（微电子学与固体电子学专业论文）脉宽调制控制回路芯片设计.pdf

摘要 本课题是对无工频变儿i 器开关电源控制器芯片模块电路的设计与研究。该芯 片具有高效率、高可靠性的特点，它采用同定频率脉宽调制控制方式，通过电容 器上的f 极性锯齿波电压与其它两个控制信号电压进行比较来实现输出脉冲的 宽度调制，包含了控制开关电源所需的全部功能。控制电路内部没置了线性锯齿 波振荡器，振荡频率可由两个外接元件“，与lv 来调节；两个误差放大器，可构 成电压反馈调整器和电流反馈调整器，分别控制输出电压的稳定和输出过流的保 护：一个5 v 的带隙基准电压源：两个比较器，分别为死区时间比较器和脉宽调 制控制比较器，其死区时间可灵活调节，在实际应用中提供软开关的功能，并能 有效防止输出晶体管的共同通导现象，脉宽调制控制比较器则为误差放大器调节 输出脉冲宽度提供了一条途径；。个信号产生电路，通过输出控制，可选择单端 或推挽： 作模式。目前，浚芯片已经完成了各模块电路的设计、仿真及版图绘制 t 作。 本文是按照正向设计的工作流程，刈p w m ( 脉宽调制控制) 型控制器芯片各 模块电路的设计、研究工作进行了系统、全面地介绍。在第= 章中，首先明确了 该芯片的设计要求，紧接着阐述了本人的设计思路及各模块电路结构的具体发 计；第三章主要介绍了各模块电路的模拟验证上作，从仿真结果来看，各模块电 路设计均达到了设计要求；第四章则主要介绍了整个芯片的版图绘制工作。 关键词：脉宽调制控制，带隙基准电压源，死区时问 a b s t r a c t m yp r o j e c t i sf o c u s e do nt h e d e s i g n a n dr e s e a r c ho fp w m s w i t c h i n gp o w e r s u p p l y c o n t r o l c i r c u i t r y t h a t r e q u i r e sh i g he f f i c i e n c y a n d r e l i a b i l i t y t h i sc h i p i n c o r p o r a t e sa l m o s ta l lb u i l d i n gb l o c k ss u c ha ss a w t o o t ho s c i l l a t o r ，o n c h i pe r r o r a m p l i f i e r s ，5 vb a n d g a pr e f e r e n c e ，d e a d t i m ec o n t r o lc o m p a r a t o r ，p w mc o m p a r a t o r a n do u t p u ts e c t i o n t h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o ni sa c c o m p l i s h e db yt h ec o m p a r i s o no f t h ep o s i t i v es a w t o o t hv o l t a g ew i t ht w oc o n t r o l s i g n a l s t h ei n t e r n a ll i n e a rs a w t o o t h o s c i l l a t o ri s f r e q u e n c y - p r o g r a m m a b l eb yt w oe x t e r n a lc o m p o n e n t sr ta n dc tb o t h e r r o ra m p l i f i e r sa r eu s e dt os e n s ep o w e r s u p p l yo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t i no r d e rt o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h i sc h i p ，t h ed e a d t i m ec o n t r o lc o m p a r a t o rh a sa r t i n p u t o f f s e tw h i c hl i m i t st h em a x i m u m d u t yc y c l eo fag i v e no u t p u t i t sd e a d t i m ec o n t r o l p i ni sa d j u s t