（物理电子学专业论文）六通道dvdvcd驱动芯片设计.pdf

摘要 随着d v d v c d 的广泛发展，电源管理类芯片显示出在电子产品中的重要地位。高 效、低成本和低噪声已经称为了便携式设备中电源管理芯片的发展方向。在d v d v c d 产品中，驱动系统是最为关键的部分，因此，驱动芯片也备受关注。 本文基于2 邙i c m o s 工艺，利用c a d e n c ee d a 设计工具，设计了一款六通道的 d v d v c d 驱动芯片。该芯片具有六个驱动通道，能够驱动直流电机、步进电机和三相 交流电机。满足d v d v c d 的驱动所需信号。其输入电压5 1 2 v ，工作频率是1 0 0 k h z ， 工作温度为3 5 8 5 0 c ，功耗小于2 6 w 。内部集成了欠压保护和温度保护，此外内部的 启动电路可以限制起动时的涌浪电流。同时，内部集成了过流保护电路，防止电流过大 烧毁芯片。由于直流电机驱动要求精度不高，所以采用的是电路是开环控制方式。由于 步进电机和三相交流电机驱动要求精度较高，所以采用的是闭环p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 控制方式。 首先介绍了芯片的整体的结构，给出了各模块之间的关系，在完成电路原理分析和 电路设计的基础之上，还应用了e d a 软件h s p i c e 对各个模块电路进行了仿真。给出了 各个模块电路的仿真结果和整体电路的仿真结果。 其次，利用c a d e n c e 下版图设计工具v i r t u o s o 和验证工具d r a c u l a 进行了整体电路 的版图设计和验证。版图面积为5 9 2 0 p n 6 1 0 0 p r n 。 再次，利用探针台、曲线追踪仪、高低温试验箱等测试仪器对晶圆和成品测试，测 试结果表明，在电源电压低于9 v 时，各项指标基本满足设计要求，在电源电压高于9 v 时，步进电机和三相电机输出部分电流过大。 最后，针对测试存在的问题，对比了仿真数据和测试数据，并且进行了p c m ( p r o c e s s c o n t r o lm o n i t o r ) 钡j j 试来分析，给出了解决对策，准备m p w ( m u l t i - p r o j e c tw a f e r ) 流片。 关键词：六通道；d v d v c d 驱动；b i c m o s ；测试 大连理工大学硕士学位论文 t h ed e s i g no fs i xc h a n n e l sd v d v c dd r i v e r a b s t r a c t p o w e rm a n a g e m e n ti cb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n td u et op o p u l a r i z a t i o no f d v d v c d ，h i g he f f i c i e n c y ，l o wc o s ta n dl o wn o i s ea r eb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f d cd cr e g u l a t i o n s i nt h ed v d 厂v c di n d u s t r y ，t h ed r i v e rs y s t e mp l a y sak e yr o l e s ot h e d e r i v e ri cb e c o m e sm o r ea t t r a c t i v e as i xc h a n n e l sd v d v c dd r i v e ri sd e s i g n e di n t h i sp a p e r ，w h i c hb a s e do n2 岬l b i c m o sp r o c e s sa n dc a d e n c ee d ad e s i g nt o o l s t h ec h i ph a ss i xc h a n n e l s ，i tc a nd r i v e r a c t u a t o rm o t o r s l e dm o t o ra n d3p h a s e sm o t o rd r i v e r t h ec h i pc a nm e e td v d v c dr e q u i r e d s i g n a l s t h ei n p u tv o l t a g er a n gi s 5 vt o12 v ，f r e q u e n c yi s1o o k h z ，t e m p e r a t u r er a n gi s 3 5 oc t o8 5 o c a n dt h ep o w e ri sl e s st h a n2 6 w t h ec h i pi m p l e m e n t sat h e r m a ls h u t d o