（微电子学与固体电子学专业论文）光盘驱动器中马达驱动电路的研究.pdf

摘要 摘要 光碟机以其高容量、低成本、传输速度快及可控性佳等优点，已成为资料存 储装置中的首要之选。而且随着存储容量及市场需求的增加，其发展空间具有很 大潜力，所以光盘驱动器是目前科技领域发展中最为活跃的分支之一。但是，光 盘驱动器中马达驱动电路的研究在国内主要集中在应用芯片的外围电路，对核心 部分即驱动芯片内部电路鲜有涉及。 本文研究并设计了一种光盘驱动器中的马达驱动电路。重点研究了采用电压 控制模式的两个通道( 托盘进出伺服l o a d i n gc h a n n e l 和进给伺服s l e dc h a n n e l ) 。 其中s l e dc h a n n e l 可选用差分输入，使其在电源电压1 2 v 下实现输入范围：o 3 v 1 1 0 v ，输出摆幅：0 1 v 一9 0 v 。两个通道输出失调电压分别5 0 m v 和 1 0 0 m y ，输入偏置电流为3 0 n a - - 3 0 0 n a 。采取的技术方案为电源分离技术、第二 代电流传输器( c c l i ) 技术，输入方式可选等。本电路亦集成了欠压和过温保护 功能。 文中首先介绍了马达驱动电路的发展背景、伺服系统和两种常用的控制模 式，即电压控制模式和电流反馈控制模式。第二章阐述了电路工作的基本原 理、拓扑结构，并给出了理论依据。然后根据功能需要进行电路的总体结构设计 和子电路模块设计。作者在第三章重点介绍了电路中的典型子模块：偏置电路、 第二代电流传输器、运算放大器和保护电路的设计原理及仿真结果。本文在第四 章对马达驱动电路做了展望并介绍了两种后续研究的马达驱动电路。最后对全文 做了总结。 在完成电路原理分析与电路设计的基础之上，还应用e d a 软件h s p i c e 对 各个子电路模块和整体电路进行了功能仿真及量化模拟，由于芯片生产的工程有 很多不确定因素，所以我们在电路仿真中充分考虑器件特性的容差范围，仿真结 果均达到或优于预定指标。该项目课题已经通过版图设计、版图验证和后仿真， 目前正在进行流片。 关键词：光盘驱动器，马达驱动，电压控制模式，电流反馈控制 i i i a b s l 姒c t a b s t r a c t o p t i c a ld i s kr o mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo nd a t es t o r a g es y s t e md u et o i t s h i g hc a p a b i l i t y , 1 0 wc o s t ，f a s tt r a n s m i s s i o nr a t ea n d e x c e l l e n tc o n t r o l l a b i l i t y w i t ht h e k e e nd e m a n do fd a t as t o r a g es y s t e m t h e r ei sa l li n c r e a s i n gr o o mf o r 也ed e v e l o p m e n t o fo p t i c a ld i s kr o m t h er e s e a r c ho fm o t o rd r i v e ri sb e c o n l i n 2o n eo ft h em o s t f l o u r i s h i n gp r o j e c t s b u tt h ec o r ep a r to f t h eo p t i c a ld i s kr o mm o t o rd r i v e rc i r c u i ti s r a r e l yt o u c h e db y t h ed o m e s t i cr e s e a r c h ，w h i c hf o c u s e sm a i n l yo n a p p l i c a t i o n c i r c u i t s am o t o rd r i v e rc i r c u i tf o ro p t i c a ld i s kr o m i sd e s i g n e di nt h i st h e s i s i ti n c l u d e st w o v o l t a g e m o d ec o n t r o l l e dc h a n n e l s ( 1 0 a d i n gc h a n n e la n ds l e dc h a n n e l ) s l e dc h a n n e li s c a p a b l eo fd i f f e r e n t i a li n p u t t h ei n p u tr a n g ei sf r o m - 0 3 vt o 1 1 0 vw i t ha1 2 v s u p p l yv o l t a g e ，o u t p u ts w i n gr a n g e sf r o mo 1 