a b l ea n dc a nb ec o n n e c t e df o rs o f t s t a r to p e r a t i o n t h eo t h e rc o m p a r a t o r p w m c o m p a r a t o rp r o v i d e sam e a n sf o rt h ee r r o ra m p l i f i e r st oa d j u s tt h eo u t p u tp u l s e w i d t hw i t h o u t p u tc o n t r o lg r o u n d e d ，t h i sc h i ps e l e c t ss i n g l e e n d e do p e r a t i o na n dw i t h i tc o n n e c t e dt ot h er e f e r e n c el i n ef o rp u s h p u l l o p e r a t i o n n o wih a v ef i n i s h e dc i r c u i t d e s i g n ，s i m u l a t i o na n dl a y o u td e s i g no f t h i sc h i p t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h i s c h i p ，b a s e do nt o p - d o w n d e s i g nm e t h o d ，c o m p r e h e n s i v e l y i nc h a p t e rt w o 、if i r s t p o i n t o u tt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n to ft h i sc h i pa n dm yi d e af o rt h ed e s i g nw o r kt h e ni m a k ead e t a i l e d i n t r o d u c t i o no fc i r c u i t d e s i g n f o re a c h m o d u l e c h a p t e rt h r e e f o 吼l s e so nt h e s i m u l a t i o nw o r ko ft h i sc h i pf r o ms i m u l a t i o nr e s u l t s w ec a ns e et h a tm v d e s i 卫nf i t s t h er e q m r e m e n t si nc h a p t e rf o u r , ii n t r o d u c et h el a y o u t d e s i g no f t h i sc h i pc l e a r l y k e yw o r d s ：p w m ，b a n d g a pr e f e r e n c e ，d e a d t i m ec o n t r o l 独创性声明 求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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨空盘鲎或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对奉研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：吱、1 毫签字日期：出乒年。月用 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤洼盘芏 有关保留、使用学位论文的舰定。 特授权垦生垃可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进于，检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盛。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学化论文作者签名：办1 喜导师签名 签字厂1 期：乃畔年a 月- yh 李争铲钐 签字兀期：矽节) 午p 月2 ，矽 第一革绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 电源技术的发展 第一章绪论 近年来，随着电子设备集成电路化的发展，直流稳压电源在4 、型 化、效率以及可靠性方面的要求同益提高，从而导致人们的深切关注。 