（微电子学与固体电子学专业论文）交流交流变换.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 对交流稳压电源实现方式进行分析对比，引入一种新颖的交流交流变 换系统，这种新颖的变换器开关电源使用元件少，成本低，体积小，重量 轻，效率高，纹波小，且可以升压降压，有着显著的优越性及发展前景。 对具体交流交流变换系统结构和各个模块功能进行介绍之后，使用具 体o 6 u mc m o s 工艺来构建实现各个功能模块，包括基准电压、运算放大 器、绝对值电路、带通滤波器、三角波发生器、减法器、比较器、p w m ， 并对实际系统进行仿真，为系统最终的芯片实现做好准备。文章还介绍了 主要开关器件功率m o s f e t 和i g b t ，并选取功率m o s f e t 作为开关器件 设计了驱动电路。 在系统构建实现之后，对实际系统中出现的两个问题进行了分析解决： 开关互补工作研究和设计，系统延时同步分析和处理。 最后综合了开关同时导通保护即过流保护和过热保护设计了保护电 路，并采用数字逻辑电路来对驱动信号进行控制，保证出现故障时开关1 关闭来保证电路工作的安全性。 关键词：交流交流变换脉宽调制功率m o s f e t 驱动电路 互补开关 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fa cv o l t a g e s t a b i l i z e dp o w e rs u p p l i e sh a v eb e e n d o n e , f o l l o w e db yt h ei n t r o d u c t i o no fan o v e la c a cc o n v e r s i o ns y s t e mw h i c h h a sp r o m i s i n ga d v a n t a g e so fl o w e rc o s t , l e s sc o m p o n e n t s ，l e s se u b a g e , l i g h t e r w e i g h t ，h i g h e re f f i c i e n c y , l e s sr i p p l e sa n dv o l t a g eu p d o w nt u n a b l e a f t e ri n t r o d u c i n gt h es y s t e ms t r u c t u r ea n df u n c t i o nb l o c k s ac o m m e r c i a lo 6 u m c m o sp r o c e s si su s e dt od e s i g nt h eb l o c k s ，i n c l u d i n gv o l t a g er e f e r e n c e ，o p a ， a b s o l u t ec i r c u i t ，b p f , t r i a n g l ew a v ev o l t a g eg e n e r a t o r , s u b t r a c t e r , c o m p a r a t o r , p w m ，t h e nt h ec o n v e r s i o ns y s t e mi sb u i l ta n ds i m u l a t e df o rt h ep u r p o s eo f s y s t e mo nc h i pi n t e g r a t i o n s w i t c hd e v i c e sl i k ep o w e rm o s f e ta n di g b ta r e a l s ob r i e f e da sw e l la st h e i rs e p a r a t ed r i v i n gc i r c u i t s ；a c t u a ld r i v i n gc i r c u i tf o r p o w e rm o s f e t i st h e np r o p o s e da n ds i m u l a t e d t w om a j o rp r o b l e m so ft h ea c t u a ls y s t e mh a v eb e e na n a l y z e da n ds o l v e dw h i c h a l et h ec o m p l e m e n t a r yo p e r a t i o no ft h et w os w i t c h e sa