vt o9 0 v ，t h eo u t p u to f f s e tv o l t a g ef a l l s b e l o w5 0 m va n d1 0 0 m vf o rt h et w oc h a n n e l s 、r e s p e c t i v e l y , i n p u tb i a sc r r r e n ti s3 0 n a t o3 0 0 n a t h ea d o p t e dt e c h n i q u e sa r es u p p l yv o l t a g es e p a r a t i o n ，b u f f e r e dr e f e r e n c e ， s e c o n d - g e n e r a t i o nc u r r e n tc o n v e y o r ( c c n ) ，o p t i o n a li n p u tm e a n s ，e t c t h ec i r c u i ta l s o h a sab u i l t i nu n d e r v o l t a g ep r o t e c t i o na n d o v e r - t e m p e r a t u r ep r o t e c t i o nf u n c t i o n t h ct h e s i sb e g i n sw i t ha ni n t r o d u c t i o no ft h ep r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n to ft h e m o t o rd r i v e rs y s t e mf o ro p t i c a ld i s kr o m a n dt h e np r e s e n t st h et w ok i n d so fc o n t r o l m o d e i e v o l t a g em o d ec o n t r o la n de u r r e n tf e e d b a c kc o n t r 0 1 c h a p t e r2d e s c r i b e st h e o p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h ew h o l ed r i v e rc i r c u i ta n do ft h et w oc h a n n e l sr e s p e c t i v e l y t h ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n sf o ri m p o r t a n tb u i l d i n gb l o c k so ft h ec i r c u i ti sf i r s tg i v e ni n c h a p t e r3 ，a l o n gw i t ha na n a l y s i so fu a d e o f f si n v o l v e di nt h ec h o i c eo fa v a i l a b l e t o p o l o g i e sf o rt h e s ec i r c u i t s t h e nt h ed e s i g na n ds i m u l a t i o no f t h es u b b l o c kc i r c u i t s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ew h o l ec i r c u i ta r eg i v e n c h a p t e r4i n t r o d u c e st w o k i n d so fm o t o rd r i v e rc i r c u i t sf o ro p t i c a ld i s kr o mt h a ta r eu n d e rr e s e a r c hn o w t h e c o n c l u d i n gr e m a r k i sg i v e ni nc h a p t e r5 b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g ni nt h eb e g i n n i n g c h a p t e r s ，t h e a u t h o rs i m u l a t e da 1 1t h es u b b l o c ke i r e u i t sa n dw h o l ec h i pc i r c u i tb ya p p l y i n ge d a t o o l sh s p i c ea n dc a d e n c e a si sw e l l k n o w n d u et ot h ev a r i o u s p r o c e s s v a