无工频变压器开关电源具有体积小、重量轻、效率高等种种优点而成 为当代电源的主流。 旱觏的常规电源，电路简孳、使娟元嚣件数量少、工作可靠，技 术性能优良，主要是晶体管串联线性调整型稳压电源。虽然这种常规 电源电特性优良，但它的根本弱点是功率晶体管串聪在负载回路早， 而且工作在线性区域，输出电压的调节与稳定借助于功率晶体管上电 压降落的调整来实现，因而对于输出低电压大电流的场合，效率低， 功率晶体管的发热和散热便成了问题，这就必然导致体积的增大。随 着半导体技术的发展，继续使用常规电源，不仅因它的单台容量小而 使使用数量越来越多，可靠性相应的下降，而且体积比重也显得越来 越大，这种常规电源己无法满足形势发展的需要。 人们丌始注目丌关型电源这种电源由于功率开关元件工作存开 关状态损耗小、效率高，体积重量较之常援电源均有所改善，尤其 是醢功率晶体管的出现，使其在大电流领域显示出更为明显的优越中丰， 1 日由于功率晶体管仍串联在负载刨路里，而且仍使用 频变压器，这 就限制了输出电流的增加和体积重量的根本缩减，所以，虽然这种型 式的转换显示出直流稳压电源取得了长足的进步，但是，还是不能适 应半导体事业同新月异的发展，尤其是集成电路标定电压的降低，意 味着直流稳压电源必须在大大缩小t 的体积内提供非常大的输出电 流，亦即电源应实现小型化才能维持恰当的占机体积比，同h , j 在能源 颁为紧张的今天，电源效率无疑：博比以往任何时候都显得更为重要等 等a 总之，随着半导体技术的e 速发展。电子设备对直流稳压电源提 出了一系列崭新要求。 对于这些要求，常规电源早已无法满足，串联开关弼整型电源也 不能适应形势发展的要求。为此人们开始搽索各种各样的控制变换器， 第一章绪论 即电压变换器既能完成频率及电j j i 变换，又兼有电压调整功能，集两 者于一身的新型开关电源。时间比率控制技术在变换器中的应用标志 着控制变换器发展的一个极其重要的阶段，其中尤以脉冲宽度调制型 最为盛行。这种新颖电源具有体积小、重量轻的典型特点，此外还有 效率高、输出保持时间长而便于实现计算机信息保护等与集成电路型 电子设备的要求相适应的优点。 即便这类新颖电源称得上得到了蓬勃发展，甚至可以称之为电源 方面的突破，但整个稳压电源小型化的进程和其它电了设备相比仍显 得相当不够，所以，整个电源系统今后的发展方向仍将沿着进步小 型化、高效率和高可靠性化、进一步改善技术性能和降低价格等方向 前进。 1 。1 2 p w m 型稳压电源概述 无l 频变压器开关电源控制变换器型按其控制方式的不同，可分 为i 种类型，即脉冲宽度调制型、脉冲频率调制型和混合调制型，它 们统称为时间比率控制方式，其中尤以脉冲宽度调制型最为盛行，脉 冲宽度调制方式( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 是指开关周 期恒定，通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式。该电源控制回 路在提供高压开关晶体管基极驱动脉冲的同时，需要完成输出电压稳 压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护，它通常有检测比较 放大电路、电压一脉冲宽度转换电路、时钟振荡电路、基极驱动电路、 过压过流保护电路以及自用电压源等基本电路构成。 p w m 型稳压电源是无工频变压器开关电源的主流，其具备的特点 如下： 1 )体积小、重量轻 2 )效率高 由于采用开关控制来稳定输出电压，高压开关晶体管的功率 损耗比串联线性调整型稳压电源小。 3 )适应性强 串联线性调整型稳压电源功率晶体管的功率损耗将随输入电 源电压和输出电压之差的增火而增大，因而不能适应输入电源和 输出电压变动大的场合，同时，因为有低频变压器，因此对电网 第一章绪论 的频率非常敏感。 p w m 型稳压电源高压开关晶体管工作在开关状态，其上的功 率损耗原则上不随电网电压和电源输出电压的变动而变动，只要 脉冲宽度调节范围许可，它可以工作在电网和输出电压变动幅度 较大的场合：因为没有低频电源变压器，因而对电网频率的变化 也容易适应。 4 )不易输出过电压 串联线性调整型稳压电源，尤其是串联开关型稳压电源，输 入电压和输出电压的差值大，一旦串联功率晶体管穿通损坏时， 将会输出危及负载的过电压；p w m 型稳压电源在高压开关晶体管 损坏时，主回路将停止工作，没有过电压输出。由控制回路故障 引起的输出电压上升，由于速度较慢，过电压保护电路町以在其 上升到危险电平前将电源切断，对负载提供充分保护。 