 p f ，负载电阻为1 0 k 时，运算放大器的低频增益和相位裕度的仿真曲线如图4 1 3 和图4 1 4 所示，仿真结 果表明低频增益约为1 1 0 d b ，相位裕度为6 0 度，单位增益带宽约为1 8 m h z ；图4 1 5 给出了放大器在大信号输入下的瞬态响应的结果。 3 0 - 2 5 矗 星2 0 - d 鲁l 钿 旮 “1 0 0 5 - o 012345678 y 0 1 t t xq i n ) c 阳u s ) 图4 1 2 输入级总跨导和共模电压的关系 5 4 3 2 l 0 暑_8_嚣：ho 两北人学硕l ：学位论文 葺 d 胃 0 h ，- 矗 d l a _ 一 h ， i o1 0 0 墨一一囊蓁i 菩；皇蓁 薹；鎏 ；蓦 百薹t 委 芎羹召| 誊争象囊塞雩 5 尊 茎薹。霎囊孺鞫塑垂龚餮季蓊囊裁礴骣葡毫 ! 萎 。缎；鹫篓；羹蓁蓁量、至3 蓁 囊墓2 i 霎4i 青蛙i 荔羹滢1 1 囊萎l 雾萎! i 9 一 爨专一霾墼霪蓑豁鸶翼霭丽螫雾霎翥髯蒌童 学f ；! 荠、l 芦而垂韩y妻茎薯基_ - 毒鐾薹蕈uainfhque n c y ( m l z ) 1 8 p h 弱em a 唱i n ( de g )6 0 c m r r ( d b ) 1 2 0 p o w e rd i s s i p a t i o n ( m w )1 0 ( 注：以上表中运算放大器参数仿真的条件均为v d d = 8 v ，c l = 1 0 p f ，r l = 1 0 k ) 4 5e r r o 心m p i i f i e r 误差放大器的仿真 在误差放大器的仿真中，首先给出了误差放大器的反馈电压线性调整率的仿真。 两北人学硕士学位论文 ； 弓 童 童 莹 1 4 i 1 6 m 0 l23456t8 y 0 1 t - xq i n ) c y 0 l ：r s ) 图4 1 9 运算放大器的直流扫描仿真结果 0l23456t8 v 0 1 t g exq i n ) c v 0 m ) 图4 2 0 运算放大器输入范围的仿真结果 02 04 06 01 0 01 2 0 t m p e r - t t l r eq i n )血e g c ) 图4 2 1不同电源电压下电源输出电流随温度的变化曲线 在实际应用中要求运放具备一定的电流输出能力，在仿真该项指标时，可将运放 的负向输入端及输出端接至固定的二分之一电源电压，在负电源和正电源范围内变化 正向输入端电压，检测输出电流即可得到最大电流输出值。 8 6 4 2 o 一口_d譬苫，曙， 8 6 4 2 0 8 b 4 2 0 一矗_ d h口-_【o 名_d-_亡o 两北人学硕 ：学位论文 名 。一 d o 二 ： 目 u 2 0 0 n 1 0 0 m 0 一1 0 0 m 一4 02 002 04 06 01 1 2 0 t e m p e r t t l 口r q i n ) 0 ，e g 王) 图4 2 2 运算放大器短路输出电流随温度的变化曲线 图4 2 2 为温度从- 4 0 1 2 0 内运放的短路输出电流。从图4 2 2 中可以看出， 在典型温度2 5 的条件下，运放的正向输出电流为1 6 0 l 】啦，运放的负向输出电流为 1 5 0 i i a ，优于所设定的预期指标。 ，、5 0 0 葺 d h0 葺 鲁 占一5 0 i _ d 嚣 j 曙 ，- c 盯眦o ：；a d 毒：篆三 c u r r e n to f 也cl o a d i ；( ：o n 6 们玎a 6 0 n ： i 、一一，7 0幸q t i - en i n ) 0 门 朋e ) 图4 2 3 运算放大器的负载瞬态响应仿真曲线 当运放接成单位增益缓冲器结构时，其主要作用向负载提供一定电流及电压，当 负载电流发生变化时，其输出电压必然受到影响而变化，由于单位缓冲器结构属于闭 环负反馈结构，因此运算放大器需要一定的时间对输出电压进行调整，调整的过程称 之为负载瞬态响应时间，该指标的大小反映了系统响应速度的快慢。图4 2 3 为运放 负载瞬态响应仿真结果图，在温度为2 5 下，负载电流从5 0 i n a 变化至5 0 m a 。变化 的过程中，输出电压出现短时间的过冲，但无论是负载电流的j 下向变化或是负载电流 的负向变化，输出电压在1 u s 之内都可以稳定下来，表明所设计的运算放大器具有良 好的响应速率。 在表1 中还给出了运算放大器其它的一些仿真参数： 西北人学硕上学位论文 4 6p w m 比较器的仿真 启动电路的作用是产生短时间的电流脉冲使得嗍电流源摆脱简并点。下图是 p w m 比较器偏置电路的仿真结果。图4 2 8 是偏置电路启动时的产生瞬态电流脉冲的 仿真波形，图4 2 9 是偏置电路产生的偏置电压随温度的变化曲线。 