r i a t i o n s i n v o l v e di nt h es e m i c o n d u c t o rf a b r i c a t i o n ，t h et o l e r a n c eo ft h ed e v i c eo ft h ec h o s e n p r o c e s ss h o u l db ec a r e f u l l yc o n s i d e r e d i ti sr e q u i r e dt h a tt h ec i r c u i tp a r a m e t e rf a l l i na t a r g e t e dr a n g e t h es i m u l a t i o n r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei ch a sa c h i e y e dt h ee x p e c t a t i o n b o t hi nf u n c t i o na n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s ：m o t o rd r i v e r ，o p t i c a ld i s kr o m ，v o l t a g em o d ec o n t r o l ，c u r r e n tf e e d b a c k c o n t r o l i v 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，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 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感谢。 签名：互垒亟日期：抑f 年牛月8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权电子科技大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：丕亟豳 导师签名： 日期：扣f 月吕日 第一章引言 1 1 背景说明 第一章引言 近年来，由于个人计算机和消费类电子的日益普及，使得与其相关的集成电 路行业迅猛发展。光学资料储存技术是继磁性储存技术应用以来，最受重用的一 种资料储存方法。其优点为光学储存技术是利用光学的方式来存取资料，读写头 与储存媒体之间并不会有直接的接触，因此不会有读写头与储存媒体问摩擦耗损 的情形，避免造成机械组件损坏。同时光学储存设备具有高储存容量、低储存成 本和碟片保存容易等优点，加上光碟机与光碟片的价格趋于平价，使得光碟机成 为储存设备的主流。从早期出现的只读型光碟机( c d r o m ) 、可读写光碟机 ( c d r w ) 和数位多功能只读光碟机( d v d r o m ) ，到现在的可读写多功能光 碟机。随着光碟机产品不断地增加，光盘驱动器作为其中一个不可缺少的组成部 分，在计算机、c d v c d d v d m d 等领域有着广泛的应用。与此同时光盘驱动电 路的研究也更为人们所关注。光盘驱动电路主要完成对五个通道的驱动作用，他 们分别为：聚焦伺服( f o c u s c h a n n e l ) 、循迹伺f l 艮( t r a c k i n g c h a n n e l ) 、迸给 n 服( s l e d c h a n n e l ) 、主轴伺j l l ( s p i n d l ec h a n n e l ) 和托盘进出伺服( l o a d i n gc h a n n e l ) 。由于功 率器件和低压电路单片集成的功率集成电路p i c 的迅速发展，驱动i c 的发展也 从单一的功能向多通道发展，从完成简单驱动功能的1 - c h a n n e l 或2 - c h a n n e ld r i v e r i c 到目前最新的6 - c h a n n e ld r i v e ri c ，系统的功能不断增强，性能不断提高，用户 使用更加方便。 在光盘驱动电路中负载非常关键，负载的差异决定了电路的控制模式，控制 精度和所适用的范围。对于不同的通道来说：l o a d i n gc h a n n e l 、s l e dc h a n n e l 和 s p i n d l ec h a n n e l 驱动的是马达电机，f o c u sc h a n n e l 和t r a c k i n gc h a n n e l 驱动的是 音圈( v c m ，v o i c ec o i lm o t o r ) 。对于低端的产品多采用的是有刷马达电机，电压 控制模式，这种方式可以减少成本但会影响使用寿命，例如：b a 5 9 5 4 ，a m 5 8 6 8 等。而对于高端产品而言，多采用的是无刷马达电机、步进电机，p w m 控制模 式，例如：b d 7 9 0 2 1 1 等。