（微电子学与固体电子学专业论文）高精度透镜驱动器的设计.pdf

摘要 通过对消费电子市场的调查，照相手机成为了手机市场上增长最快的细分市 场之一。同时，照相手机在关键高性能模拟产品的需求也越来越大，高性能的集 成透镜驱动器为关键的器件之一。结合实际需要，作者承担完成了一款最新的集 成透镜驱动器的设计、仿真和测试工作。 该i c 具有失调电流小、电流上升时间可控和功耗小等特点。首先，i c 采用 了1 2 c 接口，工作时钟速率可达4 0 0 k h z ，简化了i c 的外围电路设计；其次，设 计了一种可编程控制电流上升时间架构，克服了v c m 本身对电流快速变化而引 起的抖动；再次，分析与设计了一种低失调运算放大器( l o wo f f s e to p a m p ) ，扩 大了聚焦的范围；最后，集成了1 0 位数模转换器( 1 0 b i td a c ) 、带隙基准电压源 ( r e f e r e n c e ) 、上电复位电路( p o r ) 、过温保护电路( t s d ) 、电流检测电阻( r s e n s e ) 和感应保护二极管( d i o d e ) ，简化了i c 的外围设计。 本文对i c 的系统架构和内部各子模块电路的设计进行了详细的描述，尤其对 重点与难点模块进行详细分析及设计。基于u m c 0 3 鼽mc m o s 工艺，采用h s p i c e 和a d m s 软件，对关键子模块及整体电路进行了仿真验证，仿真结果表明，设计 规格均满足设计要求。测试结果表明：i c 的各项指标和性能基本满足设计要求。 关键词：音圈马达数模转换器低失调运算放大器基准电压源 a b s t r a c t t h ep a p e ri sb a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft h ec o n s u m e re l e c t r o n i c sm a r k e t ， t h ec a m e r ap h o n ei so n eo ft h em o s ta c t i v ei ne e l lp h o n em a r k e t a tt h es a m et i m e ， i td e m a n d so nm o r ea n dm o r ec r i t i c a la n a l o gd e v i c e s e s p e c i a l l y , t h el e n sd r i v e ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e s t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h el e n sd r i v e r s w h o l ed e s i g n ，s i m u l a t i o na n dt e s t t h i si ch a saf e a t u r ew h i c hi sl o wo f f s e t , t i m ec o n t r o l l i n ga n dl o wp o w e r f i r s to f a l l ，l e n sd r i v e ru s e s2 - w i r e ( r c c o m p a t i b l e ) 1 8 vs c r i mi n t e r f a c e ，s i m p l i f y i n gt h e a p p l i c a t i o nc i r c u i t t h ef r e q u e n c yo f1 2 c c a l lr e a c h4 0 0 k h z s e c o n d l y ；t h i si cd e s i g n sa t i m ec o n t r o lc i r c u i t ，a l l o w i n gt h el a s e rt oc u s t o m i z et h eo u t p u tt r a n s i e n tr e s p o n s et h e r e b y o v e r c o m i n gm e c h a n i c a lr i n g i n ga s s o c i a t e dw i t hr e d u c e df o r mf a c t o rv o i c ec o i lm o t o r s ( v c m s ) t h i r d l y ，t h i si ca n a l y s e s ，s t u d i e s t h eb a s i cp r i n c i p l e so f f s e tv o a a g eo fo p a m p a n dd e s i g n san o v e ll o wo f f s e to p a m p ，w h i c he n l a r g e st h ea u t of