u 一 暑- 5 n 二 一1 4 葺 ： 一1 5 n 刍 u 矗 a 4 2 耋 o 2 9 2 9 6 4 1 u2 u3 u4 u5 u6 ut 1 l8 u9 u1 0 ql l u t i m eq i n ) c r i m e ) 图4 2 8 偏置电路启动产生瞬态电流脉冲的仿真波形 02 04 0 6 0 l t 的p e r t t l l r q i n )e g j ) 图4 2 9 偏置电路随温度变化的仿真波形 2345 y 0 1 t 毫xq i n ) c y 0 l t s ) 8 6 4 2 t 8 t t t 7 9 6 9 9 9 9 9 2 2 2 2 2 2(u_d：曙jii 5 t 3 2 l o 一矗一d匕0嘻 坠壁墼墼一 图4 3 0 p w m 比较器的直流扫描仿真结果 图4 3 0 为p w m 比较器最小分辨电压的仿真波形图。在进行该项指标仿真时，负 向输入端接一固定电平，正向输入端围绕负向输入端的固定电平进行直流扫描。观察 比较器的输出电压从v o l 跳变到v o h 所需的输入电压差即可得到比较器的最小分辨 电压。图4 - 3 1 给出了p w m 比较器在不同电源电压下的直流扫描结果。 y 0 1 t 吣xq i n ) c 阳i 嚣】 图4 _ 3 1 p w m 比较器在不同电源电压下的直流扫描结果 在v c t l 端接1 2 4 v 的基准电压，在v s a w 端口接振幅为0 1 v ，频率为1 m h z 的正弦波，其瞬态仿真波形如下图4 3 2 所示。 图4 3 2 p w m 比较器的瞬态仿真波形 图4 - 3 3 为比较器在温度分别为- 4 0 、0 、4 0 和8 0 和1 2 0 条件下的开环增 益仿真曲线( 仿真曲线中增益最高的为一4 0 ，向下依次类推) 。进行仿真时，在比较 器的两个输入端加上相同的共模电平，同时在正向输入端加入峰峰值为l v 的a c 电 压信号，测量比较器的输出电压并将其转换为相应的分贝值即可得到该比较器的开环 增益。p w m 比较器增益仿真结果般都在4 0 d b 以上。从整体电路对使能比较器的 s 4 3 2 i o 茸一d h一一一o 5 4 3 2 1 0 (ud益j唁 两北大学硕j ：学位论文 要求来看，完全可以满足要求。 公 ， d 目 三 h 图4 3 3p w m 比较器在不同的温度下的开环增益仿真波形 图4 3 4 是p w m 比较器的延迟特性仿真。通过仿真可看出，p w m 比较器工作在 大信号模式时，延迟时间最终受s r 的限制，延迟时间大约为5 0 l l s 左右。 名3 5 暑 3 h2 5 兰 2 至i s 名3 5 d3 已2 5 三 2 ；i 5 02 u4 u6 u 8 u1 0 u1 2 u1 4 u1 6 u1 8 u2 0 u t i m eq i n )c r 工朋e ) 图4 3 4p w m 比较器的大信号延迟仿真波形 4 7 t i m e d e i a y 分频延时电路的仿真 t i m ed e l a v 模块电路主要实现时间计数功能。典型情况下从o s c i l l a t o r 模块获 得1 m h z 的时钟信号，通过对1 m h z 的时钟信号进行分频，提供一个延迟8 m s 的上 升脉冲信号。芯片正常工作时，t i m e - d e l a y 置位信号为低电平，该模块不工作，当 芯片发生错误时，e n a b l e 信号变为高电平，模块开始工作，进行8 m s 的延迟计时。 当芯片工作出现错误时，e n a b l e 跳变为高电平，此时t l m e d e l a y 模块电路开 始对1 m h z 的时钟信号进行分频。第1 个t 触发器的输出端口q 端得到1 2 频率的 时钟信号，第2 个t 触发器q 端得到1 4 频率的时钟信号，第3 个t 触发器q 端得 们 o 西北人学硕i ：学位论文 到1 8 频率的时钟信号依次类推第1 4 个t 触发器q 端便得到8 m s 的延迟控制 信号。 图4 3 5 给出了( 1 2 1 2 5 ) 分频延时电路的仿真波形；图4 3 6 给出了 ( 1 2 5 1 2 1 0 ) 分频延时电路的仿真波形；图4 - 3 7 给出了延时8 m s 的仿真波形。 耋；j 匡孤衄皿皿皿皿皿皿皿衄皿皿皿皿皿皿皿皿衄皿 耋；j 匝噩噩西噩墨墨西西匝噩噩匝圈圈 耋2j 匝口工口工卫工卫工工工工口 耋ij 匝j 二 工 二 工 二 工工 二口 耋；j 匝 二 二工二 二工二 二二 二丁二二口 主8j 匝 二二二工二二二二 二二二二 二二二二口 02 0 、l 4 0 u6 0 u f ；矗n ； 、n t 啊童、 图4 3 5 ( 1 2