这种特点对于像集成电路等对过电压比较敏感的负载而言是 非常有利的，这也是它在集成电路时代的今天能得到广泛应用的 原因之一。 5 ) 输出电压越低，输出电流越大 因为它是一种功率转换装置，在转换同样功率时，输出电压 越低，输出电流就越大，因此，象集成电路那样要求提供低电压 大电流的场合正好合适。 综上所述，p w m 型稳压电源非常适宜做集成电路型电子设备的主 机功率源。因此可以说它是目前一种颇为理想的大功率稳压电源。 1 2 本文研究内容及创新点 脉宽调制控制变换器型无丁频变压器开关电源的结构可分为两人 部分，从电嘲将能量传递给负载的回路称为主回路，余者称为控制回 路。如图11 所示。虚线框部分为主回路，实线框部分为控制回路。 本课题的研究内容为：p w m 型稳压电源控制回路设计。包括各个电路 模块的设计，电路保护的设计直到电路版图设计。控制同路功能是： 提供高压开关晶体管基极驱动脉冲的同时，完成输出电压稳压的控制， 而目还必须能对电源或负载提供保护。它主要由两个检测比较放大电 路、电压一脉冲宽度转换电路、时钟振荡电路、基极驱动电路、基准电 第一章绪论 压源组成。在本课题中，采用正向设计方法，根据各个模块电路的功 能和性能指标完成了电路结构设计；利用c a d e n c e 中的模拟软件 图1lp w m 方式无工频变压器开关电源框图 a n a l o ga r t is t 和h s p i c e 进行了各个模块电路的模拟验证，调整电路结 构和参数，使其满足设计要求：利用l e d i t 完成了整个控制吲路的版 图绘制工作。该论文的第二章着重介绍了控制回路各模块电路的设计， 第三章给出了模拟验证的结果，第四章介绍了控制回路及各模块电路 的版图设计。 本课题的创新点为：1 ) 该控制回路内部集成了所有功能模块：2 ) 内议两个误差放大器，可构成电压反馈调节器和电流反馈调节器，分 别控制输出电压稳定和输出过流保护：3 ) 内部集成了一个5 v 带隙基 准电压源；4 ) 控制回路设置了一个输出控制管脚，接高电位时，推挽 输出，接低电位时，单端输出：5 ) 为防止一对高压开关管发生“共 同通导”设置死区时间比较器控制端。 第二章脉宽调制控制电路设计 第二章脉宽调制控制电路设计 2 1 总体设计 2 1 1 控制回路功能描述 控制回路在提供高压开关晶体管基极驱动脉冲的同时，需要完成 输出电压稳压的控制，而且还必须能对电源或负载提供保护。它就是 通过对这一对脉冲电压的有和无、脉冲的窄和宽、脉冲宽度的变化量 和输出电压的变化量的关系、最大脉宽和最小脉宽以及从最小脉宽增 大到额定脉宽的速度等等关系来实现设计目标的。具体的说，控制电 路必须满足以下要求： 能够获得规定的输出电压值以及调节范围 要有灵敏的反馈机制。在输入电网电压以及负载电流允许 的变化范围内使稳压电源输出电压达到规定的精度 实现输入电压、输出电压的软启动 负载发生过流或短路时应能限制稳压电源的输出电流或 切断电源输出，以对负载和稳压电源提供保护 当稳压电源输出过电压f 寸，应能迅速切断电源输出，以对 负载提供保护 输出控制可以选择单端或推挽输出工作模式 2 1 2 设计思路 目前时间比率控制型无工频变压器开关电源是无工频变压器开关 电源的主流，而其中尤以p w m 型控制方式最为盛行。该控制回路采 用脉宽调制控制方式，其基本工作原理为在开关型稳压电源中，控制 回路能够以一定的时间间隔重复的接通和断开开关，在开关接通时， 输入电源通过开关和滤波电路施加到输出端负载上，在整个丌关接通 期间，电源向负载提供能量；当开关断开时，输入电源便中断了能量 地提供。在滤波电路输出端得到的电压平均值可表示为： i) l 2 3 4 5 6 壁型燮巡逊 詈未鲁耄翥荨嚣等霎霎竺譬间，? 为开关通断一m j l 作周期，声为输m 薹詈嚣誉霎拿蓑詈譬兰兰等：，e 翌电源电i 。“幽上茹：嚣，娄姜霁萎 薹? 芝罢喜嘉箬篡? 詈兽兰罂! ，纂等端妄篡覃高蓉三盏萎萎? 言 巍髫翥耋蓄等詈会慧电压的姚善蔷嵩茹嚣：砉挲靓雳 便能使输出电压维持不变。 “”“拦。m 刊1 嗣比例 外接京篙羹篆咨篓? 多；调制蔓制电路中需集成。个振荡电路，通过 荽蓑詈等詈黧鬻鬣一婵定频然淼。i 蕊裳蓑翥 嵫嗣确觚靴雌器的负向输入。慕萎豢：谶鼍徽到 锯齿被 v i l i v o 么二么 放 口且口 一口f 妻一瓣瓣豢 皇位一这样在比较器的输出端就口j 以筹茹= _ ：? ：要：璺之输出低 尊：控制开关的通断，而脉冲的宽度则蔷毒。诵j j 等霎? 鼍篡。波，相。| 一的脉 运就是脉冲宽度调制的基本原瑚 “恻”1 ”明大小来控制。 