o c u ss c o p e f i n a l l y ，t h i si ci n c o r p o r a t e sa1 0 - b i td a c ，ab a n d g a pc k c u i t , ap o rc i r c u i t ，at s d c i r c u i t ，ac u r r e n ts e n s er e s i s t o ra n dad i o d e ，w h i c hs i m p l i f i e st h ea p p l i c a t i o nc i r c u i t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es y s t e m sa n db l o c k so ft h i si ci nd e t a i l e s p e c i a l l y ，t h e i m p o r t a n ta n dd i f f i c u l tb l o c k sh a v eb e e nc o n c r e t e l ya n a l y z e da n dd e s i g n e d t h i si ci s b a s e do nt h eu m c0 3 5 a mc m o sp r o c e s s t h es i m u l a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n so ft h e w h o l ec h i ph a v eb e e nc o m p l e t e d t h et e s tr e s u l t sa n dw a v e sc a ns a t i s f yd e s i g n i n g r e q u i r e m e n t s k e y w o r d ：v c md a cl o w o f f s e t - o p a m pb a n d g a p 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，- 除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 日期兰竺! ：! ：堑 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 肖 日闷 日期竺! 圣：! ：圣5 日期剑u 习 第一章绪论 第一章绪论 本章主要介绍了基本原理和控制方式、音圈马达的工作原理及特性、论文的 产生背景、论文的主要工作和各个章节的简要介绍。 1 1 引言 消费电子市场是所有i c 电子市场中最大以及增长最快的市场。手机、数码相 机( d s c ) 、m p 3 与d v d 播放机、机项盒，以及视频游戏控制台等这些需要用到马 达的电子设备的市场成功，为i c 市场注入了发展动力。随着手机摄像头像素的提 高，采用传统的固定聚焦已经不能满足消费者的要求。为了满足市场的需求，手 机厂商已经在高端照相手机已将马达集成到手机里到达自动聚焦功胄g ( a u t o f o c u s ) 。音圈马达( v c m ) 由于具有由于它体积小，特别适合用在一些狭小的空间。 另外它响应速度快( 毫秒级) ，本身重量小，因而可以达到很高的加速度，可以做 高速振荡往复运动( 可达几十赫兹) 。控制简单可靠，无需换向装置，免维护，长 寿命，可以长期连续工作。我们的音圈电机可以进行精密的位置、速度、加速度 和推力控制，无背隙烦恼。位置精度级别可达0 1 瓤m ，加速度达2 0 g 。因此， v c m 为成为具有自动聚焦照相手机中常用马达。 1 2 1 马达的基本原理 1 2 马达的基本原理和控制方式 不同设计的马达有不同的启动方式和动力特性，适用于不同用途的机械中。 例如，有些马达有高转矩和扭力，而有些马达则能定速旋转或者转几分之一圈。 一般而言，驱动机器的能力以输出功率来计算，马达输出功率的单位为马力( h o u s e p o w e r ，简称h p ) ，1 马力( h p ) - 7 4 6 瓦特( 哪，马力越高在单位时间里输出的功率 越大，在机械中主要的驱动马达都需要比较大的动力，而作为控制用途的如定位、 定速等马达则输出功率较小。 电动机之主要功能即在于能够在电能( e l e c t r i c a lp o w e r ) 与机械能( m e c h a n i c a l p o w e r ) 之间藉由电磁转换而进行能量转换，马达将电能转换为机械能，而发电机 则将机械能转换为电能，要了解电动机的工作原理首先要了解扭矩与功率。 将力施于一可旋转之连杆，则此连杆将会旋转，扭矩即为造成此旋转运动之 力与旋转半径长度的乘积，定义为： t f y( 1 - 2 ) 2 高精度透镜驱动器的设计 其中f 为施力大小，单位为牛顿( n e w t o n ) ，y 为力垂直之旋转半径长度，单 位为米( m ) 。 