由于f o c u s c h a n n e l 和t r a c k i n g c h a n n e l 驱动的是音圈， 而且精度要求较高，则可采用电流反馈控制模式。故在具体的电路设计层面上， 光盘驱动电路的负载对驱动电路模块( o u t p u tb u f f e r ) 的设计以及整个通道的控制模 式起着决定性的作用。 光盘驱动电路的主要电路单元为放大器，需要具备高精度、低失调、低噪声 第一章引言 等性能。此外，控制模式要求放大器的带宽远远高于系统频率【2 】。 1 2 光盘机的伺服系统 伺服驱动系统是激光视盘机不可缺少的部分，其作用是保证激光头输出的激 光束能准确地沿着光盘上距离仅1 6 u m 的各音视频轨迹读取“坑”信息。因此， 伺服处理系统必须确保激光柬能准确聚焦能沿着各音频视频轨迹读取信息，读 取的信息必须能以某一常速送往解码电路。为了使激光视盘机始终处于良好的工 作状态，激光视盘机中设计了相应的聚焦伺服( f o c u sc h a n n e l ) 、循迹伺服( t r a c k i n g c h a n n e l ) 、进给伺服( s l e dc h a n n e l ) 、主轴伺服( s p i n d l ec h a n n e l ) 和l 托盘进出伺服 ( l o a d i n gc h a n n e l ) 控制系统l “。 图1 - 1 光盘伺服控制系统图 ( 1 )聚焦伺服( f o c u sc h a n n e l ) 聚焦伺服使激光头与光盘上信息纹迹之间的距离保持恒定4 1 。其基本电路如 图1 - 2 所示。 圈1 - 2 聚焦伺服基本电路 从光盘上反射回来的激光，经激光头中光敏二极管转换成电信号，送到聚焦 误差信号检测器处理成聚焦误差信号，经相位补偿后送到驱动器处理成驱动电 流，经聚焦线圈转换成相应的磁场，推动物镜上下移动，直到焦点准确落在信息 纹迹上，使检出的聚焦误差信号等于0 为止。光盘在旋转过程中，由于光盘和主 轴旋转机构的制造误差，信息纹迹不可能始终保持在旋转盘片的平面上，总会出 2 第一章引言 现或多或少的上、下跳动，聚焦伺服电路便输出与跳动量成比例的聚焦驱动电流 使物镜作相应的移动，焦点始终落在信息纹迹平面上。 ( 2 ) 循迹伺) j 酲( t r a c k i n gc h a n n e l ) 循迹伺服基本电路见图1 3 。 鹾庙一 手飞厂忑 。隔丽面 图1 - 3 循迹伺服基本电路 从光盘上反射回来的激光经激光头中的光敏二极管转换成电信号，送到循迹 误差检测器处理成循迹误差信号，经相位补偿和驱动放大后产生驱动电流，经循 迹线圈转换成相应的磁场，推动物镜左右移动，直到焦点准确地落在信息纹迹上， 使检出的循迹误差信号等于0 为止。 ( 3 ) 进给伺j ( s l e dc h a n n e l ) 咀1 - - 4 澈，映避蝴豫泰蔫国 在循迹伺服中，光束在光盘上的移动 范围，其极限值不会超过o 3 m m ，但光盘 从信号引入轨迹到信号引出轨迹，其距离有 3 5 m m ，这就需要进给伺服机构带动激光头 在光盘半径方向上作3 5 m m 的长距离移动， 拾取光盘信息。 ( 4 ) 主轴伺 匣( s p i n d l ec h a n n e l l 光盘上从引入区到引出区各信息纹迹的半径是不相同的，这就要求激光头光 束扫描不同的信息纹迹时，光盘应有不同的旋转速度，这样才能保证光盘与激光 头之间的线速度恒定不变。只有当线速度符合标准且恒定不变时，才能保证激光 第一章引言 头扫描信号坑长的时间符合标准，拾取的信息才能正确地解调出来。 主轴伺服的目的就是要保持光盘与激光头之间作恒线速运动，故主轴伺服又 叫c l v ( c o n s t a n tl i n e a rv e l o c i t y ) 伺服。v c d 视盘机一般采用直接驱动方式， 即光盘的旋转轴就是主轴电机的旋转轴，主轴电机的旋转速度也就是光盘的旋转 速度，伺服了主轴电机，也就是伺服了光盘的转速，主轴伺服基本电路见图1 - 5 图1 - 5 主轴伺服基本电路 ( 5 ) 托盘进出机构( l o a d i n g c h a n n e l ) c l o s e ：加载电机逆时针旋转，通过皮带轮使驱动齿轮顺时针旋转，带动托盘 齿条使托盘由机外向机内作水平移动。 o p e n ：加载电机顺时针旋转，使托盘由机内向机外作水平移动。 1 3 驱动控制模式 1 3 1 电压控制模式 习用电压模式电机控制电路如图卜6 所示 图卜6 习用电压模式电机控制电路 其传输函数为： 们) = 端= r 蝴) _ 1 w 击) n 。1 式中【r e d s e c 】= i r a ，圪为端电压，l 为电枢上的电流，r 。电机的绕阻， 4 手才1 第一章引言 厶为电机的等效电感值，e 。为感应电动势。从( 卜1 ) 式中可知整个系统的极点 随负载兄和l 变化而变化，且系统的频率受电机的本征频率决定。 1 3 2 电流反馈控制模式 当系统频率低于电机的本征频率时，电压控制模式可以得到满意的瞬态响 应。但是如果需要比电机的本征频率更高的系统频率时，负载引起的相位延迟使 得瞬态响应受到影响。这时就需要改变控制模式得到要求的瞬态响应。