n dt h et i m ed e l a y d i f f e r e n c eo f t h et w os i g n a lp a t h s f i n a l l yp r o t e c t i o nc i r c u i t sa g a i n s to v e r - h e a tc a u s e db yi n s u f f i c i e n th e a tr e l e a s e a n do v e r - c u r r e n tc a u s e db yb o t hs w i t c h e sc o n d u c t i n gs i m u l t a n e o u s l yh a v eb e e n d e s i g n e da n dc o m b i n e dw i t hd r i v i n gs i g n a lb yal o g i c a lc i r c u i tt om a i n t a i n s a f e t yb ym a k i n gs n r es w i t c h1i so f f o n c ep r o t e c t i o nf u n c t i o ni sp r o v o k e d k e y w o r d s ：a c - a cc o n v e r s i o np w mp o w e r m o s f e td r i v i n g c i r c u i tc o m p l e m e n t a r ys w i t c h 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名扭导师签名： i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究意义和背景 随着科学技术的发展【l 】，对电源技术的要求越来越高，规格品种越来越多， 技术难度越来越大，涉及的学术领域也越来越广，现实中电网电压存在缺陷，表 现在振幅有波动波形有非正弦的失真，并且电压大多情况下低于2 2 0 v ，为了得 到高品质的电源【2 1 ，多采用交流稳压电源。a c a c 变换作为一种功率变换t 3 】，目 前在电力电子及理论电工的研究领域中都是一个研究热点，涵盖了电力电子、理 论电工及控制理论中的众多内容。 1 2 发展概括 电源广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施及日常生活的各个方面，与 国民经济的各个部门紧密相关。电源主要分为开关电源和线性电源【4 】。 1 2 1 线性电源 直流线性电源电路通常由变压器、桥堆和电容组成，变压器把2 2 0 v 交流电 压降到合适的电压，经过四个二极管组成的桥堆整流得到初步的直流电压，再经 过电容滤波和稳压电路，得到一个简单的线性电源；增加自动控制闭环电路可构 成精密线性电源。 线性电源的主要缺陷有：效率低、功率因数低、散热问题大以及很难在一个 通用的输入电压范围内工作。 1 2 2 开关电源 一般来说，凡是用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种 电源形式的主电路叫做开关变换电路，转变时采用自动控制闭环稳定输出并有各 种保护环节的开关变换电路称为开关电源( s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ) 。 与线性电源相比，除了纹波比精密线性电源略大外，转换效率高，性能可靠， 上海大学硕士学位论文 还能够大幅度缩小电源的体积、重量。 1 2 3 交流稳压电源 目前的交流稳压电源主要有： 1 磁饱和式 磁饱和稳压电源主要是利用铁磁线圈的磁饱和特性来达到稳压的目的，但又 正是由于铁磁线圈的磁饱和导致输出电压波形的失真，因此这种稳压电源用途不 是很广泛。 2 伺服电机拖动调压变压器式 伺服电机带动调压头进行调压的稳压电源是根据输出电压的高低来调整变 压器线圈上的调压头的位置，从而调整变压器的变比来调整输出电压。但是由于 调压头的动作是依靠一台伺服电机来拖动的，所以对电压的响应就比较慢。 3 继电器切换自耦变压器式 继电器切换稳压电源根据输出电源的高低变化，继电器动作，来切换相应的 接点来改变变压器的变比。这种稳压电源是依靠继电器的接点动作来调整输出电 压，其反应速度比较快，但是由于其接点的位置是固定且有限的，其输出电压有 跳变，不能实现无级调压。 上述几种稳压电源中都需要用到工频变压器，工频变压器中的低频铁心绕组 一来比较笨重，而且发热量大，同时其自身的铁损铜耗等也较大，变换的效率不 高，从而导致整个变换器效率的降低，还存在响应慢，有跳变，谐波多，输出波 形差等缺点。 