在旋转运动中定义功( w o r k ) 为扭矩施于转轴使其旋转口角，定义为： w = tx o ( 1 3 ) 功率( p o w e r ) 贝, l j 为单位时间内功的变化，定义为： p 。了d w 。要仃口) ：t x w ( 1 4 ) 口l口i 如果扭矩固定不变，则如果扭矩固定不变，则p ；t x w 。在变压器、马达与 发电机的运作过程中，能量常由一种型式转换为另一种型式，这种转换过程的基 本机制即在于电磁场( e l e c t r o m e c h a n i c a lf i e l d ) 。因此要了解电动机的工作原理即 要明了磁场产生的方式，磁场的产生可归纳为下列几种方式：一根载有电流的导 体会在其周围将形成磁场磁铁会在其周围形成磁场。电场的变化在适当的情况下 将造成感应的磁场，反之亦然，因而在电磁的交互作用中达到能量转换的目的。 一个变化的磁场在其切割的线圈上将产生感应电压，这是变压器的基本工作原理。 一根载有电流的导线如置于磁场中，则将感应一力施于其上，这是马达运转的基 本原理。一根在磁场中移动的导线则将在导线上产生感应电压，这是发电机运转 的基本原理。因此藉由电场与磁场的交互作用，电能与机械能可以互相转换，以 下将说明其相关的物理定律。 1 2 2 1 安培定律 币日一d 一k ( 1 5 ) 载有电流的导线会在其周围形成磁场，其关系即为( 1 5 ) 所示的安培定律，其 中h 为由净电流k 所造 成的磁场强度( m a g n e t i c f i e l d i n t e n s i t y ) ，单位为 a m p e r e t u r n s m e t e r 。我们 可以图1 1 ( 一个绕有线圈 的方形铁心) 为例来说明安 培定律。 此铁心由导磁性材料 所构成，假设线圈电流所 造成的磁场( 磁力线) 均留 图1 1 一个线圈环绕的铁芯 在铁心之内，则安培定律内之路径回旋积分即为环状铁心的平均长度k ，通过磁 场积分回路之净电流，盯为n x i ，则由安培定律可知： n x i c i n x i ( 1 6 ) 第一章绪论 3 其中h 为磁场强度向量h 的大小，由此可计算出h 为： 日掣( 1 - 7 ) 1 c 由上式可知磁场强度与线圈电流与圈数成正比，但与磁路的长度成反比，因 此铁心愈大，其平均磁路长度愈大，则磁场强度就愈小。磁场强度h 可视为造成 磁场的原动力，在铁心内磁力线的多寡也就是磁通量( m a g n e t i cf i e l df l u x ) ，则与 铁心的材料有关，磁通量的大小可以磁通密度b ( m a g n e t i cf l u xd e n s i t y ) 表示，其 与磁场强度之关系为： b = , h ( 1 - 8 ) 其中h = 磁场强度( m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y ) ( a m p e r e t u m s m e t e r ) b = 磁通密度( m a g n e t i cf l u xd e n s i t y ) ( w e b e r s m 2 ，t e a l s ) j 【i = 导磁率( m a g n e t i cp e r m e a b i l i t yo f m a t e r i a l ) ( h e n r y s m e t e r ) 称之为导 磁性材料的导磁率( p e r m e a b i l i t y ) 。真空的导磁率定义为j l o 其值为： , t o 一4 a x 1 0 。7 h m( 1 - 9 ) 其它物质相对于真空的导磁率称之为相对导磁率( r e l a t i v ep e r m e a b i l i t y ) 定义 ( 1 - l o ) 相对导磁率可用来评估一种导磁材料其磁化容易的成度，例如钢( s t e e l ) 常用i 于马达的制造，其相对导磁率约介于2 0 0 0 - - 6 0 0 0 之间，这表示同样的电流，如果 采用硅钢片作为铁心则较空心的线圈能产2 0 0 0 , - - 6 0 0 0 倍的磁通量，空气的导磁率 与真空几乎是相同的。由此可知在变压器或马达铁心的材料，对其特性扮演了关 键性的角色。由于铁心的导磁率相当高，因此图1 1 中的磁力线绝大部份均在铁 心之内，只有极小部份的漏磁通( l e a k a g en u x ) 流失于周围的空气中。这- d , 部份 的漏磁通在决定变压器与马达的磁通交链( f l u xl i n k a g e ) 与自电感( s e l fi n d u c t a n c e ) 时却是非常重要的。 如图1 1 所示之铁心，其内部之磁通密度b 为： b ；h ，半 ( 1 1 1 ) c 在指定面积内的磁量则可计算为： 妒一p d a( 1 1 2 ) 二 其中施为单位面积微分量，如果磁通密度向量b 与平面a 垂直，且流过此 旦心 i 心 为 4 高精度透镜驱动器的设计 平面的磁通密度是均匀的，则上式可简化为： 庐= b a 由此可知在图1 2 中铁心的总磁通量为： 驴= 删一半 ( 1 - 1 3 ) ( 1 - 1 4 ) 其中a 为铁心的截面积。 