w n m e c h a n i s mw h e nt h ei n p u tv o l t a g ei st o ol o w ，at i g h t l yc o n t r o l l e ds o f ts t a r tf e a t u r el i m i t s i n r u s hc u r r e n t sd u r i n gt h ec h i pa c t i v a t i o n a tt h es a m et i m e ，o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o nc a n p r o t e c tf r o mb u r n i n go fl a r g ec u r r e n t a st h ea c t u a t o rm o t o r d e m a n d sn o tt o oh i g ha c c u r a c y ， s ot h eo p e n 1 0 0 pc o n t r o li su s e d a st h ea c t u a t o rm o t o rd e m a n d st o oh i g ha c c u r a c y ，s ot h e c l o s e 1 0 0 pp w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n 、c o n t r o l i su s e d f i r s t l y ，t h es y s t e md e s i g na n di t sb l o c kd i a g r a mi si n t r o d u c e d ，g i v et h er e l a t i o ns h i po f b l o c k s ，s i m u l a t et h es u b c i r c u i t sb ye d ah s p i c eb a s e d o nc i r c u i ta n a l y s i sa n dd e s i g n ，g i v ea l l c i r c u i t ss i m u l a t i o nr e s u l t s e c o n d l y ，t h ec h i pl a y o u ti sd e s i g n e db yc a d e n c ev i r t u o s oa n dd r a c u l a ，t h ea r e ao f l a y o u ti s5 9 2 0 p m 6 10 0 g n t h i r d l y w a f b ra n dp r o d u c ta r et e s t e db yp r o b ep l a t f o r m 、t r a c kc u r v e 、h i g h - t e m p e r a t u r e t e s tc h a m b e ra n do t h e re q u i p m e n t ，t h er e s u l ts h o wt h a ta l lp a r a m e t e r sa r eg o o dw h e np o w e r s u p p l yi su n d e r9 v ，o u t p u tc u r r e n to fs l e dm o t o r a n d3p h a s e sm o t o rd r i v e ri st o ol a r g ew h e n p o w e rs u p p l yi sb e y o n d 9 v f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o t e s tr e s u l t ，c o m p a r i n gs i m u l a t i o nd a t aw i t ht e s td a t a ，g i v e t h e s o l u t i o nt h r o u g hp c m ( p r o c e s sc o n t r o lm o n i t o r ) t e s tf o rt h em p w ( m u l t i - p r o j e c tw a f e r ) t a p e k e yw o r d s ：s i xc h a n n e l s ；d v d v c dd r i v e r ；b i c m o sp r o c e s s ；t e s t i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：盍运) 篷丑篁) 2 2 丘 匕丕睦返丝】宣通h 一 懈摊：? 