4 晶闸管相控斩波 这种稳压电源也不需要工频变压器，但由于其斩波使输出波形不完整，波 形较差，频谱比较复杂，会对电网造成污染。 1 2 4 目前的a c - a c 变换过程 1 a c - d c a c 优点：直流电易于控制。 缺点：电路复杂，成本较高，在交流直流过程中滤波电容会使电流导通时 2 上海大学硕士学位论文 间变短使电路的功率因数下降。 2 a c ，a c 优点：电路的拓扑结构简化，电路元件数目就大大减少，成本降低，电路损 耗减少，转换效率相应提高。同时转换环节的减少，转换的精度也有所提高。 缺点：大多数是矩阵式变换，只能降压不能升压，而电网电压往往偏低，需 要进行升压。 3 本文设计的升降压a c a c 变换 不需要工频变压器，采用p w m 控制，实现从交流电到交流电的直接升、降 压转换，主电路设计简单，性能稳定，能够很好的稳定电压幅值，改善波形，同 时电路有很高的效率，功率因数也比较高。 因此，设计直接的交流交流电力电子功率变换电路成为一个新的研究领域 口】，省去中间的直流环节，从电路元件的数目上就大大减少，电路的拓扑结构也 就简化了，于是电路损耗也就大为减少，电路的转换效率也就相应提高。同时由 于转换环节的减少，转换的精度也有所提高，可以有效的简化电路和降低成本。 目前，国内外有关于直接的a c a c 变换的文献很少，而且大多数是矩阵式 a c a c 变换【6 7 i 【8 】这种电路有一个缺点，就是只能降压不能升压，或者使用多 相开判”，结构复杂。为了获得比较高的功率因数，需要采用充电泵技术和p f m 控制方式【l o 】。针对这些问题，我们设计了一种新颖的交流稳压电源，这种交流 稳压电源不需要工频变压器，采用p w m 控制，可以实现从交流电到交流电的直 接升、降压转换，而且电路设计简单，性能稳定，能够很好的稳定电压幅值，改 善波形，同时电路有很高的效率，功率因数也比较高。 1 3 研究内容 1 对系统的主要元件参数进行计算选取。 2 使用c m o s 工艺对系统中的各个模块进行构建设计仿真。 3 选取具体的开关工作器件和驱动方式，并对两路控制信号的时序进行调整， 优化两个开关的互补工况。 4 研究互补开关出现短暂同时导通或同时截止的危害，并提出相应的保护措 施。 上海大学硕士学位论文 5 出现过流、过热等异常时，由组合逻辑电路实现选定的开关处于常开，从 而保护主电路和用电设备的安全。 6 对系统的基本性能进行仿真验证。 4 上海大学硕士学位论文 2 1 系统结构 第二章系统结构 开关电源主电路拓扑结构主要有六种“1 ：b u c k 变换器，b o o s t 变换器， b u c k b o o s t 变换器，c u k 变换器，s e p i c 变换器和z e t a 变换器，每种结构都 有其各自的用途，适合于不同的设计要求。一种使用b u c k b o o s t 组合来实现 升压降压的a c a c 电路基本结构如图2 1 。 图2 1 使用b u c k - b o o s t 组合来实现升压降压的a c - a c 变换的原理图 系统功能：p w m 电路根据输出电压与基准电压的差值，调整互补开关的占 空比，从而实现升降压的闭环调整。l c 滤波器使输入电流趋向于光滑连续的正 弦波，消除电网负载跳变对电网的污染。输出端的滤波电容使输出电压趋向于光 滑连续的正弦波。 互补开关l 和2 ，指在任意时刻均处于导通或关闭二种相反状态，且循环翻 转。 目前使用的电子开关都是双极型晶体管或功率m o s f e t 或逐步普及的 5 上海大学硕士学位论文 i g b t 管( 绝缘栅双极型晶体管) 等。每一种开关元件都有对应的驱动电路及缓 冲保护环节。 电感是一个储能元件，它是电源和负载之间的主要能量传递者，能够保证负 载上获得所需的功率。为了有效的降低器件的重量和发热量，电路拓扑中电感可 以采用高频磁芯。 2 2 模块介绍 l c 滤波：主要是在互补开关1 关断的时候为电网电流提供无损通路，防止 互补开关1 的开和关对电网电压产生不稳定的影响。 r c 滤波：主要是在反馈通路中对相位进行补偿，防止闭环系统进入振荡。 绝对值电路：在对信号进行比较时，在负半周期减法器1 的输入正负端会交 换，因此使用绝对值电路来解决这个问题。主要用运算放大器搭建构成。 斜坡信号发生器：产生恒定频率的脉冲信号，其频率决定了主电路功率器件 的开关频率，为减小l 、c 元件体积，目前一般在几千赫，几十千赫以至更高， 但过高会使开关损耗上升以及效率下降。本设计根据市售多数m o s f e t 或i g b t 产品的上升、下降时自j 的典型值取为电网电压频率的1 0 0 0 倍即主电路功率器件 的开关频率为5 0 k h z 。