1 2 2 2 磁电路( m a g n e t i cc i r c u i t ) 由欧姆定律可知在电路中由电动势( e l e c t r o m o t i v ef o r c e ，e m f ) 在环形电路中 经由电阻形成电流，由欧姆定律可知： v = r ( 1 - 1 5 ) 同理，为了便于分析，也可定义磁动势( m a g n e t om o t i v ef o r c e ，m m f ) ： ( a ) 图1 2 ( a ) 电路 fzn i r 矿 足 呻 图1 3 决定磁动势在磁路中的极性 ( b ) ( b ) 磁路 ( 1 1 6 ) r f 尺 在环形磁路中经由磁阻( m a 舯e t i cr e l u c t a n c e ) 形成黼( f l u x ) ，其关系为： f = c g( 1 - 1 力 等效电路如图1 2 所示，磁动势的极性可由右手定则决定如图1 - 3 所示。在磁 路中的磁阻其特性就有如电路中的电阻。由式( 1 - 1 3 ) 与( 1 - 1 7 ) 可知： r 。生 肛4 ( 1 1 8 ) 第一章绪论 5 1 2 2 马达的控制方式 在今日空间有限的环境里，设计人员必须为其应用寻找功能丰富、体积精巧 而整体效能强大的解决方案，例如微处理器、数字讯号处理器( d s p ) 和模块都是设 计人员选择这类组件时可以考虑的对象。小巧精简的微控制器也是设计人员的理 想选择，因为它既能为小型马达控制等应用提供许多优点，又能节省宝贵的电路 板面积。许多应用都会用到功率低于3 0 0 w 的小型马达，例如汽车、打印机、复 印机、纸张处理机、工厂自动化、太空和军事载具、测试设备和机械人。整体而 言，马达的产量约和其功率大小成反比，这表示小型马达的产量远超过大型马达。 应用最广泛的小型马达包括直流马达、无刷直流马达和步进马达。直流马达、无 刷直流马达和步进马达的主要区别在于它们的驱动方式。直流马达和无刷直流马 达通常则采用连续移动的模拟控制方式，步进马达是以步阶方式分段移动。由于 直流马达则是以马达电压或电流作为控制变量，以位置或速度作为命令变量。直 流马达需要反馈控制系统，它会以间接方式控制马达位置；相形之下步进马达采 用步阶移动，所以特别适合绝对寻址应用，目前市场上常见的步进马达已能提供 每一步1 8 或0 9 度的精确移动能力。步进马达采用直接控制方式，它的主要命令 和控制变量都是步阶位置( s t e pp o s i t i o n ) ，步进马达系统多半则是以“开环”方式进 行操作。 直流马达是最常见和成本最低的小型马达，并且广泛用于各种应用。无刷直 流马达宣称能提供更高可靠性以及更低噪声和成本，然而到目前为止，它却只能 在磁盘或计算机风扇等少数已经量产的应用中取代传统直流马达。在某些应用里， 无刷直流马达有多项优点胜过传统电刷马达，例如它以电子组件和传感器取代电 刷，不但延长马达寿命和减少维护成本，而且也没有电刷产生的噪音。直流马达 的特性使它成为调速系统最容易使用的马达。 步进马达可以根据马达结构、驱动架构和步进方式来分类。步进马达的结构 有好几种，包括可变磁阻( v a r i a b l er e l u c t a n c e ) 、永磁和混合式永磁( h y b r i d p e r m a n e n tm a g n e t ) ，永磁步进马达的成本很低，多半用于价格低廉的消费性产品。 混合式步进马达的价格略高，是工业移动控制应用最常见的马达。可变磁阻马达 通常有3 或5 个相位，需要采用不同的驱动电路架构。单极性( n i c o l a ) 和双极性 ( b i p o l a r ) 是步进马达最常采用的两种驱动架构。单极性驱动电路使用四颗晶体管 来驱动步进马达的两组相位。双极性驱动电路可以同时驱动四线式或六线式步进 马达，虽然四线式马达只能使用双极性驱动电路，它却能大幅降低量产型应用的 成本。双极性步进马达驱动电路的晶体管数目是单极性驱动电路的两倍，其中四 颗下端晶体管通常是由微控制器直接驱动，上端晶体管则需要成本较高的上端驱 动电路。双极性驱动电路的晶体管只需承受马达电压，所以它不像单极性驱动电 6 高精度透镜驱动器的设计 路一样需要箝位电路。 1 3 音圈马达的工作原理【1 9 】 音圈马达属于线型直流马达的一种，是利用永磁铁与场磁铁绕线所构成的具 有直接驱动、固定行程特性的制动器。音圈马达的名称由来是因为其结构与喇叭 相似。原本应用在收音机的喇叭中，现已在要求严格的伺服控制器上广受欢迎。， 已在光学系统中透镜的定位；机械工具的多坐标定位平台；医学装置中精密电子 管、真空管控制；在柔性机器人中，为使末端执行器快速、精确定位，还可以用 音圈电机来有效地抑制振动。音圈马达所产生之推力与流过场磁铁绕线的电流成 正比，并具有线形控制、零磁滞、超高位置敏感度、低电气及机械时间常数。 