平- 嘴：迥年二月坦日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：盘匿丝望业厶乙1 鲤丛乏毯z 董型 作者签名： 副幺竺日期：必码年厶月组日 别醛旮4 瞬 嗍：碑年- l 月么日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1研究背景及其意义 功率电子学是- - f - j 由微电子学、电机学、计算机学、控制理论等多种学科衍生出来 的- i - 交叉性边缘学科，功率电子技术是用功率半导体器件对电流进行变换、控制和开 关的技术。发达国家目前电能的绝大部分都是经历过功率电子变换技术进行变换或控制 后才投入使用的，同时，功率电子技术已经从民用扩展到航空航天及军事领域，称为国 民经济中的重要高科技产业和改造传统产业的新兴技术l l 】。 社会进步和技术发展不断对功率技术电子技术提出新的要求。6 0 年代功率电子技术 以晶闸管为主要器件，其特点是高功率和长寿命，7 0 年代进入逆变器时代，并将节能放 在首位。到了8 0 年代，功率器件开关频率的提高，使功率电子技术得到了飞速的发展， 概括起来是自关断化，高频化。8 0 年代后期，功率电子技术不只停留在开关技术上，为 了适应小型，低成本和市场竞争的需要，功率电子向智能化发展，其应用已经扩展到从 家用电器到航天航空的一切经济和生活领域，成为国民经济中的重要高科技产业和改造 传统产业的薪兴技术。9 0 年代是高频功率电子技术时代，而2 0 0 0 年后迎来了只能功率 电子技术时代【z j 。 功率集成电路是功率半导体技术与微电子技术相结合的产物，是为了适应功率电子 装置小型、轻量、简化设计和提高可靠性等要求而发展起来的。1 9 8 1 年美国研制出第一 个功率集成电路，并于1 9 8 5 年进入了功率半导体市场，应用与电压调整器及音频放大 器领域p l 。目前功率集成电路已经得到了广泛的应用。军用航天方面，主要用于要工作 于各类严酷环境的各二芝电源、通信器材、使用于各类车辆、载具、飞行器的电力供应， 伺服系统、航空用系统，卫星用高效能高可靠性电力系统；工业自动化方面，主要用于 各类伺服系统的控制与驱动，伺服电机和电磁阀的驱动控制，机器人、自动化系统、机 具、生产线的驱动与控制；通讯方面，主要用于各类电源( a c d c ，d c - a c ) 、电话、 传真机、答录机、交换机、移动电话适配器、充电器；电脑方面，主要用于主机电源接 口用电压转换、磁盘驱动器、电机驱动及控制磁头定位驱动、打印机送纸及印子驱动控 制、市电适配器、充电器、l c d 驱动、背光照明驱动、只能型电力管理；汽车电子方面， 主要用于电压调整器、电子点火、燃油喷射系统驱动、风扇驱动、电动窗、中控锁、电 动后视镜、主动式悬吊系统、防锁死系统的驱动和控制；消费电子方面，主要用于高效 节能照明器材、电子镇流器、视听器材电源、携带型设备的附件：适配器、充电器【4 1 。 六通道d v d n c d 驱动芯片设计 自v c d 面市后，更为先进的d v d 技术已进入实用性技术开发阶段。从1 9 9 5 年底 以东芝和飞利浦为首的两大集团统一了d v d 的格式后，许多公司纷纷宣布d v d 即将 投放市场。d v d 数字视盘采用了m p e g 2 压缩技术，具有高质量的图像和声音，在多媒 体和娱乐领域有广阔的应用前景，是当今数字技术焦点，在技术方面，d v d 的软、硬 件技术均已基本成熟。在硬件方面，m p e g 2 解码i c 及a d 3 解码i c 已有厂家供货， 可兼容c d 唱片的双聚焦激光头也有少数厂家能生产，机器的生产技术已成熟。软件方 面，d v d 预制母盘设备、母盘刻录设备及盘片复制有厂家供货，具备了大批量生产的 条件。由于d v d 的性能特点，未来市场潜力巨大。然而，主要为发行电影用而开发的 d v d ，在格式上得到统一后，却在版权保护和地区分割等问题上出现僵局。美国好莱坞 的软件商们要求把d v d 的规格除了加密保护版权外，还要按世界的地区分成8 种，以 便他们可以分阶段地发行其影片。这使有关硬件厂商难以接受，因为d v d 技术的成功 就在于全球统一的格式和d v d r a m ( 可录d v d ) ，此外，在硬件方面，m p e g 2 解码 i c 的供应商已经不少，但能供应商品机芯的厂商却不多，这方面的技术优势基本上掌握 在日本厂商手里，据日本以往的做法，作为这项新产品的关键部件，他们在头几年内是 不愿转让的p j 。 我国d v d 市场的起动同国际市场的发展基本上是同步的。但在技术水平、产品档 次等方面同国外存在着一定差距，目前对我国d v d 产品起制约作用的，首先是使用国 外专利的问题，由于我们d v d 企业，特别是具有出口能力的企业，所生产的产品不同 程度使用国外公司的专利或诀窍，需支付相应的专利使用费。从长远看，占领和扩大 d v d v c d 出口市场，必须依靠不断积累和开发新技术，增加新品种，提高附加值以保 持出1 ：3 后劲 6 1 。 由于d v d v c d 很多技术在电机选择上，所以介绍d v d v c d 常用的电机特点。 直流电动机工作原理及特点： 直流电动机具有调速性能好、起动转矩大等一系列优点，在近代工艺中发挥了巨大 作用，被广泛应用于地铁列车、电气牵引机车、轧钢机及起重设备等装置中。 