蜘鼍篆禳电篡嚣蝥黧曩毫脉冲宽度洲魄也就是浇， 糍鬻燃凳搬烹豪器鬣然 芝鼍尝i 耄詈意姜警妻警尊爷毒誉意罢裳蠢专麓麓誉 爱巍然瓣豢瓣麓舞 剁然后激励高压开关晶体管，调黎i i i 嘉1 ：鬈笠静牛现的脉冲 蒜嚣怒黜焉三黧凳翼蒜 第二章脉宽调制控制电路设计 较，放大器输出将产生一个电压变化量，该变化量由电压一脉宽转换电 路转换成脉冲宽度，该脉冲宽度将比变化前的要窄，亦即使导通脉冲 的占空比减小，高频变压器输出电压的平均值将下降，电源输出电压 回到接近原来的数值；反之，若电源输出电压由于某利t 原因下降时， 控制回路的输出脉宽将增大，高频变压器输出电压的平均值提高，使 电源输出电压又回升到原来的数值。此外，该控制回路中也包括过压 过流保护电路，以便一旦发生过电压时将电源和负载分开，以对负载 提供保护；一旦发生过流或输出短路时将输出切断或是将输出电流限 制在允许的范围内，以对电源本身提供保护。 综上所述，该控制回路主要由两个检测比较放大电路、电压脉冲 宽度转换电路、时钟振荡电路、基极驱动电路、基准电压源组成，如 图2 2 所示。在本课题中，采用正向设计方法，首先根据各个模块电 路的功能和性能指标完成了电路结构设计；然后利用c a d e n c e 中的模 拟软件a n a l o g a r t i s t 和h s p i c e 进行了各个模块电路的模拟验证，调整 电路结构和参数，使其满足设计要求：最后利用l e d i t 完成了整个控 制回路的版图绘制工作。 同步 图2 2脉宽调制控制方式控制电路框图 _嚣 当一 第二章脉宽调制控制电路设计 2 2脉宽调制控制电路设计 2 2 1稳压器及偏置电路设计 所谓稳压器，就是能使输入电压或输出电流在一定范围内变化时， 保持输出电压不变的稳定电压源。稳压器有两种形式，种是串联式 稳压器，种是开关型稳压器，串联式稳压器是对输出电压的变化进 行采样，经与基准电压比较放大后，控制串联在输入电压与输出电压 之间的调整元件，调节调整管两端的电压，使输出电压稳定。开关式 稳压器则是将输出信号采样后，经过变换，去控制与负载串联或并联 的开关的导通与截止时间，有时还要利用电感储能元件，将脉冲电流 转换成为负载中连续的稳定电流。开关式稳压电源比串联式稳压器的 工作效率高，输出电压变化范围广，但其电路复杂，而且需要外接电 感或变压器，因而使用受到限制，这里采用串联型稳压器。 串联型集成稳压器主要由基准电压源、误差放大器和调整管三部分 组成，另外还有启动电路和保护电路。此芯片基准电压源采用带隙基 准电压源结构，其中用到威尔逊电流镜，误差放大器采用达林顿管结 构，以下首先介绍带隙基准电压源和威尔逊电流镜的知识。尔后介绍 此芯片稳压器及偏置电路设计。 2211 带隙基准电压源 在各类集成电路中经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏 置电压或基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平较稳定，不 随电源电压和温度而变化。 在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有三大类：n p n 管e b 结反向击穿电压v z ，b e 结的i e 向工作电压e 和热电压 。它 们的温度系数分别为o v z c 3 t ；+ 2 m v o c ，a 1 0 t 。一2 m v o c 0 l o t “+ o 0 8 6 m v o c 。虽然前两种标准电压的温度系数都较大，但利 用它们的温度系数符号相反及集成元器件间匹配和温度跟踪性能好的 特点，将这三种标准电压加以不同的组合就可构成各种温度系数很小 的基准电压。以下主要介绍一种能隙基准电压源电路：两管能隙基准 电压源。 两管能隙基准电压源电路如图2 3 所示，其输出基准电压为 第二章脉宽调制控制电路设计 而 烁2 = ( ，f f + 拓2 ) 尼= ( 1 + r f e i ， e 2 尺2 儿2一vbli-vsl；21ktln! r ir l g j 2 q 3 、q 4 为p n p 管恒流源，作q 1 、q 2 管的有源负 载。假定 ，( 1 3l c li e l l c 42 i 2 i 2 p 则 = + ( p + l ，) r 月2 k 口t l “万j i 由文献f 2 9 1 知： 嘣巩础吲，一争嘣争警一每 所以，令簪地可得 一| 7 一。2 n + ( 1 + 内鲁等t n i j l = + n 等 图2 - 3 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 在这个电路中是通过控制晶体管的有效发射结面积比及电阻比来 获得接近零温度系数的基准电压。因为发射结有效面积比的控制相对 是比较容易的，控制精度高。