音圈马达运动可区分为直线式与旋转式两种：其原理、数学模式、控制方式 都相同，由使用者按应用场合做选择当所应用之场合需要驱动负载做直线往复式 运动时，使用一般旋转式马达必须使用传动机构将旋转式运动转化成直线式运动， 但连杆机构和齿轮齿条都有背隙，定位精度不高，若使用直线式音圈马达则无上 述缺点，唯其行程无法太长；旋转式音圈马达可以看成一种单相直流马达，不过 其旋转角度受限，一般小于9 0 度。音圈马达磁路设计是以最少的永磁铁及导磁材 料来产生具有高磁通密度的均匀磁场；此外为了提高力量常数并降低功耗，也必 须具有高磁通密度。在线圈移动的整个过程中，磁通密度必须尽量均匀，使力量 常数保持定值，以利于控制系统之设计。 1 3 1 磁学原理【1 9 1 夕 图1 4 安培力原理图 音圈电机的工作原理是依据安培力原理，即通电导体放在磁场中，就会产生 力f ，力的大小取决于磁场强弱b ，电流，以及磁场和电流的方向( 见图1 5 ) 。如 果共有长度为l 的根导线放在磁场中，则作用在导线上的力可表示为： f k b l i n ( 1 1 9 ) 式中k 为常数。由图1 4 可知，力的方向是电流方向和磁场向量的函数，是 二者的相互作用。如果磁场和导线长度为常量，则产生的力与输入电流成比例。 第一章绪论 7 在最简单的音圈电机结构形式中，直线音圈电机就是位于径向电磁场内的一个管 状线圈绕组( 见图1 6 ) 。铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场，这样的布置可使 贴在线圈上的磁体具有相同的极性。铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上， 与永久磁体的一端相连，用来形成磁回路。当给线圈通电时，根据安培力原理， 它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力。通电线圈两端电压的 极性决定力的方向。 图1 5 直线音圈电机结构图 撇意+ 图1 6 旋转音圈电机示意图 将圆形管状直线音圈电机展开，两端弯曲成圆弧，就成为旋转音圈电机。旋 转音圈电机力的产生方式与直线音圈电机类似。只是旋转音圈电机力是沿着弧形 圆周方向产生的，输出转矩见图1 6 。 1 3 2 电子学原理f 1 9 1 音圈电机是单相两极装置。给线圈施加电压则在线圈里产生电流，进而在线 圈上产生与电流成比例的力，使线圈在气隙内沿轴向运动。通过线圈的电流方向 决定其运动方向。当线圈在磁场内运动时，会在线圈内产生与线圈运动速度、磁 场强度、和导线长度成比例的电压( 即感应电动势) 。驱动音圈电机的电源必须提 供足够的电流满足输出力的需要，且要克服线圈在最大运动速度下产生的感应电 动势，以及通过线圈的漏感压降。 1 2 3 机械系统原理【1 9 1 音圈电机经常作为一个由磁体和线圈组成的零部件出售。线圈与磁体之间的 最小气隙通常是( 0 2 5 4 0 3 8 d r a m ，根据需要此气隙可以增大，只是需要确定引 导系统允许的运动范围，同时避免线圈与磁体间摩擦或碰撞。多数情况下，移动 载荷与线圈相连，即动音圈结构。其优点是固定的磁铁系统可以比较大，因而可 以得到较强的磁场；缺点是音圈输电线处于运动状态，容易出现断路的问题。同 时由于可运动的支承，运动部件和环境的热接触很恶劣，动音圈产生的热量会使 8 高精度透镜驱动器的设计 运动部件的温度升高，因而音圈中所允许的最大电流较小。当载荷对热特别敏感 时，可以把载荷与磁体相连，即固定音圈结构。该结构线圈的散热不再是大问题， 线圈允许的最大电流较大，但为了减小运动部分的质量，采用了较小的磁铁，因 此磁场较弱。直线音圈电机可实现直接驱动，且从旋转转为直线运动无后冲、也 没有能量损失优选的引导方式是与硬化钢轴相结合的直线轴承或轴衬。可以将 轴轴衬集成为一个整体部分。重要的是要保持引导系统的低摩擦，以不降低电 机的平滑响应特性。典型旋转音圈电机是用轴球轴承作为引导系统，这与传统 电机是相同的。旋转音圈电机提供的运动非常光滑，成为需要快速响应、有限角 激励应用中的首先装置。 由以上分析可知：只需要调节流过音圈马达的电流大小就可以控制音圈马达 线圈移动的距离，从而调节焦距。 1 4 论文的主要工作和章节安排 该设计主要是为了优化整个系统，降低系统的成本。基于市场的需要和现有 的技术难题，本文设计了一款新的驱动i c ，克服了它在实际应用中遇到的一些难 题：如电流上升过快导致马达抖动，工作过程中温度过高，功耗高等。 1 4 1 主要工作 论文结合当今市场的需求和透镜驱动i c 的发展趋势，设计了一款新的透镜驱 动i c 。它主要应用于照相手机中的自动聚焦、l e d 调光、数码相机等便携电子产 品中。i c 的工作电压为2 3 v 至5 5 v ，工作期间的电源电流仅l m a ，而在停机模 式中则降至、| j孓 。