一种改进 的控制模式，即电流反馈控制模式【5 】可以达到此要求。 图l - 7 电流反馈控制模式信号框图 假设： h ( s ) = a e ( s ) k ，a p ( s ) a m ( s ) ( 1 2 ) g ( s ) = k 2 a s ( s ) ( 卜3 ) t ( s ) = h ( s ) g ( s ) ( 卜4 ) 其中a e ( s ) 为c o n t r o l l e r 的传输函数【6 】 7 1 ，墨4 ( s ) 为p o w e ra m p l i f i e r 的 传输函数，a 。( s ) 为负载的传输函数at ( s ) 为系统的l o o pg a i n 。 如果使得控制器引入的极点抵消负载的零点，那么系统可以等效为简单的一 阶系统，且该系统的带宽可以调节。也就是说，可以通过改变电路元件参数设计 出比负载的本征频率更宽的系统带宽。这样实际上可以克服负载的延迟效应。 1 4 本文所做的工作 本文的主要工作是分析设计一款四通道光盘马达驱动电路。 第一章介绍了马达驱动电路的发展背景，伺服系统以及常用的两种控制模式，即电压控制模 第一章；l 言 式和电流反馈控制模式。 第二章阐述了电路整体工作的基本原理，拓扑结构，给出理论依据。对其四 个通道的电路结构和工作原理分别进行了分析。 第三章对本课题中的子电路模块进行分析，重点介绍了偏置电路，第二代电 流传输器、运算放大器和保护电路，对其工作原理及参数求解都作了较为详细的 阐述，并给出了其仿真结果。 第四章对马达驱动电路做了展望并介绍了两种后续研究的马达驱动电路。 第五章是该课题的总结。 6 第二章光盘驱动电路的原理与设计 第二章光盘驱动电路的原理与设计 2 1 四通道马达驱动芯片的工作原理介绍 四通道马达驱动芯片由托盘进出机构( l o a d i n gc h a n n e l ) 、进给伺服( s l e d c h a n n e l ) 、循迹伺服( t r a c k i n gc h a n n e l ) 和聚焦伺服( f o c u sc h a n n e l ) 四个通道组 成，并集成了过温保护电路、欠压保护电路和待机模式电路【8 j 。在四通道马达驱 动芯片中，采用电源分离技术增加驱动电路的输出摆幅，以提高电源效率。 其中托盘进出机构( l o a d i n gc h a n n e l ) 和进给伺服( s l e dc h a n n e l ) 使用电压控 制模式驱动直流电机。循迹伺服( t r a c k i n gc h a r m e l ) $ f l 聚焦伺服( f o c u sc h a n n e l ) 使用电流反馈控制模式驱动负载线圈。运用电流反馈控制模式可以减小由于电感 负载引起的电流相位转移。 图2 - 1芯片内部结构图 2 2 托盘进出伺服整体结构和工作原理 由于l o a d i n gc h a n n e l 驱动的负载是直流电机，直流电机的特性相当于电阻， 故其选用电压控制模式。其主要由三个子电路组成：内部基准电压源( 由电压跟 随器构成) 、c c i i l d 电路、b t l ( b a l a n c e d t r a n s f o r m e r - l e s s ) 输出级。l o a d i n gc h a n n e l 第二章光盘驱动电路的原理与设计 的整体电路简图如图2 2 所示。p i n 2 7 是由d s p 提供的基准信号，p i n 2 3 是由s e r v 0 提供的l o a d i n gc h a n n e l 的控制信号，信号经过c ci i 实现了电压放大和电平转移的 功能。使得r ：，恐上流过大小相等方向相反的电流，这样在输出级可以得到一对 大小相等但方向相反的电压。从而实现了b t l 的输出方式。以获得最大的输出摆 幅。使其驱动功率晶体管从而驱动直流马达。 蓑书i if 要二 lc c ) r 一， i ；乎r 一i 。 图2 - 2l o a d i n gc h a n n e l 部分电路整体结构 l o a d i n gd r i v e r 整个部分驱动是一个直流电机，主要对信号起一个放大的 作用，对照图2 - 2 ，对电路增益进行初步的计算。 r 。，r ：，r ，蜀，r ，是实际电路中的等效电阻，其电阻关系可以表示为： r 22 r 3 2 1 , 5 r l ，r 42 r 5( 2 1 ) 2 + a v ，：业( 2 2 ) r 1 g o u t + + u 嵋( 1 + 争2 + 3 ( 2 - 3 ) g o u t - 刈蚰，( 1 + 务5 啦y ( 2 _ 。) g o u , 2 w + 一w 一6 a v ( 2 5 ) g a i n = 2 0 l o g ( 等h 5 伽 ( 2 _ 6 ) 2 3 进给伺服整体结构和工作原理 进给伺服整体电路如图2 - 3 所示。可以看到，s l e dc h a n n e l 和l o a d i n g 8 第二章光盘驱动电路的原理与设计 c h a n n e l 有着极大的相似性。