对于开关电源而言，对振荡器频率稳定度的要求不高。 误差放大器( 减法器1 ) ：对取样电压与给定基准电压间的偏差信号进行处 理，由具有运算功能的直流放大器实现。 基准电压源：要求与输入电压有相同的相位，基准主要指的是正弦幅度的基 准，相位则必须与输入电压相同，并不是严格的5 0 h z 。 图2 1 中虚线方框内所示的从减法器1 一直到减法器2 后面的限幅放大器2 实现的是p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 脉宽调制功能。其后，按照具体的开 关元件和驱动方式可能需要独立的驱动电路。 一种实现脉宽调制的原理如图2 2 ： 6 上海大学硕士学位论文 图2 2p w m 脉宽调制的实现原理 图2 2 中的p w m 与图2 1 中的实现有些差别，图2 2 使用了比较器来生成 脉冲波形，图2 1 所采用的调制方法【“】【1 2 1 是使用了限幅放大器放大误差信号斜坡 信号( 三角波，锯齿波等) 来生成脉冲波形。图2 1 电路对输入电压波动、电压 突变、谐波干扰以及负载变化等不利情况有很好的抑制作用，稳压性能好，性能 可靠。整个电路有较高的功率因数和效率。但这是以两个互补开关的理想工作为 前提的，在实际的电路中会出现两个开关不满足完全互补的情况，即存在同时导 通和同时截止的瞬间。 2 3 系统特点 这种a c a c 变换器的特点： 1 这种新颖的变换器可以应用于交流稳压。 2 变换电路和脉冲控制电路都比较简单，采用的元器件少，不像其他的变换器那 样复杂，而且不需要工频变压器。 3 在这个电路中，使输出脉冲信号的占空比大于0 5 或小于o 5 ，就可以使变换器 成为降压式或升压式。而在半桥或全桥变换器中，受到占空比小于o 5 的限制， 7 上海大学硕士学位论文 不能成为升压式变换器。 4 在这种新颖的变换器中，当电网引入的干扰时间小于z 葫时，则它对输出电压 的影响可以小到被忽略的程度。因为在z 葫期间，由开关晶体管将引入干扰转 化为电感储能，与负载没有物理连接；在z ，期间，干扰与负载隔离。 总之，这种新颖的变换器开关电源使用元件少，成本低，体积小，重量轻， 效率高，纹波小，且可以升压降压，有着显著的优越性及发展前景。 上海大学硕士学位论文 3 1 系统设计 3 1 主电路 第三章系统及模块设计 我们设计的直接的交流交流稳压电源的主电路是在b u c k b o o s t 变换器的基 础上变形改变而来的。拓扑结构【1 1 如图3 1 1 。 3 1 2 工作原理 图3 1 1 直接的交流，交流变换器主电路拓扑图 主电路工作在两个状态，工作时的电路简化图可见图3 1 2 。 ( a ) 趾 l 2 ( b ) 图3 1 2 主电路工作时的电路简化图 假设一个周期为t 。 o - t 时，s l 合上，s 2 断开，主电路可以简化成如图3 1 2 ( a ) 所示的电路。 在输入端，输入电压给k 充电储存能量，在输出端，电容c 2 向负载供电，它的 9 上海大学硕士学位论文 就量是翮一个导通用删存储r 采明。为减少循坡器朐墒八损耗，设计时j 霆足明参 数使仿真中测出的l l 两端的工频电压，是非常接近的，即输入电压与通过滤波 环节的电压幅值相等。说明l c 环节对输入端电压大小影响比较小，所以l l 和 c i 上的工频分压在分析时可以忽略不计。计算电感k 上的电流增量虬：。， = f = 芝r d t _ t 时，s l 断开，s 2 合上，主电路可以简化成如图3 1 2 ( b ) 所示的电路。 输入端的电源不起作用。在输出端，电感k 向负载提供能量，同时对c 2 充电， 以保证下一个开关周期的进行。电感k 上的电流增量。， 虬n = j r 2 专c ， 2 ， 稳定时，两段时间k 上的电流变化量相等，即i 虬：。i = i t 。l 。 所以联立式3 - 1 和式3 - 2 ，有兰f = 乏( r - f ) ，简化后可以得到k 和圪之间的 关系： 圪= 去k ( 3 3 ) 若令口= 亍t ，则有 圪= 南k ( 3 - 4 ) 这里的0 就是开关s - 的占空比。可以看出，只要0 发生变化，输出电压的大 小也会跟着改变，f o 5 ，输出电压高于输入电压，即升压电路。 1 0 上海大学硕士学位论文 m 州m 喇r 1a 帅 g n i c o q v m l i ，7 二i m t c h v 2 r t m l0 洲i l 叫目i s 州w 榭 v ，v il 刖t o o 啪 r 2 - 1 0 0 m 0 t m i v 1 - 1 v v 2 - 10 v 肛t 0 0 0 m p a 崔m p 伽1 0 v盼器 = 图3 1 3 主电路图 主电路如图3 1 3 ，其中v 为开关模型，导通电阻为1 q ，关闭电阻为l o m q ， 开关周期为2 0 u s ，开关电压为1 v ，负载采用3 6 0 f 2 的电阻。