下面介绍下直流电动机的工作原理：以两极的为例，电动机有一对固定的磁极n 和 s ，在磁极之间安放着一个可以绕轴转动的铁质圆柱体，称为铁心；铁一t l , 上固定着的线 圈称为绕组：通常把这个绕有线圈的圆柱体称为电枢。电枢绕组两端分别与两个互相绝 缘的弧形铜片相连，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。换向器上压有一 对固定不动的弹性电刷a 和b 。电机工作时，电枢和换向器绕轴转动，而电刷则固定不 动阴。 大连理工大学硕士学位论文 将直流电源加在电刷之间，线圈中就会有电流流过，根据左手定则可知，这一对电 磁力形成使电枢逆时针转动的电磁转矩。电刷和换向器不仅把转动的电枢与外部固定的 电源连接在一起，而且实现了电枢绕组电流的换向，从而实现方向不变的电磁转矩，使 电动机连续转动，将输入的直流电能变换为机械能输出【g 】。 步进电动机工作原理及特点： 步进电动机是一种由电脉冲控制的特殊同步电动机，其作用是将脉冲电信号变换为 相应的角位移或线位移。因此，步进电动机又称为脉冲电动机。步进电动机可以实现信 号变换，是自动控制系统和数字控制系统中广泛应用的执行元件。如在数控机床、打印 机、绘图仪、机器人控制、石英钟等场合都有应用。 步进电动机的角位移或线位移与脉冲数成正比，其转速n 或线速度v 与脉冲频率f 成正比。在负载能力范围内，这些关系不因电源电压、负载大小以及环境条件的波动而 变化。因而适用于在开环系统中做执行元件，使控制系统大为简化。步进电机可以在很 宽的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速起动、反转和制动。它能直接将数字脉 冲信号转换为角位移，很适合采用微型计算机控制【9 】。 步进电机的工作特点 ( 1 ) 位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单且具 有定精度的开环控制系统，也可以在需要更高精度时组成闭环控制系统。 ( 2 ) 易于起动、停止、正反转及变速，快速影响性好。 ( 3 ) 速度可以在相当宽的范围内平滑调节。可以用一台控制器控制几台步进电动机 同步进行。 ( 4 ) 具有自锁能力。当控制脉冲停止输入且让最后一个脉冲控制的绕组继续通电时， 电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个控制脉冲所控制的角位移的终点位置 上。所以步进电动机具有带电自锁能力。 ( 5 ) 步距角选择范围大，可在几十角分至1 8 0 度范围内选择。在小步距情况下，通 常可以在超低速下高转矩稳定运行，可以不经减速器直接驱动负载。 ( 6 ) 步进电动机按应用可分为伺服式和功率式。功率步进电动机可以不通过力矩放 大装置直接带动机床等负载运动，简化了传动系统的结构，并具有一定的精度。 ( 7 ) 电机本体没有电刷、转子上没有绕组，也不需要位置传感器，可靠性高。 ( 8 ) 步进电动机需要与控制器配合使用，不能直接使用普通的交直流电源。 ( 9 ) 步进电动机带惯性负载的能力差。 ( 1 0 ) 存在失步、共振等现象，在使用中要根据负载和运行条件合理选用步进电动机 及其控制器【i o 】。 六通道d v d n c d 驱动芯片设计 三相交流电动机的原理及特点： 交流旋转电动机主要分为同步电机( s y n c h r o n o u sm a c h i n e ) 和异步电机( a s y n c h r o n o u s m a c h i n e ) 两类。虽然它们的励磁方式和运行特性有很大的差别，但电机发生的电磁现 象和机电能量转换的原理基本上是一致的，存在着许多共性的问题。 同步电机主要用做发电机，功能也生产和日常生活中所用的交流电能，几乎全是由 同步发电机产生的；同步电机也可以作为电动机使用，用来拖动生产机械，尤其应用在 不要求调速的大功率生产机械中。异步电机也称为感应电机( i n d u c t i o nm o t o r s ) ，是现 代应用最为广泛的一种交流电机。因其结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便，在 交流电动机领域取得绝对的优势，其缺点是运行中必须从电网吸收感性为功功率以建立 磁场，使电网的功率因数降低。 异步一词是指电机旋转速度有异于气隙旋转磁场速度。实际上现代常用的异步电机 是指定子、转子之间按磁电感应原理来传递能量的感应电机。此类电机多数为三相结构， 但也可以为单相。三相异步电动机广泛地应用在各种工业生产中，单相电动机则主要应 用于家用电器中。 由于驱动芯片驱动的是三相异步电机，所以主要介绍异步电机的工作原理。三相异 步电动机主要有定子和转子两部分组成：静止部分称为定子；转动部分称为转子。当定 子三相对称绕组加上对称的三相交流电压后，定子三相绕组中便有对称点三相电流流 过，它们共同形成定子旋转磁场。假设定子旋转磁场以n 1 转速沿逆时针方向旋转，则 磁力线将切割转子导体而感应出电动势。在该电动势作用下，转子导体内便有电流通过， 电流的有功分量与电动势同相位。