主要的不同除了增益有差别外，还体现在多了一个 i n p u t0 p a m p ，这使得差分信号输入的方式有多种。其中p i n 4 和p i n 2 7 均接到 d s p 的基准电压。p i n 5 接到d s p 的s l e d 信号端。其余部分与l o a d i n gc h a n n e l 的工作原理相同。 对照图2 3 ，对部分的电路增益进行初步的计算。 工 上 图2 - 3s l e dc h a n n e l 电路整体结构 置，r ：，r ，r 。，r ，是实际电路中的电阻，其相互的关系为： r 22 r 2 2 5 r 1 r 42 r 5 增益计算如下： 2 + ，：彳a v ( 2 7 ) r ， 、。 v o u t + = + l r 3o ( 1 + 分枷矿 2 - a o r 2 ( 1 + 矿r 7 一5 ( 2 9 ) u r2 w+w一=10av(2-10) g a i n = 2 0 l o g ( - 驽f f 2 2 蚴 ( 2 1 1 ) 9 第二章光盘驱动电路的原理与设计 2 4 循迹，聚集伺服整体结构和工作原理 图2 - 4t r a c k i n gc h a n n e l 电路结构简图 t r a c k i n gc h a n n e l 和f o c u sc h a n n e l 的结构完全相同，在这里以t r a c k i n g c h a n n e l 为例做介绍。t r a c k i n g f o c u sc h a n n e l 的负载是电感，因而采用电流反 馈控制结构。p i n 2 7 是d s p 的基准电压信号，p i n 2 6 为d s p 输出的t r a c k i n g 信号。 通过p i n 2 0 和p i n l 6 检测r d 上的电压来调整负载电感上的电流。电路中的p i 控 制器是为了提高系统频率。p i 调节器通过电容来抵消掉电感负载的零点从而使系 统频率得到大幅度的提高。 1 0 嚼 萄 黍 第三章电路设计与仿真 第三章电路设计与仿真 3 1 偏置电流源 电路中的电流偏置源电路框图，如图3 1 。 图3 1 偏置电路整体电路图 3 1 1 常用的与电源无关的电流源 常用的与电源无关的电流源的电路图如图3 - 2 ( a ) 图。它是利用工作在不同的 电流密度下的两个结之间的结电位差，同脚成比例的关系。这一电位差可以转换 成为电流以提供偏置电流1 9 。 r i 髓f i r e e 图3 2 ( a ) 常用的自偏置电流源图3 2 ( b ) 其工作点设置 第三章电路设计与仿真 根据电路可以得r 上的电压：= r x = 巧如誓争 ( 3 1 ) 因此，如果两个集流的比值保持恒定，则跨接于r 。上的电压就确定同吩成 比例。这一现象就可以用来做成自偏置电流源电路。这时利用面积相等的q 3 、q 4 构成电流源，保证集电极电流乇。和，。：相等。所以得： = 觑生i s l = 腰x ( 3 2 ) ，：生如血( 3 3 ) r i h 这时电流的工作曲线如图3 - 2 ( b ) 图。可以看出，这一电路只有两个可能的工作点 一个是电流为零，另一个即为合乎要求的工作电流。 输出电流随温度而引起的变化，可按以下方法计算。根据上式得： 击坠= i 1 0i v r - n i i s 2 0 t io tr 1 ) = 亡rc 如每，( 毒堕o t 一击r 堕o t 刀c 。圳i c 2c 2、xs l 。i c 2 1x 、is l 、y rx 。3 化简得：i 1 鲁= c 古鲁一击 净s ， 从而可以得到，要使，随温度变化不大，即要 当堡一上亟= o(3-6) o tr o t 由此得到的偏置电流源受电源电压和温度影响很小。但是这种电流源的缺点在于：提供的 电流不是很精确，如果没有其他辅助电路可能会工作在零点。 图3 - 3 本电路的自偏置电流源 本电路采用的自偏置电流源是在常用自偏置电 流源的基础上加以改进而成的，电路如图3 3 。该电 路多了一个9 开启管，只要9 1 开启，就有偏置电流。 它分别用q 3 、q 4 、q 5 和q 6 以及9 7 、q 8 、q 9 和q 。 组成的两个c a s c o d e 结构实现上面电路图中的q 和 q 2 以及q 3 和q 4 组成的结构所要实现的功能，以减 小e a r l y 效应，使得，c 。和。更精确的相等。这样 整个自偏置电流源产生的偏置电流可以更精确。同 时由于上面那个常用的偏置电路有两个工作点，其 中一个就是零点。为了消除这个工作点，增加了一 个启动电路。 第三章电路设计与仿真 3 1 2 仿真结果 对偏置电流源来说，以下的指标是仿真中的重要参数。电源敏感度是测量偏 ，r 置电流随电源变化的比例：警二粤。温漂是测量偏置电流随温度变化的比 a r m + - t y p r， 例：每警_ ；旦， 丁为温度的变化范围( 一3 5 - 1 5 0 。c ) 。一是电源变化中， 凸卯 偏置电流变化的最大值：，。是电源变化中，偏置电流变化的最小值；k 。是电源 变化中，偏置电流变化的典型值；圪。为芯片可工作的电源电压范围 ( 1 3 2 v 一4 3 v ) 。