开始时将占空比设 置为0 5 ，即高电平和低电平所占比例相同。 3 1 3 元件参数 电路元器件选取如下： 1 电路必须工作在电感电流连续的状态下，所以选取的电感k 的值必须满足公 式3 - 5 1 】 l 2 k ：石v o 一( 1 一d i m i n ) 2 弓 ( 3 5 ) 。2 k 一。4 ：输出电压，取2 2 0 v ： 五：开关周期，取2 0 “s ( 5 0 k h z ) ； d l 。：最小占空比，在这里不考虑升压或降压状态，取占空比为o 5 ； k ：最小输出电流，由于我们选取负载为3 6 。纯可得k = 老2 丽2 2 0 * o 6 1 1 4 ； 把上列的几个参数代入式3 - 5 ，有： k 2 老( t u 2 五2 罴o s 2 枷圳气脯 选择l 2 要大于如，但因为电感值越大，贝：je g 感附加的电阻也越大，为了减 巍纛 上海大学硕士学位论文 少电感附加电阻对电路的影响，我们在选择范围内尽量选择电感值比较小的电 感。根据计算值，最后选择1 m i - - i 的电感。 2 电容c 2 的值满足公式3 6 【1 1 c 2 ：堡垒一圣( 3 - 6 ) r a v o ：输出电压，取2 2 0 v ： 五：开关周期，取2 0 l i n ： d l 一：最大占空比，在这里不考虑升压或降压状态，取占空比为0 5 ； r ：负载电阻，取3 6 0 q ： ：输出电压的纹波电压，取小于1 v ； 把上列的几个参数代入式3 - 6 ，有： c 2 ：v o d i m t s ：2 2 0 x o 5 x 2 0 x l o - 6 ：6 1 1 “f r a v o 3 6 0 x 1 根据公式计算后，可以确定元件大小的大致的取值范围。使用软件中的参数 分析功能对电路进行仿真。从输出的波形图，可以直观地显示出各个元件对输出 电压的影响，见图3 1 4 。其中图3 1 4 ( a ) 是输入电压的波形。滤波电容c 2 是 用来消除输出电压的波形脉动，同时可以维持负载电流的连续。假如c 2 的值设 置太小，则无法滤去输出电压中的脉动，见图3 1 4 ( b ) 。在波形图中，输出电 压的纹波非常明显；假如c 2 的值设置太大，从波形图中可以看出，虽然纹波变 小了，但同时却使波形建立时间增大，起始段失真较大，见图3 1 4 ( c ) 。 电感k 作为一个储能元件，是电源和负载之间的主要能量传递者，是保持 负载上的电流连续状态的作用。假如k 设置太小，就无法保证整个电路工作在 电流连续的情况下；假如k 的值设置太大的话，就会导致输出电压波形与输入 电压波形的相位有较大的滞后偏差，见图3 1 4 ( d ) 。 上海大学硕士学位论文 _ g 雪 n 八 f f f f f 02 0 4 0 6 08 01 0 0 t i m e ，m s e c ( a ) 输入电压的波形 八 1 、 i o2 04 06 08 01 0 0 t i m e 。m s e c ( b ) c 2 较小( o 8 u f ) 时的输出电压波形 1 、 、 、 1 02 04 0 6 08 0l o o t i m e 。m s e c ( c ) c 2 较大( 2 0 u f ) 时的输出电压波形 上海大学硕士学位论文 雪 ，、，、，、 j， v vvvv o2 04 06 08 01 t i m e ，m s e c ( d ) l 2 较大( 3 0 m h ) 时的输出电压波形 图3 1 4 各个元件大小设置对输出电压的影响 最后确定了如图3 1 3 所标注的各个参数：l i = l m h ，c 1 = 2 u f ，l 2 = l m h ， c 2 可取略大于计算值6 1 l u f 的市售规范值，5 误差为6 2 u f ，1 0 误差为 6 8 u f ，本设计为降低成本，c 2 取1 0 误差的6 8 u f 。 此时，输出电压波形起始段失真较小，大小和输入电压相等( 占空比为0 5 ) ， 见图3 1 5 。 n - 妄 冀 篓 02 04 0 6 08 01 0 0 t i m e ，m s e c 图3 1 5 占空比为0 5 时主电路的输入和输出电压波形 假如改变占空比的大小，就能实现升压或降压。如图3 1 6 所示。 v i n 、厂，厂、n f v 、 v 、 v f v 、 f v aa、 、j j 磁v v 。 m 图3 1 6 占空比改变时的工作状态：左， 1 4 伽厂、厂厂、厂 一厂、 v v 1v 1 v 1 、八八 八八 。