这样，只要精确修正一个电阻值，就可 精确控制输出基准电压。 2 2 1 2 补偿恒流源( w iis o n 恒流源) 电路 补偿恒流源电路如图2 - 4 所示。假定各晶体管都相同，也不考虑 各管输出电阻为有限值的影响，则由图可知： 嚣 嚣 一随乓 第二章脉宽调制控制电路设计 r r v c c 蹿2 - 4 ，( 1 + 2 等一，f2 b 0 l + 苦一， i o 和i r 之f 司的关系为 7 7 户7 n 1 + 万面) i ? 一i ， 2 l ，8 1 + 2 8 而对于基本恒流源，i o 和l r 之i i u 的关系为 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 丛：三 ，。 所以在该电流源中实现了阶基流补偿，使i o 更接近于i 。，与基本恒 流源电路相比较，它使i r 和i o 的差值项缩小到原来的1 ( p 十2 ) ，并使 各管的d 对i o 的影响减小。 w i l s o n 恒流源的另一个特点是输出电阻较大，足基本恒流源输出 电阻的1 3 2 倍。 该电路的输出稳定性也较高。对于i o 的变化，存在一个负反馈环， 若i o 增加，则i e 2 、l c 3 、l c l 会相继增加，结果使i b 2 、i o 减小；对于 v o 的变化，i n 为该电路的输出电阻很大，所以影响也很小：而由于摹 极电流误差项基本被抵消，所以i o 和i r 的温度跟踪也较好，可以小于 0 - 0 5 。c 。w i l s o n 恒流源主要用作需要高度对称、高阻输出、高稳定 第二章脉宽调制控制电路设计 22 1 ，3稳压器及偏置电路 图2 - 5 稳压器及偏置电路 图2 5 中，r 1 、r 2 、q 8 、q l7 、q l8 、q 1 0 、q 9 、r 3 、r 4 组成了 两管能隙的基准电压源。r 1 、r 2 、q 8 、q 1 7 、q 1 8 组成威尔逊电流源， q 9 、q 1 0 的基极电位为基准电位。q l9 、q 2 0 、q 2 8 组成误差放大电路， 其中q l9 和q 2 0 组成高增益的达林顿放大管，q 2 8 为恒流源用做达 林顿管的有源负载。q 8 l 为调整管。q 7 l 和r s 组成保护电路，若流过 q 8 1 的电流过大，则r s 上的压降会使q 7 1 导通，从而减小流过0 8 l 的电流，防止q 8 1 电流过载。q 2 6 、q 1 l 、d 3 、r o 组成启动隔离电路， 电路刚通电时，电路中的恒流源还未开始r 作，首先q 2 6 导通，q 2 6 的导通使q 2 8 的基极电位下降，q 2 8 管导通，进而使整个恒流源电路 开始工作，之后由于q 2 6 的基极电位被嵌位在1 4 v ，当恒流源正常工 作后，q 2 6 的发射极电位升高到大丁o 7 v ，从而使q 2 6 截止，这样就 实现了启动隔离的功能。r 5 和r 6 为取样电阻，负责将输出基准电压 v r e f 的变化反馈到误差放大器。例如：当v r e f 升高时，由r 5 、r 6 取 样获得的电压反馈到q 9 、q 1 0 的摹极，使其电位升高，流过0 9 的电 第二章脉宽调制控制电路设计 流增加，q 18 的基极电位卜降，从而使e 1 9 的基极电位上升，q 8 1 的 基极电位下降，v r e f 也随之下降。 其中d 9 是一个结面积很大的二极管，由发射区扩散和基区扩散形 成，它总是工作在反偏状态下，相当于一个密勒电容，起相位补偿的 作用，有了这个“电容”，整个稳压器就能稳定的工作。q 8 1 是调整管， 工作时将有大量电流流过，因此在版图设计时应有较大的发射极周长。 偏置电路是整个电路中很重要的一部分。为了使该电路能工作在电 源电压波动比较大的情况下，采用了上面的稳压电路，以保证电路内 部各个部分的工作不受电源波动的影响。该电路产生了四个主要的偏 置电位：b ，b 1 ，b 2 和q 8 2 b 。它们将作为各部分电路中恒流源( 电路中 一般用p n p 管做恒流源) 工作的偏置电压。下面进行v r e f 的推导， 忽略基区电流 r u r 2 - - - - ) i e l7 = i f i8 i e l 0 = i e 9 - i r ，2 警 i r5 2 等 v r 4 = i ”4 r 4 = 2 1 e 3 q , r 4 = 鲁 v r e f = l r 5 ( r s + r 6 ) v 旷( + 等峨) 丁r 5 + r 6 = 等m 妻 v 扩丁r 5 + r 6 + 等讪砉半 而 v b e = v g o 似争等每 补圳，等l 。