踌 p o 1 列t 2 s 了斌 e ) ；曩o n 础三罩l 蜀：d s i r t c i 豇溅 图3 1 0 1 2 c 的时序要求 s = o p c o 蠕) n o n l 、 一 第三章i c 主要模块的设计 2 1 表3 11 2 c 的时序要求 l i m i ta t t 心， p a r a m e t e r u n i t d e s c r i p t i o n t m a x f s d 4 0 0 k h z m a xs c lc l o c kf r e q u e n c y t 12 5l is m l ns c l c y c l et i m e t 2o 6“s m l nt h i g h ，s c lh i g ht i m e t 3 1 3 usm l nt l o w ，s c ll o wt i m e t h d ，s t a ， s t a r t r e p e a t e ds t a r t t 40 6us n u n c o n d i t i o nh o l dt i m e t 51 0 0n s m l nt s u ，d a t ，d a t as e t u pt i m e t 60 9usm a xt h d ，d a t ，d a t ah o l dt i m e t s u ，s t a ，s e t u pt i m ef o rr e p e a t e d t 70us m l n s t a r t t s u ，s t o ， s t o pc o n d i t i o ns e t u p t 80 6i sm m t i m e t b u f ，b u sf r e et i m eb e t w e e nas t o p t 9o 6l is m l n c o n d i t i o na n das t a r tc o n d i t i o n t r ，r i s et i m eo fb o t hs c la n ds d a t l o1 3l ism m w h e nr e c e i v i n g 0n sm m m a y b ec m o sd r i v e n t l l3 0 0n s i i 埝xt f ，f a l lt i m eo fs d aw h e nr e c e i v i n g t f ，f a l lt i m eo fb o t hs c la n ds d a 2 = 5 0n s m a x w h e nt r a n s m i t t i n g 2 0 + 0 1 c b 3n sm m c b4 0 0 p f m a xc a p a c i t i v el o a df o re a c hb u sl i n e 高精度透镜驱动器的设计 3 2 控制电路模块 控制电路是由寄存器、振荡器、分频器、选择开关和逻辑电路组成，实现电 流上升时间可调功能。 3 2 1 寄存器( r e 酉s t e r ) 【4 1 在对电流上升时间进行控制时，需要对电路中数据控制信号的初始状态和中 间状态进行存储，以保证运算结果的正确性和时序的- 致性。所以，在电路中加 入了一些寄存器电路，电路中的寄存器电路主要是由上升沿触发的d 触发器构成 的输入寄存器电路。其中，主要是对1 2 c 中1 0 位的数据线，在o s c 的时钟信号 控制下，根据需要的电流的大小进行计算；对4 位时间控制信号，根据所需时间 长短进行计算。 s l o p e _ o s c 电路图如图3 1 1 所示：振荡器产生2 0 k h z 的方波脉冲信号，通 过分频器产生了7 种频率不同的脉冲信号，频率分别为：2 0 k h z 、1 0 k h z 、5 k h z 、 2 5 k h z 、1 2 5 k h z 、0 6 2 5 k h z 、0 3 1 2 5 k h z 。由控制信号s o 、s 1 、s 2 来选择分 频输出。 d i vr s 0 s l s 2 图3 1 1s l o p c _ o s c 电路 3 2 2 1 振荡器( o s c ) f 3 】， 4 1 1 2 1 振荡器的功能主要是产生周期性的脉冲信号控制和为分频电路提供基准频 率。为控制电路提供实际基准单位。 3 2 2 1 1 电路原理及分析 如图3 1 2 所示，v a 为电容c 上的电压，i n h 、i n l 为比较器的输入参考电平， 由i c 内部产生。我们假设电容初始电压为零。 m 。j 昭 忸儿。 郴蝣雠 m m 珊瑚吼 第三章i c 主要模块的设计 上电的过程中，由于假设圪一0 ，所以c o m p l 和c o m p 2 的输出均是“o ”， 经过逻辑运算后，c 点电压为“o ”，b 点的电压也为“0 ”；此时开关s 1 开启，开关 s 2 关断。开关s 1 开启，电流源1 1 开始对电容c 充电，当a 点的电压充电到i n l 时，c o m p 2 的输出逻辑翻转，由于此时b 点的逻辑为“o ”，所以b 和c 点的逻辑 状态不变，开关s 1 和s 2 的状态也不变，继续对电容充电。当对电容充电到a 点 电压大于i n h 时，c o m p l 的逻辑输出发生翻转，由“0 ”变为“1 ”。此时，b 点的 图3 1 2 振荡器原理图 逻辑由“0 ”变为“1 ”， c 点的逻辑由“o ”变 为“1 ”。同时，开关 s 1 和s 2 的状态发生 变化，s 1 关断，s 2 开启。电容c 开始放 电，a 点的电压开始 降低。