一 v v 一 v 一 02 0 4 06 0 柏1 0 0 t m r a x c 占空比为0 4 ；右，占空比为0 6 上海大学硕士学位论文 从仿真结果中可以得出，在理想状态下，占空比在o 4 o 6 范围内变化时可 以升压到3 0 0 v ，降压到1 5 0 v ，完全可以追踪电源电压3 0 的变化范围，可见这 种新颖的变换电路有比较大的调压范围。 3 2 基准电压 基准电压源的实现如图3 2 1 【1 3 】： 图3 2 1 与输入电网电压相位保持一致的交流基准电压产生电路 图3 2 ，1 中的r l 为限流电阻，d l 和d 2 是两个参数一致的6 v 基准稳压管， 型号为a p _ d i o _ l n 4 0 0 0 _ 1 9 9 3 0 6 0 1 。双向等幅限幅器将输入有效值为2 2 0 v 的工频 电网电压正负两个半周波形削波截取成正负两个半周对称的方波。对于滤波器的 选择基于以下考虑：低通滤波器的通带幅频、相频特性曲线均有斜坡，处在斜坡 上的电网5 0 h z 的频漂会产生幅度、相移变化，以至正弦基准电压幅度、相移均 漂移，输出的5 0 h z 波形因此不够标准。为了在通带获得高质量的平坦区域特性， 选择带通滤波器。可以串联两个中心频率有适当差值( 一个略高于5 0 h z ，另一 个略低于5 0 h z ) 滤波器来提高通带特性的平坦度，同时这也对两个滤波器的匹 配程度提出了比较高的要求。带通滤波器的中心角频率咖与电网的工频角频率 一致，只要使方波中的高次谐波衰减，则输出交流基准电压的波形趋近理想正弦 波。带通滤波器的具体设计见后面章节。 v 2 ，v o 处输出电压如图3 2 2 ，为了了解输出电压的频率特性，图中还给出 了v o 波形和v o 波形稳定之后( 1 0 0 m s 到2 0 0 m s ) 在r 1 ，1 0 0 0 h z 之间的频谱， 可以看到稳定输出波形5 0 h z 分量高于最大杂波分量( 4 1 h z ) 7 倍以上，同时可 以看到输出波形在3 个周期之后稳定下来。 上海大学硕士学位论文 f 4 7 。 j，j ， n x厂、厂、 fff i l7ijlf 77 l vvl v 黼m c t i m * n 博c 3 3 运算放大器 3 3 1 摘要 三 蓉 ； 也 誊 暑 差 t i m e 。m $ 1 l c 1f 上海大学硕士学位论文 3 3 2 介绍 在一种结构简单可以升降压的新颖交流交流变换电路【1 4 】中，需要使用由运 算放大器( o p a ) 构成的功能模块，如绝对值电路、带通滤波器、模拟减法器等。 运算放大器是模拟和混合信号系统的基本部件，包含电压放大器电流放大器【1 5 1 等。不同复杂度的o p a 分别用来实现直流偏置、高速放大或滤波等功能。本文 首先采用c m o s 工艺设计一个运算放大器，再根据理想o p a 的“虚短”和“虚 断”特性并经过调整用其构成绝对值电路和带通滤波器两种电路。 3 3 3 电路结构 一般c m o s o p a 常用两级放大器的基本结构，第一级为差分输入级，第二 级为输出裂1 6 1 。本文设计的o p a 具体电路见图3 3 1 。使用正负2 5 v 电源，负 载电容c l 为1 5 p f 。m 1 、m 2 、m 3 、m 4 、m 5 为第一级，电流镜m 5 与m 8 为第 一级提供尾电流。m 1 、m 2 为驱动管，有源电流镜负载m 3 、m 4 的高输出电阻 使该级产生高增益的单端输出，馈送到第二级。m 6 、m 7 为第二级，p m o sm 6 为驱动管，n m o sm 7 为负载，m 7 高输出电阻亦使该级高增益。m 8 、m 9 和 r b 组成偏置电路，由电流镜结构为m 5 和m 7 管提供偏置电压。电路主要零极 点分别为： ，-=_虹邋挚型,p2=-百gm6,p3=-嚣江=丽1,z29。6ci：c c ( 1 = 一志 ( ， 一f 3 j g k 6 一代” 代d “f c c 其中g m 3 、g m 6 分别为m 3 、m 6 的跨导，g d s 2 、g d s 4 、g d s 6 、g d s 7 分别为 m 2 、m 4 、m 6 、m 7 的沟道电导，c g s 3 为m 3 的栅源电容，r o u t 为输出电阻。 补偿电容c c 的密勒效应使第一级有效电容增加，从而第一极点移向复频面的原 点。同时，c c 和调零电阻r z 的负反馈降低了第二级的输出电阻，第二极点向远 离复频面原点的地方移动，最终实现相位补偿。r z 将零点从右半平面移到左半 平面的第二极点的位置，使得与输出负载电容有关的极点抵消，获得良好的稳定 性。 1 7 上海大学硕士学位论文 3 3 4 电路设计 图3 3 1o p a 的具体电路图 在确定电路结构之后根据设计流程研考察各种性能参数限制并综合考虑。 o p a 内各器件设计的参数见表3 1 。