转子导体电流的有功分量与旋转磁场相互作用，使转 子导体受到电磁力的作用。在该电磁力作用下，电动机转子就转动起来，其转向与旋转 磁场的方向相同。这时，如果在电机轴上加载机械负载，电动机便拖动负载运转，输出 机械功率。 异步电动机带动负载运行时，其转速不可能达到定子旋转磁场的转速。因为如果转 子的转速达到旋转磁场的转速，则转子导体与旋转磁场之间没有相对运动，因而转子导 体中不能感应出电动势和电流，也就不能产生推动转子旋转的电磁力。也就是说，异步 电动机在负载运转时的转速总是低于磁场转速的，两种转速之间总存在差异，故称为异 步电动机【4 1 。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 2d v d v c d 驱动芯片研究现状 d v d v c d 驱动需要聚焦伺服系统，循迹伺服系统、进给伺服系统，主轴伺服系统 和步进电机伺服系统。聚焦伺服系统主要作用是垂直移动物镜，使激光束在盘片上保持 良好的聚焦。循迹伺服系统主要作用是横向移动物镜，使激光束环绕盘片表面循迹。进 给伺服系统主要作用是当物镜的操作开始达到极限时，分级驱动光学装置，进给伺服系 统与循迹伺服系统共同实现激光束跟踪扫描盘片的数据轨迹。步进电机伺服系统作用 是径向移动激光头的位置来实现光盘内外圈数据的读取。传统的光头传动结构是齿轮式 ( 塑料材质) 的容易损坏，步进电机驱动的是铜合金蜗杆驱动光头。精度高，不易损坏。 主轴伺服系统的作用是一定的速度旋转盘片，激光头在读取信息时，保持激光读取数据 的速度相同。其中，聚焦伺服是d v d 伺服系统中重要的一部分，整个d v d 系统正确 运行的基础。聚焦动作失误，轻则导致信号读取的错误率增加，重则会使系统停止运行。 伺服系统是各种d v d 读写设备的关键部分。d v d 碟片在从生产到播放的各个环节 中，难免要引入各种误差。在播放过程中，伺服系统根据上述误差，及时调整光头拾取 器( o p t i c a lp i c k u pu n i t ) 的状态，正确读写d v d 碟片所存储的信息。d v d 单碟信息容 量为4 7 g b 1 7 1 g b ，远大于c d v c d 的单碟容量，因而d v d 伺服系统的控制精度要 求比c d v c d 更高，如何改进d v d 伺服系统，使之达到更高的控制精度，已经成为一 个重要的研究课题1 5 j 。 目前，多数d v d v c d 驱动芯片是四通道的。只能满足聚焦、循迹、进给、主轴等 电机的驱动工作。对于目前实现步进电机的d v d v c d 来说，驱动芯片集成的通道是不 能满足的【6 】。在机械结构方面，步进电机及其铜合金蜗杆的控制方式的技术，目前掌握 在少数厂家手里【7 】。在电路方面，步进电机的工作特点是斩波横流，驱动电路通常采用 h 桥结构，精度要求高【8 】。在版图方面，由于步进电机驱动通道的输出管工作电流大， 承受的电压高，所以版图布局要求较高。在工艺方面，低电压比高电压下的b i c m o s 容易实现。这些原因制约了驱动芯片的发展p j 。 1 3 本文所做工作 本课题来源于与大连连顺电子有限公司的合作项目。本文的主要工作是设计了一款 六通道d v d v c d 驱动芯片。应用于d v d v c d 驱动器中。设计平台是l i n u x 系统的 c a d e n c e 平台和w i n d o w s 系统的h s p i c e 软件。采用的是丹东丹顺电子有限公司的2 p m b i c m o s 工艺。芯片设计指标如表1 1 。本文的主要工作是电路设计、版图设计、晶圆 测试和成品测试。具体的工作如下： ( 】) 为了实现驱动功能，电路设计了六个通道，其中有3 个直流电机驱动通道、2 六通道d v d n c d 驱动芯片设计 表1 1 电学特性参数表 t a b 1 1e l e c t r i c a ic h a r a c t e r i s t i c s 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 续表1 1 电学特性参数表 t a b 1 1c o n t i n u ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 个步进电机驱动通道和一个三相电机驱动通道，步进电机驱动通道和三相电机驱动通道 设计成了p w m 的闭环负反馈回路。同时，设计了1 2 5 v 的电压基准电路，1 0 0 k 的振荡 器电路、温度保护电路、欠压保护电路和过流保护电路。在控制逻辑部分用采用的是c m o s 电路实现，这些模拟电路采用的是b i p o l a r 电路实现。 ( 2 ) 版图利用c a d e n c ev i r t u o s o 设计，并采用c a d e n c ed r a c u l a 进行版图的验证。在 版图设计中，在基准电路中，加入了电阻修条，在振荡器的设计中，加入了偏置电流的 预留器件。 ( 3 ) 在测试中，分别进行了晶圆测试和成品测试，测试结果表明：v c c 小于9 v 的 时候，芯片工作正常。