一o ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) 第二章脉宽调制控制电路设计 即 r s + _ ，r 6 r ( 监o t + 等r 卫c 3 th 鼽j 。一o ，t n t ， 一生+ 鳖+ 堕+ 堡生l 。立：o 瓦瓦q玛q 。 v 旷半( ”n k g t o ) 4 1 2 0 5 _ 4 8 0 5 v ( 2 - 1 1 ) 2 2 2 误差放大器电路设计 误差放大器的输入端口，一般与外接反馈信号相连，将外界反馈 的信号放大之后，与锯齿波进行比较，从而控制输出脉冲宽度，为使 脉冲宽度的变化相对于外界反馈信号有很高的灵敏度，要求误差放人 器的增益很高。 图2 - 6 为误差放大器的简化等效电路，它由三部分组成：差分输入 级，中间放大级和输出级。 v i n 一 图2 - 6 误差放大器简化等效电路 v o 差分输入级采用p n p 管做差分输入对管，n p n 管做有源负载， 中间放大级则采用高增益的达林顿管做放大管，恒流源做负载，这样 可以获得非常高的电压增益。用射极跟随器做放大器的输出级，起到 隔离的作用，并且提高了输出负载能力。 运算放大器的实际电路如图2 - 7 所示， q 3 q 7 是一个多集电极的 第二章脉宽调制控制电路设计 横向p n p 管，用做恒流源，由于横向p n p 管的电流精确的正比于正对 着发射结的集电结的边长，收集结的边长则可通过版图设计精确的控 制，所以多集电极p n p 管各集电极的电流之间的相对误差很小，可以 精确匹配。 q 4 与q 7 ，q 5 与q 6 集电结面积分别相等。q 4 、q 7 为q 1 、q 2 提 供静态时的基极电流，d 1 、d 2 组成输入对管的保护电路。输入电压过 高时，d 1 、d 2 截止，输入信号被禁止；输入信号过低时，d 1 、d 2 所 在隔离区( d l 、d 2 各占一个单独隔离区) 的隔离p n 结正偏导通，输 入信号被嵌位。 陶2 - 7 误差放大器电路 q 5 、q 6 和r 为q 1 2 、q 1 3 提供静态工作电流，并为下一级的达林 顿放大管设置静态工作点。 如5 = 1 c 6 如5 = 几( + 1 6 a x s i q 6 = ，+ 2 i i3 , b 所以 ( 2 一1 2 ) q 3 为输入对管q 1 、q 2 设置q - 作电流，使输入x , j - 管工作在最佳状 第二章脉宽调制控制电路设计 态。同时，为了使整个运算放大器能够在个较大的差模输入范围内 实现线性放大，将q 1 ，q 2 的大部分集电结面积与地相接，只留一小 部分对放大起作用，这样输入级部分的增益就很小，其主要作用就是 将外界输入的差模信号不失真的匹配给中间放大级。 整个放大器的增益是在中问放大级实现的。根据达林顿管的低频小 信号等效电路求得电流增益和输入输出阻抗为 ，2 盱 瞄 8 ；= 8 n 8 f l 8 st ；8 、8 2 ，l g 晶= = g w 2 r o 一局2 从上边可以看出达林顿管的显著特点是输入电阻高，电流增益大， 例如，单管增益为4 0 d b 时，达林顿管可达8 0 d b 。 q 1 4 相当于恒流源，做达林顿管的有源负载，二极管d 跨接在达 林顿管的输入与输出之问，它工作在反偏状态，相当于密勒电容，用 做频率补偿。 输出级部分，q 2 3 、q 2 7 、q 5 2 、r 7 组成一个较大的恒流源，与q 2 4 组成射极跟随器。 图2 - 8 两误差放大器相或电路图 第二章脉宽调制控制电路设计 脉宽调制控制电路的总体结构如图2 - 8 所示，电路内部有两个差分 放大器，它们的放大信号相或，然后再输出。 2 2 3比较器电路设计 电压比较器对输入电压幅度进行鉴别，将一个电压模拟量经过电 压比较器转换成高低两种电平。 22 ，3 1 比较器前端电路设计 s o w t o 4 2 s o w f 0 0 图2 - 9 比较器前端电路 图2 1 0 比较器前端等效电路 d 丁 d t 第二章脉宽调制控制电路设计 图2 - 9 中的q 5 0 、q 3 8 、d 1 6 、q 5 5 、d 1 0 、q 4 9 、r 1 0 、q 3 7 、d 1 5 起输入保护和电平位移的作用，q 5 8 、q 7 8 、q 7 9 构成恒流源，将这些 电路简化省略后，图2 - 9 可用图2 1 0 来等效，以方便分析其工作原理。 图2 一1 0 中s a w t o o t h 为锯齿波输入端，v a m p 为误差放大器的输出， d t 为死区时间控制端。 如图2 1 0 所示，q 4 2 和q 4 4 的电流之和等于恒流源的电流，只有 当锯齿波的电位高于误差放大器的输出并高于位移后的d t 电位时， q 4 2 的电流才会大于q 4 4 的电流，即确：e 一 1 ，g 仍，仍 6 o s c i l l a t o rf r e q u e n c ys w e e pr e m p t - 1 0 d 。