此o p a 主要性能指标表达式如下： 表3 1 各器件的参数 晶体管 w ，li dv d s v g sg m g d s ( u r n u r n )( a )( v )( v )( 州)( 州) m l m 21 0 0 ，l o2 5 1 l u 2 7 7 81 2 7 82 3 7 1 u2 9 2 3 n m 3 m 4 9 8 5 22 5 1 l u115 1 1 8 u1 5 l u m 52 0 65 0 2 2 u1 2 2 21 2 7 81 4 0 3 u3 3 3 u m 62 0 0 o 62 4 5 6 u3 4 2 41 2 7 9 5 m8 1 6 8 u m 78 0 62 4 5 6 u1 5 7 61 2 7 8 6 3 5 3 u1 3 6 4 u m 8 m 92 o 6 5 0 4 1 u1 2 7 81 2 7 81 4 0 6 u3 3 4 3 u r b r z c cc l 4 8 5 k q1 7 k q 4 p f 1 5 p f r 摆率：s r2 苦，1 5 为m 5 的尾电流； 上海大学硕士学位论文 增益：a v l = 一曼立土一，4 ，2 = 一墨卫一，a ，= a v l a v 2 ； g a n + g “3g a l 6 + gd l ， 单位增益带宽：g b = 鲁亨。 1 一 署阍 一 日，a 钾 一 2 e 一 一甜 2 鲥 pa 棚 一2 鲫 e a 2 0 3 ，o 2 a 1 a ) a a 一，詹 - 2 日 一矗a 8 毋 6 0 一 号柏 一 2 0 n 0 登i二二 1 ” ( h z l 严 ”“” 三 ：l 三 。- 1 1 。5 已 f r 朗( h z ) 5 凰1 舢1 5 u 鲫占旦翌二_ + 一 负电源 翩lm 蚍 三蝴l 加1：= 图3 3 2 主要性能参数的仿真结果 1 9 上海大学硕士学位论文 表3 2 电路主要性能参数要求和仿真结果 参数设计目标仿真结果 直流增益6 0 d b7 1 7 d b 相位裕度6 0 。 6 7 0 摆率 1 0 1 2 3 v u s 输出电阻|1 0 k q 共模输入范围正 2 v 2 4 v 负1 v2 2 v 输出范围 正2 v2 4 7 v 负 一2 v 2 3 9 v 功耗 0 ，v o l o 时等效电路 2 l 丝勉 一肿胁一彤 蒌一斛mm 上海大学硕士学位论文 ( c ) v m 0 时等效电路；( c ) v m o ，0 一 一2 a 2 o ，、 0 0 一 一2 a t i m e ( 8 ) ( a ) 0 00 20 40 60 81 0 f r e q ，k h z o 0 20 4o 0 8 o f r o q k h z 图3 3 4 ( a ) 绝对值电路功能模块输入、输出信号；( b ) 理想正弦波绝对值频谱；( c ) 电路 输出正弦波绝对值频谱 电路见图3 3 3 ( a ) ，仿真结果见图3 3 4 ( a ) 。在该交流交流变换中，输出 电压和基准电压均由绝对值电路转换后再进行比较，比较结果输出到p w m 电 路。输出电压和基准电压的频率为5 0 h z ，由于o p a 的电源电压为正负2 5 v ，绝 对值电路输入电压幅值应限制在1 9 v 以内，否则波形顶端会出现失真。从仿真 一80l_ocsq一si 上海大学硕士学位论文 结果中可以看到，每个半波仍为无畸变的正弦波。通过频谱分析可知，输出信号 频谱在0 h z 、1 0 0 h z 、2 0 0 h z 、3 0 0 h z 等主要频率分量与理想绝对值信号十分吻 合。 3 5 带通滤波器 3 5 10 值对交流基准电压的影响 带通滤波器是一种频率选择装置，它允许规定的一段频率信号通过，此频段 称为通带，而将比此频段下限频率低和上限频率高的信号加以抑制和衰减，称为 阻带。带通滤波器通带的宽度叫做频宽，以符号b 表示，频宽中点所在的角频 率叫中心角频率，用t 0 0 表示。带通滤波器的品质因数为q ，且q = 鲁。不难看 a 出，当c o o 一定时，频宽b 愈窄，品质因数q 愈高，表示带通滤波器的选择性愈 好【1 8 】。 方波输入带通滤波器时，q 值越高，输出的交流基准电压内高次谐波分量越 少，越接近理想正弦波。在本方法的实际情况中q 值主要受限于两个因素：其 一是工频电网的频率在5 0 h z 上下有随机的变动；其二是滤波器电路内电阻电容 元件参数的温度系数，导致中心角频率o 随温度而漂移。这两个因素产生的频 漂使中心角频率( o o 与工频电网的角频率“错位”，使输出的交流基准电压幅值变 动，图3 5 1 为二阶带通滤波器幅频特性，可以从q 值对带通滤波器的频响曲线 形状影响上看出，对于一定量的频漂，q 值越高，频漂产生的增益变化越大，交 流基准电压幅值的变化也越大。 