v c c 大于9 v 的时候在步进电机驱动输出部分和三相电机输出部 分的输出管击穿。 ( 4 ) 针对测试存在的问题，修改了版图，为下次流片做了准备。 六通道d v d n c d 驱动芯片设计 2 芯片整体结构及工作原理 2 1 整体电路结构 按照功能分，芯片电路包括四大部分，分别是：供电模块；b t l 模块；s l e d 模块； s p i n d l e 模块。结构框图如图2 。1 。供电模块为其它模块电路提供电压基准，温度保护， 欠压保护、频率信号和工作模式选择。b t l 模块包含三个通道，可以同时驱动三个直流 电机m 1 ，s l e d 模块包含两个通道，可以同时驱动两个步迸电机m 2 。s p i n d l e 模块可 以驱动三相电机3 m 。这三个电机驱动模块可以相互独立工作。其中引脚说明在附录中。 图2 1 芯片总体结构框图 f i g 2 1 t h ec h i ps t r u c t u r e 大连理工大学硕士学位论文 2 2 整体电路工作原理 整个芯片电路部分分成四个部分：供电模块；b t l 模块：s l e d 模块；s p i n d l e 模块。对于各个模块之间的内部电路工作原理将在后面的章节进行阐述。现在主要阐述 模块之间的工作关系。 供电模块：为芯片提供启动电路，防止启动涌浪。为b t l 模块、s l e d 模块和 s p i n d e l 模块提供电压基准1 2 5 v 。为这三个模块电路提供温度保护，防止温度过高烧 毁芯片。为三个模块提供欠压保护电路。为s l e d 和s p i n d e l 提供1 0 0 l ( h z 的振荡信号。 b t l 模块具有3 个通道，三个通道分别是：1 ) 寻迹通道，2 ) 加载通道，3 ) 聚焦通 道。可以独立驱动电机m d l 一m d 3 。输出都是驱动直流电机。不同点是加载通道逻辑部 分供电是1 2 v ，寻迹通道和聚焦通道逻辑模块供电是5 v 。 s l e d 模块包括两个结构完全相同的通道，可以驱动两个步进电机m s l 和m s 2 。 两个电机可以独立工作。每个通道是闭环负反馈工作方式。输出控制方式是斩波恒流工 作方式【i 们，使步进电机工作稳定，节约能量。 s p i n d l e 模块具有一个通道，驱动三相交流电机3 m 。这部分电路也是闭环负反 馈系统，环路工作稳定。 b t l 模块、s l e d 模块、s p 烈d l e 模块相互独立的工作，供电模块为其它三个模块 提供电压基准、模式选择、欠压保护、保护电路和频率信号，保护芯片正常工作。 六通道d v d v c d 驱动芯片设计 3 模块电路设计与仿真 3 1b t l 模块电路设计 b t l 模块驱动包含三个通道，结构如图3 1 。三个通道分别是：1 ) 寻迹通道，2 ) 加载通道，3 ) 聚焦通道。三个通道工作原理是一样的，可以独立驱动电机。输出都是 驱动直流电机。不同点是加载通道逻辑部分供电是1 2 v ，寻迹通道和聚焦通道逻辑模块 供电是5 v 。 一一一一一一一一一一一一一一一一一一。一一一一一。i b 1 l 模块 ： 输入部分 信号输入i信号放大 l 信号输入： 信号放大 i 信号输入： 信号放大 i 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一i 图3 1b t l 模块结构框图 f ig 3 1b t lb l o c ks t r u c t u r e 大连理工大学硕士学位论文 对于单个通道而言，信号经过三个阶段的处理，第一阶段，输入部分：对输入信号 进行放大【l l 】。第二阶段，电平转换：放大信号叠加在定的电平上，实现电平的转换1 2 1 。 第三部分，输出部分：驱动输出管，驱动电机的转速和方向。这样就可以实现了对电机 的转速和方向的控制。 3 1 1b t l 输入部分 ( 1 ) 输入部分电路设计 电路原理图如图3 2 ：输入部分左边是一个两级运算放大器，中间一个推挽式输出 级，右边部分是两个个方向的电流镜。两级运算放大器第一级是差分放大器，后面连接 两级射极跟随器，输出接到了一个共源放大器。第一级运放输入端有两个不同类型的电 阻。分别是多晶硅电阻和注入电阻，注入电阻是正温度系数【13 1 ，轻掺杂多晶硅电阻( 高 阻) 有很大的负温度系数。而重掺杂多晶硅电阻具有正温度系数。这个p o l y 电阻是1 8 5 k 方块，是负温度系数。这样两个电阻随温度变化就不敏感，进行了温度补偿1 4 】。 当输入高于v c 时，推挽输出级的输入端为低电平，推挽输出的下管导通，电阻 r 2 5 ，r 2 7 ，r 3 6 ，r 3 6 a 中电流从上向下流。此部分输出高电平为： f ，d + i ( r 2 5 + 8 2 7 a ) ( 3 1 ) 低电平为： v c o ? i 。r o l i ( r 3 6 + r 3 6 a ) ( 3 2 ) 当输入低于v c 时，推挽输出级的输入端为高电平，推挽输出的上管导通，电阻 r 2 5 ，r 2 7 ，r 3 6 ，r 3 6 a 中电流从下向上流。