g 一4 0 d e g 刀刀 t ；m e ( s ) 图3 1 4锯齿波振荡电路温度特性曲线 3 o 2 0 一 一 1 o 0 0 0 s c q t o rf r e q u e n c ys w e e pv c c 、k c - 7 v 一4 0 v t o 柚s 姆s z l 0 l| i l - u 4 0 g u6 0 q ub 0 ，g u1 0 9 u t i m e ( s ) 图3 15 锯齿波振荡电路线性电压特性曲线 由图3 1 4 得到以下数据 表3 - 6 锯齿波温度特性 t e m p i o142 9【85 72 28 62 7i43 14 33 57 14 0 ( d e g ) - ，。( k h z ) 8 278 30 58 338 348 398 428 32 98 24 4 可见，该振荡电路在温度从1 0 度变化到4 0 度的情况下，频率变 化为2 。 由图3 15 得到数据如下： 第三章脉宽调制控制电路的模拟分析 表3 7 锯齿波电源稳定性 【 v c c71 1 2l541 962 352 753 l535353 73 4 0 l 厶。( k h z ) 8 32 28 34 38 35 48 38 88 37 28 36 28 35 58 24 88 34 5 8 338 由上表可见，该振荡电路在线路电压从7 v 变化到4 0 v 的范围内 频率变化为0 7 。 综上所述，该振荡电路能够完成预定的功能，满足设计要求。 第四章脉宽调制控制电路版图设计 第四章脉宽调制控制电路版图设计 4 1 双极集成电路的基本制造工艺 双极型逻辑集成电路的制造工艺，是在平面工艺基础上发展起来 的。主要工艺过程为：衬底制备；一次氧化j 隐埋层光刻j 隐埋层扩 散j 外延淀积j 热氧化j 隔离光刻j 隔离扩散j 再氧化等基区光刻j 基区扩散j 再分布及氧化j 发射区光刻j 背面掺金j 发射区扩散j 再 分布及氧化j 接触孔光刻j 铝淀积j 反刻铝j 铝合金j 淀积钝化层j 压焊块光刻j 中测 其要点是：通过隔离把硅片分成一定数目的互相绝缘的隔离区；在 各个隔离区内制作晶体管、电阻等元件，制作互连线，把各个元件按 照一定功能连接起来。隔离的方法有多种，如p n 结隔离，全介质隔离 及p n 结一介质混合隔离等。由于隔离方法不同，具体的工艺流程各有 差异，但各种制造工艺的主要部分是相同的。目前，双极型逻辑集成 电路主要采用p n 结隔离， “隔离”和“埋层”是双极型集成电路制造工艺中两个重要的步 骤：1 集成电路中的晶体管是三结四层结构，其各端点都是从表面引 出，并在上表面互连，为减小晶体管的集电极串联电阻，减小寄生p n p 管的影响，在制作器件的外延层和衬底之间需要做n + 隐埋层。隐埋层 杂质的选择原则是：1 ) 杂质固溶度大，以使集电极串联电阻降低：2 ) 高温时在硅中扩散系数小，以减小外延时埋层上推到外延层的距离：3 ) 与硅衬底的晶格匹配好，以减小应力。比较理想的隐埋层杂质是砷和 锑。2 隔离扩散的目的是在硅衬底上形成许多孤立的外延层岛，以实 现各元件间的电绝缘。隔离的方法有很多，由于反偏p n 结隔离的工艺 简单，与元件制作工艺基本兼容，成为常用的隔离方法，在集成电路 中，p 型衬底接最低电位，以使隔离结处于反偏，达到各岛阳j 电绝缘 的目的。 4 2 双极型集成电路设计的特点 双极型集成电路设计中首先要考虑的问题是，元器件问需要隔离。 f ；j 前已有多种隔离方式，要根据不同的要求，选择适当的隔离方式。 第四章脉宽调制控制电路版图设计 此外，要注意减小寄生效应( 寄生p n p 管、寄生电容效应等) 。 在选择电路型式时应考虑扩散电阻的特点。集成电路中的电阻是 用扩散法制造的，阻值不易做准，但电阻问的比值可以做得较准。这 就可以选择适当的电路型式，使电路参数对电阻的精度要求不高或只 跟电阻比值有关。此外，扩散电阻还有寄生效应、温度系数大等其他 一些缺点，这些都应在设计时加以考虑。 4 3双极型集成电路的版图设计原则 双极集成电路版图设计的基本原则如下： 1 版面面积最小。从隔离区数目、隔离区面积、压焊点所需面 积及元件互连所需的面积这四方面着眼，尽量减小管芯的面 积。这不但可以减小寄生效应的影响，而且对提高电路的成 品率也有好处。 2 受隔离结寄生电容影响大的那些隔离区面积应尽可能的小。 3 电极引出线的排列必须与封装要求一致，在电路周围要均匀 排列。在电路使用时需经常连在一起的两个引出线，应安排 在相邻的压焊点上，以减小外引线过长而引起的寄生效应。