2 0 k - o m 图3 5 1 二阶带通滤波器幅频特性 因此，在实际情况中不可以盲目追求带通滤波器的高q 值，应兼顾交流基 准电压的两个主要技术指标：波形非线性失真度和幅值稳定度。可根据交流基准 上海大学硕士学位论文 电压允许的非线性失真度丫，从q 与t 关系中定出q 值，然后验算频漂产生的交 流基准电压幅值变化量6 是否超过允许误差。 3 5 20 与7 的关系 这里以最基本的二阶有源带通滤波器为例，推导出带通滤波器q 值与输出 交流基准电压的非线性失真度1 ，的关系。 二阶有源带通滤波器的幅频特性即对角频率的任意次谐波的增益a ( ) 可用下式表示f 1 9 1 ： 爿( m ) = ( 3 - 9 ) 式中，c o o 为带通滤波器的中心角频率， = 吉佶c 去+ 匆 协 可分别为各次谐波的角频率；q 为带通滤波器的品质因数；a ( ) 为c o = o 。o 时的增益。 从电网电压正弦波上削波截取出的方波是奇函数。以傅立叶级数展开后不含 偶数项。如下式示： 巾) = 警卜t 弓s i n 3 0 ) t + 1 s m s ) ( 3 - 1 1 ) 式中u 为方波的幅值，选用6 v 的基准稳压管削波截取出的方波幅值约为 6 7 v 。将方波各次谐波幅值分别乘以q 值为2 ，3 ，4 ，5 ，1 0 0 的a ( ) ， 计算出相应q 值时滤波器输出交流基准电压中各奇次谐波的幅值u l ，u 3 ，u 5 ， u 2 。i ，然后据适用于此种情况下的非线性失真度表达式： ，= ( 3 1 2 ) 计算出带通滤波器q 值与其输出交流基准电压的非线性失真度y 的关系， 如图3 5 2 所示，其中( a ) 为品质因数q 和非线性失真度1 ，的关系表，( b ) 为品 上海大学硕士学位论文 质因数q 和非线性失真度丫的关系曲线。 q 了 q 7 234 5 678 6 5 94 4 3 3 3 82 6 72 2 3 1 9 11 8 7 91 01 52 05 01 0 0 1 4 91 3 40 8 9 2 0 6 6 90 2 6 80 1 3 4 3 5 3 频漂的影响 ( a ) 品质因数q 和非线性失真度y 的关系表 ( b ) 品质因数q 和非线性失真度y 的关系曲线 图3 5 2 品质因数q 和非线性失真度t 的关系 两个参数产生由温度变化而引起的相对增量分别为r r 及c c ，由此造成带 通滤波器中心角频率漂移至反。根据式3 - 1 0 可得出阻容元件参数温度系数造 成中心角频率漂移的相对增量以为： 等= 掣。罔1 陌一1 ( 3 - 1 3 ) 1 1 些1 1 1 些l 若电阻元件选用r j 7 型精密金属膜电阻器，温度系数为+ 5 0 x l o 6 c 【冽，电 一2 0 0 x l o 。c 刚。温度变化2 0 。c 时相应的剐r = i x l o _ 3 ，a c c = 4 x 1 0 4 。按 式( 3 - 1 3 ) 计算出绝对值最大的威o , o * 5 0 2 x 1 0 。3 。我国工频电网角频率随机 上海大学硕士学位论文 的相对漂移量为玩= + l x l 0 4 。综合上述因素，产生的频漂最大相对增量 q | 1 = 1 | 1 斗威| ，= 6 0 2 x l o - 3 。 根据式3 - 9 可计算出滤波器增益的相对变化量，即由频漂产生基准电压幅度 的相对变化量为 占= l + 岭+ # - 1 ( 3 1 4 ) 将实例中q = i o ，2 6 0 2 1 0 4 代人式3 1 4 ，得到其基准电压幅度因 频漂产生的幅度变化量艿= 7 1 3 xl o _ 3 。验算结果表明频漂产生的幅度变化量满足 1 o 的要求。 3 5 4 带通滤波器设计 我们设计的交流稳压电源的交流基准电压要求非线性失真度y 1 5 ，频漂 造成的幅度变化量艿 3 8 比较器 3 8 1 简述 图3 7 i 减法器电路图 图3 7 2 减法器仿真结果图 比较器广泛应用于模拟信号到数字信号的转换过程中。比较器用来比较一个 模拟信号和另一个模拟信号或者参考信号，并且输出比较得出的二进制信号。输 出的二进制信号理想情况下只能取两个给定值中的一个，现实中在两个二进制状 态之间存在过渡区间，所以要求比较器能够快速地通过过渡区间。 3 8 2 性能参数 1 静态特性：咋 v m ，输出v o 增益： v ， 0 0 一 一日 1 一 ，a ，脚 一 一 a a “ v d n 广_ 、n 厂 、 一o m 一1 a m v i n m 。m7 跏 埘 枷 上海大学硕士学位论文 3 0 v o u t 2 0 u l r p 三- 5 0e 3 王班 三点性b 翌 哥器黑主晶飘广1 蘸臻磊f 一 表3