当a 点电压低 于d m 时，c o m p l 的输出逻辑发生翻转，由“1 ”变为“0 ”。此时，b 点逻辑为“1 ”，c 点逻辑为1 。电 容c 继续放电，直到放电到小于i n l 时，c o m p 2 的逻辑输出发生翻转，由“1 ” 变为“0 ”，c 点的逻辑由“1 ”变为“o ”，b 点的逻辑由“1 ”变为“0 ”，开关s 1 开启，开 关s 2 关断。开始对电容c 充电。a 点的电压开始升高，循环开始的动作，来回 切换开关s 1 和s 2 对电容冲放电，从而输出脉冲信号c l k 。 接下来计算振荡周期，我们假设电容c 充电放电的两个比较电压的最小值为 v m i s ，最大值为v u a x ，则电容充电时得： 电容放电时： 互一掣 z 。g 啦= 鳖2 l 、 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 时钟周期为：z ；互+ 瓦_ c 如一) ( 丢+ 旁 ( 3 3 ) 由上式可知通过改变恒流源1 1 、1 2 电流的大小或者电容c 的值则可以 得到需要的振荡频率。而在具体电路实现时，我们采用电流基准模块中产 生的正温度系数基准电流来实现恒流源。 3 2 2 1 2 实际电路 高精度透镜驱动器的设计 基于对电容充放电，实际电路中设定了两个比较电压，分别为1 8 v 和0 2 4 5 v ， 经过逻辑锁存电路来控制电容的充放电回路。电路中的充放电电流的大小相等。 实现了一种稳定的振荡器电路。电路图3 1 3 所示： 图3 1 3o s c 电路 电路中a 点为电容充放电时的电压，输出波形为三角波，最高点和最低点为 设置的两个比较点电压。b 点的输出波形为方波脉冲信号。 由电容的充放电可得：o = c vtt(3-4) o s c 的频率计算公式为：，一手一去 ( 3 - 5 ) 由电路的设计参数计算o s c 的频率为： ，=71=去一瓦瓦丽12u而一222c 凇( 3 - 6 ) - 皇一昌一_ 一 厶 i j d - 。 fy2 1 7 4 p ( 1 8 一o 2 4 5 ) 、 由于各种寄生的参数的影响，o s c 实际仿真 7 1 频率大约2 0 k h z ，如图3 1 4 ： 酉一飞o o f i 墨i “t + s i n 奈、 0 2 m 3 2 2 1 3 分频器( d i 【4 】 图3 1 4 0 s c 输出 第三章i c 主要模块的设计 电路中采用上升沿触发的d 触发器构成的7 次分频电路，d 触发器在上电的 过程中r e s e t ，在上升沿的情况下触发。因而，六个d 触发器串联实现一个七分 频电路。c l k o 和c l k l 为脉冲信号；d i v r 为r e s e t 信号；d i v 2 、d i v 3 、d i v 4 、 d i v 5 、d i v 6 、d i v 7 为输出脉冲信号。电路如图3 1 5 ： c 啪 a 二n d i v _ r c 甜d d 寸飞= 卜未爿d 皇丰t j 主刍d e 亨飞= r 妄刮d 酽q 图3 1 5d 电路 i c 在上电的过程中，产生了d i vr 信号，d i vr 信号由高变为低，将所有 的d 触发器r e s e t 。此时，d i v 2 、d i v 3 、d i v 4 、d w 5 、d i v 6 、d i v 7 的输出均 为低电平。当脉冲信号c l k 0 和c l k l 输入给d i v 电路时，出现上升沿的时候触 发d 触发器。使得。- 2 。、2 一钉淼o 、3 一既置o 、一1 6 毛鬈o 、 ，一3 2 。、。= 6 钉赢。、，- 1 2 8 z 赢。即：一共输出7 种不同频率的。 脉冲，分别为：2 0 k h z 、1 0 k i - i z 、5 k h z 、2 5 k h z 、1 2 5 屯、0 6 2 5 k h z 、0 3 1 2 5 k h z 。 3 3 数模转化模块 3 3 1 数模转化( d a c ) 基本原理【3 】1 4 1 t1 6 1 数模转化( d a c ) 的输入逻辑信号是由数字信号处理系统产生的并行二进制信 号组成。利用基准电压，将这些并行二进制信号转换成等价的模拟信号。这就是 数模转化( d a c ) 的基本工作原理。d a c 的结构多种多样，有简单的，也有复杂的。 每一中结构都有自己的优点。有的采用分压，有的采用电流引导或电荷比例，将 数字转化成模拟量。 数模转化( d a c ) 的特性分为静态特性和动态特性。数模转化( d a c ) 的精度等 于实际输入码字的位数，用n 位表示，n 为位数。其中每一个码字的模拟输出电 压用l s b 表示：l s b 的值定义为： 、7， l s b 一脚以 ( 3 - 7 ) 厶 码字每增加1 位，理想的d a c 的输出将增加1 l s b 。 因为数模转化( d a c ) i 拘精度是有限的，所以最大的模拟输出电压不等于咋韶。 这个特性用数模转化( d a c ) 的满刻度值( f s ) 来描述。满刻度值的定义为最大码字 ( 1 1 1 ) 和最小码字( o o o ) 对应的模拟输出量之差。