则此部分输出的低电平为： 圪。删一i ( 8 2 5 + 8 2 7 a ) ( 3 3 ) 高电平为： 圪鲫f ，d f + i ( r 2 5 + r 2 7 a ) ( 3 4 ) ，= i - v v c i ( 8 2 6 + r 2 6 a ) ( 3 5 ) ( v c o n t r o l 是电平转换电路输出的电压5 5 7 6 v ) 本课题中多处用到了两级运算放大器，结构图如图3 3 。是双极电路。常用的两级 放大器包括差分跨导级，高增益级，输出缓冲级，补偿电路和偏置电路1 4 】。图3 3 中， a 部分为差分跨导级，主要是作用是差分信号输入。b 部分主要是高增益级，也就是第 六通道d v d v c d 驱动芯片设计 二级放大。c 部分主要是输出缓冲级，是乙类输出。电容c 4 和c 5 是补偿电路，补偿方 法为密勒补偿。v b i a 提供偏置电压，v 1 ，v 2 为输入信号，o u t 为输出。 通常情况下两级放大器中是不需要电容c 4 和q 6 ，q 7 ，q 8 ，r 2 和r 7 。本课题中用到的 放大器特点是：高增益，低带宽。q 6 ，q 8 组成了两个电压跟随器，为第一级的跨导级提 供了很大的输出负载电阻，同时，两个电压跟随器不影响电压变化。这样，第一级的增 v c c 图3 2b t l 输入部分电路原理图 f i g 3 2 b t li n p u tc i r c u i t 益明显提高，虽然第二级电路进行密勒补偿，但是相位裕度还是不够，所以，在第一级 也进行了密勒补偿。这样相位裕度达到了4 5 度【15 1 。 图3 3 输出部分用到的电流源是威尔逊镜像电流源【1 6 1 ，双极型晶体管结构中，经常 使用的还有威尔逊镜像电流源，如图3 4 所示。 在这个电路中，q 1 实现负反馈，使q 3 有源从而降低基极电流误差，提高输出电阻。 输出电阻为： = 去+ 学譬 6 ， 公式( 3 6 ) 中，通常。7 0 ，所以输出电阻提高了很多。 v b i a 庀 i 圭 l ! 射 。拿 妄 习 n o k ， 0 7 毒a ， 0 1 。k 。 il ，嘲 - 崖 p 掣一 h 二 b - , 一i 位l 鼻l j5 ，一一 - r ， “ 一l l 0 a a ， l a i _ 。1 卜卜叫* b 一 o i一 lb ， 一h 翻 o s 2 弋1r一 h pm 一一 ，、 一 一k 孝”丰” pa 一。 bc 图3 3 两级放大器 f ig 3 3t w os t a g eo p e r a t i o na m p l i f i e rc i r c u i t 2 图3 4 威尔逊镜像电流源 f i g 3 4w i l s o nc u r r e n tm i r r o rs o u r c e 一1 3 o u t 坦w ( 2 ) 输入部分仿真结果 仿真图显示电压1 4 5 v 和1 8 5 v ，l 4 和l 4 1 是表示输出端的电压变化。 图3 5 输入部分仿真结果图 f i g 3 5 s i m u l a t i o nd i a g r a mo f i n p u t 3 1 2b t l 电平转换电路 ( 1 ) 电平转换电路设计 电路原理图如图3 6 。此部分电路主要功能为输入部分的输出提供偏置电压。q 5 0 9 、 q 2 0 6 、q 5 0 9 、q 5 1 0 、q 5 0 2 和r 5 0 2 组成了电压跟随器。在正常工作时q 5 1 3 处于饱和 图3 6b t l 电平转换电路原理图 f ig 3 6b t ll e v e ls h i f tc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 和导通状态，这样在v c c 减去一个二极管形式连接的q 5 1 5 的b e 节电压和一个q 5 1 3 的饱和压降之后，通过r 5 0 5 、r 5 0 6 的分压反映在q 5 0 6 的基极上，q 5 0 6 则为跟随器的一 个输入端，则跟随器的输出跟随这个分压值。电路中q 5 0 7 、q 5 0 8 、q 5 11 和q 5 1 2 组成 的结构一定程度上可以加强跟随器的跟随能力，增大输出摆幅的作用【1 刀。 ( 2 ) 仿真结果 0 02 0 0 u4 0 0 u6 0 0 u8 0 0 u t i m e ( o ) 图3 7 电压转换电路仿真图 f i g 3 7 s i m u l a t i o nd i a g r a mo f b t ll e v e ls h i f tc i r c u i t 图3 7 由上而下依次是跟随器的输出电压曲线、q 5 0 6 基极电压曲线和v c c 电压曲 线。v c c 由1 2 v 下降到6 v ，电压跟随器输出效果很好。 3 1 3b t l 输出部分设计 ( 1 ) 输出部分电路设计 输出部分是两个完全对称的结构，只对部分电路讲解。其中一部分电路如图3 7 。 图左部分是电流偏置，中间是比较器，比较器的左端是v c o n t r o l ，右端是输入部分的一 端输出。