这几个指标的仿真波形见下图。 一 - - _ - - - * 一 ： _ _ - _- _ _ 。j_ - j 一 _ j o ， ： _ ，_ ， 一， ： 妒 _ d ! 45b2l瞿1 61 11 乏1 3 图3 - 4 在三个温度下的电源敏感度 各指标的总结见下表。 表3 - 1 电流源指标总结 图3 - 5 在两个极端电源下的温漂 c u r r e n t6 0 3 “a 电源敏感度( )0 5 5 温漂( p p m ) 1 2 0 0 s t a n db y ( 0 1 3 )1 3 9 y s t a n db y ( o f f )1 6 1 矿 需要说明的是，虽然本电路的仿真采用了容差分析来模拟工艺容差和电路工 作环境的影响，但由于篇幅考虑，对子电路没有给出容差分析的结果。以下皆同。 对于整体电路的仿真，则给出了容差分析的结果。 第三章电路设计与仿真 3 2 第二代电流传输器 芯片中的s l e d l o a d i n gc h a n n e l 两个通道均采用了结构相同的第二代电流 传输器( c c i i ) 。下面就以l o a d i n gc h a n n e l 的c c 为例说明其电路结构和工作 原理。 3 2 1 电流传输器c c i i 在电子电路中，尤其是在模拟电子电路中，人们长久以来习惯于采用电压而 不是电流作为信号变量，并通过处理电压信号来实现电路的功能，以此促成了大 量电压信号处理电路或称电压模式电路的诞生和发展。近二十年来，以电流为信 号变量的电路在信号处理中的巨大潜在优势逐渐被挖掘出来，促进了一种新型电 子电路一电流模式电路的发展。电流模式电路可以定义为：当选电流而不是电压 作为电路中的信号变量，并通过处理电流变量来实现电路的功能。称为电流模式 电路 1 0 】。 电流传输器( c u r r e n tc o n v e y e r ，简称c o 是一种功能很强的标准部件【“1 ， 将电流传输器与其它电子部件组合可以十分方便的构成各种特定的电路结构，实 现多种模拟信号处理功能，在这一点上电流传输器与通用电压模式运算放大器是 相似的。 第一代电流传输器是接地的三端口网络即四端器件，其符号表示如图3 - 6 ： v y v x 强 蚀 图3 - 6 c ci 原理框图图3 7c c i i 原理框图 x 和y 是输入端，z 是输出端，另一端是公共接地端。该器件的基本作用是： 如果有电压作用于输入端y ，则在输入端x 呈现与其相等的电压。如果有一输入 端电流i 流入x 端，则有等量的电流流进y 端，同时电流i 将被传送到输出端z 。 这样，使得z 端具有高输出阻抗及电流值为i 的电流源特性。由y 端电压确定的 x 端电压与流进x 端的电流无关，而由x 端电流确定的流经y 端的电流也与作用 第三章电路设计与仿真 于y 端的电压无关。因此，这种器件在x 端口具有虚短路的输入特征，在y 端口 具有虚开路的特征。 为了增加电流传输器的通用性，s m i t h 和s e d r a 提出了没有电流流入y 输入 端的第二代电流传输器，其符号如图3 7 所示。c c i i 的端口特性可用矩阵方程描 ，r 述：= 导a 该矩阵方程表明，c c i i y 端口的电流为零，x 端口的电压跟随 j 2f 22 y 端口电压，z 端口的电流跟随x 端口的电流。c c i i 与c ci 的区别是消除了y 端 口的电流。由此可见，y 是电压输入端，y 端口呈现的输入阻抗为无穷大。x 是电 流输入端，而且x 端口电压跟随y 端口的电压变化，因而x 端口呈现零输入阻抗。 低阻抗x 输入端的电流传输到高阻抗的z 输出端，即在z 端口产生一个可控输出 电流，该电流仅取决于x 端的输入电流，电流方向可相同也可相反，并以c c i i + 或c c i i 一区分。第二代电流传输器端口的零极子表示如图3 8 。对于c c i i 一，由于 流入x 端的电流必然流出z 端，因而无需受控电流源。 y x yy 图3 - 8 c c i i + 和c c i i 一的零极子表示图 图3 - 9 等效“理想晶体管”c c i i 在某种意义上来说，理想的晶体 管可以看成一个c c i i 型的电流传 输器。在理想情况下，基极上的电压 将导致射极上有一个与之相等的电 压。由于基极电流近似的为零，则基 极可近似的看成开路( 与电流传输器 的y 端相似) 。射极电压跟随基极， 与射极电流无关，因此( 与电流传输 器的x 端相似) 。注入射极的电流传输到集电极，而集电极的阻抗为无穷大( 与 电流传输器的z 端相似) 。而实际情况中的双极型晶体管不是理想的晶体管，但 是，如果将一个n p n 晶体管放在运算放大器的负反馈环路中，就能构成一个比 一i 罩r 第三章电路设计与仿真 较理想的晶体管。在图3 - 9 所示的电路中，运算放大器a 与n p n 管的基极、射 极形成深度并联负反馈，迫使x 端的输入阻抗降低且近似为零，x 端电压精确地 跟随y 端电压( 运放两输入端虚短路) ，同时x 端的电流被传送到高阻抗的z 端， 使x 、y 、z 构成一个等效的“理想晶体管”c c i i 一。 