一般而言，d a c 的满刻度值 可以表示为： f s = 一衄一0 一) ( 3 8 ) 高精度透镜驱动器的设计 同时：数模转化( d a c ) 还有几个基本的参数。第一个是量化噪声，量化噪声 是用在一个有限精度的转换器将将模拟值进行数字化的过程中所存在的固有不确 定性。量化噪声( 或误差) 等于无限位d a c 的模拟输出量减去有限位数模转化( d a c ) 的模拟输出量。数模转化( d a c ) 的动态范围( d r ) 等于f s r 和可分辨的最小值 ( 1 l s b ) 的比。可以将动态范围表示为： d r = 哗s b = f s r ( f s r 2 ) 一2 0 9 ) 数模转化( d a c ) 的信噪t l ( s n r ) 定义位满刻度值和量化噪声均方根值的比。量 化噪声( n n s ) 的均方根可以通过去量化噪声平均的均值的平方根得到。对于实际数 模转化( d a c ) ，量化噪声可以表示为： = 面l s bt 万f s 瓦r 2 ( 3 1 0 ) 暑_ = = 皇：= =i j l i j - 1 21 2 、7 即s n r 为：s n r 2 面v 河叫r m 面s f 殿r 1 2 ) 、 每一个码字都对应一个唯一的模拟输出量。任何偏离理想数模转化( d i a c ) 的 误差都被归类为静态转换误差。静态转换误差包括失调误差( o f f s e te r r o r ) 、增益误 差( g a i ne r r o r ) 、积分非线性( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ) 、微分非线性( d i f f e r e n t i a l n o n l i n e a r i t y ) 和单调性( m o n o t o n i e i t y ) 等。失调误差是指在任意一个垂直跨度上测量 的实际的有限精度特性和理想有限精度特性之间的固定差值。增益误差是在最右 边的垂直跨度上测量的实际有限精度特性和理想有限精度特性之间的差值。积分 非线性( i n l ) 误差是实际的有限精度特性和理想的有限特性在垂直方向上的最大 差值。积分非线性可以用满刻度范围的百分比或l s b 表示。积分非线性还可以细 分为以下几类：绝对、最佳直线和端点线性。微分非线性( d n l ) 是在垂直跨度上 测量的相邻电平的差的度量。微分非线性测量的是每一位相对于理想输出台阶的 偏移量，而不是在整个输出范围上的比较。数模转化( d a c ) 的单调性是指当转换 器的数字输入信号增加到超过其满量程范围时，模拟输出在一个转换台阶和下一 个转换台阶之间不会降低。也就是说，在一个单调转换器终，转换特性的斜率永 远不会为负值。 第三章i c 主要模块的设计 最基本的数模转化( d a c ) 电路如图3 1 6 ，电阻串 v r 广e f由2 n 个相同电阻和开关组成，模拟输出通过一组开 融关接到电阻串的各中间节点。这里需要一个n ： 2 n 引的解码器来产生2 n 各开关控制信号。 1 ；11 l 强a t这种转换器的问题是模拟输出总是连接着2 n 1 0 到各关断的开关和一个导通的开关。当数模转化( d a c ) 剖的分辨率较大时，输出节点会有很大的寄生电容，导 上 致较低的转换速度。电阻串数模转化( d a c ) 脏j - - 个 图3 1 6 简单电阻串d a c问题是面积与功耗之间的平衡。高分辨率时，由于需 要大量的无源器件，导致芯片面积较大。 电阻串的精度与电阻之间的匹配有关，并最终决定整个数模转化( d a c ) 的 i n l 和d n l 。假设第i 各电阻足有失配误差，即： r r + 觚 ( 3 - 1 2 ) 式中，尺为电阻的理想值，a r 为失配误差。假设电阻串的失配是对称的 则所有的失配项的总和为零，即： ( 3 1 3 ) k 删。了( i ) g r e p ，f 。0 ，1 2 ，2 一1 ( 3 1 4 ) 考虑失配误差后，第i 个电阻接头处的实际电压值为电阻i ( 包括电阻f ) 以下的 一娶，百著r + a r 5 ， 罗r 、 分母中不含失配误差，这是因为假设了失配总和为零( 计算实际数模转化 ( d a c ) 的i n l 、d n l 也是这样的) 。上式没有包括f 一0 的情况；it0 时，输出电压 为k 。v o 为地。上式改写为： k 一舞卜毫觇卜争+ 舞毫崛。 o 蝇 矿孓白 高精度透镜驱动器的设计 k 一+ 等塞等0 - 1 7 ) 由上式可以推导数模转化( d a c ) 的i n l 和d n l 特性： i n l 定义为实际输出电压和理想输出电压之差，即： i n l = k k 删0 1 8 ) n ( 3 - 1 4 ) n ( 3 - 1 7 ) , f - 认( 3 - 1 8 ) 得： i n l ；v r e f 塞a r k 。( 3 - 1 9 ) d n l 定义为数模转化( d a c ) 转换曲线的实际台阶高度减去理想台阶高度。根 据电阻串相邻电阻的分接头电压表达式，得： 畋叱1 | =