图右端是h 桥结构的输出。工作过程是：当输入v i n 大于v c 时候，反映在图 3 7 上比较器右端电压比左端电压低，则最后的输出管q 8 截至，q 2 导通。q 8 截至， q 1 基极电压下降，q 1 截至，图3 8 的输出端输出电流。与此同时，输出的另一部分电 路输出端为流入电流。当输入v i n 小于v c 时候，反映在上图比较器右端电压比左端电 压高，则最后的输出管q 8 导通，q 2 截至。q 8 导通，q l 基极电压上升，q 1 导通，图 六通道d v d v c d 驱动芯片设计 3 8 的输出端输入电流。 酰簪= 与此同时，输出的另一部分电路输出端为流出电流。输出端电 ! ! ! 掣当，一叫为输入部分的输出电压。 r2 2 皇 “ 撼 瑟j j 口u 一i a 口卉jj 孙- 和一 !彳 ，li ：p 1 。二k出! 竹 fj 彩 ?l 垤嚣 _ n匿 h i 一：0 2 ”慧 。8 蓦 i 岛 ? 嗡 l i 鼍 蒿 薹前一 岛 丧 _ 0 1 i n n ”kr 蔓到一、 扣_ l 4 u 卅 一e f 昌 ”r 2 2 ：甜。f - 史巴 * _ 鲁 叶 籍 l _ - 。珏一卅 ： 一之 乡a j j ： f 图3 8b t l 加载通道输出部分电路原理图 f i g 3 8 b t ll o a d i n go u t p u tc i r c u i t 加载通道工作原理：是把输入的电压v i n 和v c 电压比较，放大其差值，然后把这 个差值叠加在v c o n t r o l 上，差值的正负决定输出部分电流的流向。 图3 8 右端出现的是双极型峰值电流源，峰值电流源可以提供毫微安级的电流，工作 原理可以简单的介绍如下。电路图如3 9 所示。工作原理：忽略基极电流，有： 。一厶凡= ： ( 3 7 ) 讪砉一讪篆= l r ( 3 8 ) 如果q 1 和q 2 相等，可以知道： l ，吐唧( 一等 9 ， 大连理工大学硕士学位论文 = = = = j ；。一_ _ l _ - _ l = e = j e l = = = = = = = = = = = = = 耻鲁- n i l 2 组 由上面的公式可以知道，给定了输入的电流，：私电阻r ，就可以得到需要的输出 电流乙。 图3 1 0 电流源是减小声影响的( 凤e i p e r ) 基本镜像电流源，这种电流镜的优点是减 少了的影响，可以提供较多级的电流镜像输出【1 8 】。下面介绍这种电流镜的工作原理： 图3 9 双极型峰值电流源 f i g 3 9b i p o l a rp e a k i n gc u r r e n ts o u r c ec i r c u i t 如图3 m 如果q 1 和q 3 完全相同，q 2 的发射极电流为z 一参一万i c 3 ；謦 为流过q i 的集电极电流，l ，为流过q 3 的集电极电流，q 2 的基极电流为 k = 一者= 丽2 莉l , ，最后，在q 1 的集射极，k c l 得厶喝一磊- o ， 在q l 和q 3 完全相同的情况下，由l 。和l ，相等得： ，俐= ，。s = 圭2 j 们( - 一j i ) ( 3 1 1 ) 公式( 3 1 1 ) 表明了系统增益损失中来自于屏的部分已经被减少至原来的历土酉，即 为射级跟随器q 2 的电流增益n9 1 。因此，q 2 经常用作, 8h e l p e r 来减小夕影响。 六d v d v c d 驱动芯片设计 3 图3 1 0 减小影响的( 夕h e l p e r ) 基本镜像电流源 f ig ，3 i 0 c u r r e n tm i r r o rw i t hb e t ah e l p e rc i r c u i t ( 2 ) 输出部分仿真结果 6 0 4 0 2 0 国，0 2 ，0 t r a n s i e n tr e s p o n s a 口：1 2 q 2 e 一：1 2 q 1 e - _ - 。i o a1 0 u2 0 u3 0 u4 0 u t i m e ( s ) 图3 i i 输出部分仿真结果图 f ig 3 its i m u l a t i o nd i a g r a mo fb t ll o a d i n go u t p u tc i r c u i t 图3 1 1 是输出部分中上下输出管的发射极电流变化，说明两个管是不能同时导通。 _ 1 8 一 大连理工大学硕士学位论文 3 2s l e d 模块电路设计 s l e d 模块包括两个结构完全相同的通道，可以驱动两个步进电机。结构如图3 1 2 。 每个通道是闭环负反馈工作方式。信号同样要经过三个阶段，第一阶段，输入部分：输 入电压经过放大输出到三端比较器一端，限流电压输出三端比较器一端，三端比较器第 三端为对负载的采样电压。三端比较器输出控制电流镜，输出的是模拟信号。第二阶段， 逻辑部分：前面处理过的信号是模拟信号，模拟信号和振荡器的信号经过脉宽调制电路 后，产生脉宽可调的信号。第三阶段，输出部分：前面产生的可变脉宽的信号驱动输出 管的栅极，控制控制输出管的导通时间，使输出管中电流变