3 2 2 0 0 i i 在v i 转换电路中的应用 l o a d i n gc h a n n e l 的c ci i 电路实际上是一个同时包含c ci i + 和c ci i 一型的电 流传输器。实现了电压输入，电流输出的转换，能够为下一级提供一个在基准电 压值的基础上浮动变化且相位相反的电压。v z 转换电路的原理框图如图3 1 0 所 不。 簿i量叵3 j x c o 珏善 蠢卣 iy * 格_ 誊 q c l i 一 主鳓二 图3 1 0v i 转换电路的原理框图 从x 端输入的电流信 号经过电流传输器的作 用，传递给三，和三。并 且使得： i l 5 3 = i ；，1 5 4 = 一t 然后通过电流传输器 外部连接的电阻和芯片内 部基准电压信号k 。的作用，使得输出信号和以内部基准电压信号圪。为中 心电平，实现对输入信号放大两点五倍。 对于电流传输器在理想情况下，x 端口输入的电压信号跟随y 端口的电压信 号；y 端口输入的电流为零。z 端口的电流信号跟随x 端口的电流信号，即( c c i i + 型的电流传输器) ，或者( c c i i 一型的电流传输器) 。等效电路原理图如下： y x 图3 - 1 c c i i l d 等效c c i i + 图3 - 1 ec c i i l d 等效c c i i 一圈 在c c i i - 1 d 的电路中，采用了在运算放大器负反馈回路中使用一对互补的晶 体管，可以实现在x 输入端有双向电流的c c i i 电路。对于c c i i l d ( l o a d i n g c h a n n e l 的c c i i ) 的电路采用了两对p 电流镜和n 电流镜，同时实现了c c i i + 型 1 6 第三章电路设计与仿真 和c c i i 一的电流传输器。c c i i - 1 d 电路可以分成三个部分：第一部分是左边的运 算放大器电路；第二部分是中间的互补差分对结构以及运算放大器的负反馈电 路，前两个部分的作用是构成“理想晶体管”，实现输入电流到输出电流的传输； 第三个部分由两对p 电流镜和两对n 电流镜所组成，实现电流的双向传输，并完 成c c i i + 和c c i i 一的功能。而c c - 1 d 的外部电阻和芯片内部的基准电压信号将 电流信号转化成电压信号，同时通过电阻实现信号的放大。 左侧的运算放大器电路( 见图3 - 1 3 ) 由两级电路组成。 图3 一”c c i i l d 电路图 c c i i j d j 和c c i i j d j 脚提供的信号做蜴7 4 ，q l ，对管的差分输入， r ，。，月，。，q l ，q i ，。构成有源负载，提高该级电路的放大倍数和输入电阻。 置。r 。，q l ，q 1 ，。构成偏置电路，扩大差分对的输入范围。q 1 ，。的集电极为运算 放大器的第一级输出。q l ，：构成射极跟随器，起到电流放大和电平转移的作用。 q l 。的射极构成运算放大器的第二级输出k ：。 在中间部分的电路中，9 。和q 1 。，构成互补推挽对，作用是可以实现将：端 1 7 第三章电路设计与仿真 传递过来的电流信号实现双向流动。此外从互补推挽对的共射极端引出的电流信 号与易。q 。，q l ，5 ，9 l ，9 ，r 。，蜀。组成的负反馈电路共同作用输入到c c i i l d x 。 由q l 。，q ，。g ，翻，。，r 。，r 。，组成的电流镜的小电流对互补推挽对反馈的电流信 号进行补偿，能够形成一个的“理想晶体管”。 第三部分就是由两对p 电流镜和n 电流镜组成的部分，将从电流传输器传递 过来的电流信号经过电流镜的作用实现电流转移输出。假定q 。导通，q 1 。，关断， 则q 。，q l ，。，q l ；，r 。，r 。r ，构成的电流镜实现电流转移。从翻，。的射极输出的 电流经q 1 ，传送到c c i i z p o s ，实现c c i i + 的功能，而从q 1 ，流出的电流经过第二 个n 电流镜( q 1 5 7 ，q l6 1 ，q 1 6 2 ，r ，r l ，组成) ，将电流传输到c c i i z n e g ，实现c c i i 一的功能。同理，蜴。，导通、q 。关断，则第一个n 电流镜实现c c i i + 的功能， 并且第一个n 电流镜和第二个p 电流镜共同作用实现c ci i 一的功能。 最后，通过芯片内部产生的内部基准偏置电压信号和电流传输器外部连接的 电阻，实现电流电压的转换，输出一个6 v 电压上下的波动的电压值。 实际线路图d c 特性分析，首先进行各偏置电流的计算： ( 1 ) 设定b i a s ，提供的电压信号保证，口，- ，2 乇，s 。2 5 0 “ ( 2 ) 由9 l ，。，q 。，q 1 ，。，蜴，。，q l 。和墨6 6 ，蜀。，r 。，置。，蜀。蜀。，置，。构成的电流镜 部分： ，”d r 何+ 圪e l 。1 2 r 2 + 圪e 2 ( 3 7 ) ，阿r 可+ 巧i n 了r e f = ，2 胄2 + i n f l c 2 1 一i1 ，2 ( 3 8 ) 驴去 r e ：r r e f + i n 印钏 睁。， 假定，跨接在r 一上的电压足够大，则 轮( 争 乇1 7 72