（电路与系统专业论文）集成电路宏模型的研究与构建[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 随着集成电路规模越来越大，设计者们在计算机上使用e d a 电路分析软件 进行电路的仿真时遇到了困难。集成电路宏模型可以帮助设计者，简化集成电路， 减少计算数据量，在现有的计算机软硬件水平下达到电路仿真的目的。 本文主要研究了构建集成电路宏模型的方法，列举了一些常见的模拟电路、 数模混合电路的宏模型，包括：理想电子开关电路、电压比较电路、施密特触发 器、脉冲宽度调锘t j ( p w m ) 电路、a d 转换电路等。 根据这些模型，采用构造法和简化法，在p s p i c e 环境下建立了t i 公司的 t p s 4 0 0 5 4 系列d c d c 开关电源芯片的宏模型，得到每个功能模块的仿真波形。 同时，根据仿真结果，归纳了用p s p i c e 检验、优化宏模型的一些方法并对建模过 程中遇到的收敛性问题进行了讨论。 针对数字集成电路的宏模型，本文以一个基于流水线的d d s 系统行为级建 模为实例，阐述了v e r i l o g 硬件设计语言在建立集成电路宏模型中的应用。最后， 探讨了s o c 系统协同仿真时，p s p i c e 语言和其它语言的数据接1 2 1 问题。 本文阐述的如何化简电路，抽象出电路特性以及如何利用p s p i c e 软件编程 等建模步骤，为建立一块数模混合集成电路芯片的宏模型提供了范例。文中建立 的功能模块，稍作修改，也可用于其它集成电路中。 关键词： 宏模型数模混合电路设计d c d c 开关电源p s p i c e 仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ev l s it e c h n o l o g y , m o r ea n dm o r ec o m m e r c i a l i n t e g r a t e dc i r c u i t sa r ea v a i l a b l e t h ec i r c u i td e s i g n e r sf a c eap r o b l e mo fh o wt o s i m u l a t et h ed e s i g n e dc i r c u i te m b e d d e dw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i t s i n t e g r a t e dc i r c u i t m a c r o m o d e lc a nb e u s e dt os o l v es u c hp r o b l e m s ，r e d u c et h ea m o u n to fd a t a p r o c e s s i n g ，a n dp e r f o r m i n gt h es i m u l a t i o ni nt h ee x i s t i n gc o m p u t e rs o f t w a r ea n d h a r d w a r el e v e l i nt h i s t 1 1 e s i s ，t h em a r c o m o d e lc o n s t r u c t i o nm e t h o do fi n t e g r a t e dc i r c u i ti s c o n c e r n e d f i r s t ，t h em a r o m o d e l so fs o m ec o m m o na n a l o go rd i g i t a l - a n a l o gm i x e d c i r c u i t s ，i n c l u d i n gi d e a le l e c t r o n i cs w i t c h i n gc i r c u i t ，t h ev o l t a g ec o m p a r a t o r , t h e s c h m i t tt r i g g e lt h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o nc i r c u i t , t h ea ds w i t c h i n gc i r c u i ta r e i n 仃o d u c e d s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h e s em o d e l s ，t h em a c r o m o d e lo fd c d cs w i t c h i n gp o w e r s u p p l yc h i p ，t p s 4 0 0 5 4 ，p r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o n , i sb u i l t u pa n ds i m u l a t e db y p s p i c eb ym e a n so fs i m p l i f i c a t i o na n db u i l d 一呷m e t h o d s t h es i m u l a t i o nr e s u l t so f e a c hf u n c t i o nm o d u l ea r eo b t a i n e d b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h em a c r o m o d e l i se x a m i n e da n do p t i m i z e d ，t h ec o n v e r g e n c ep r o b l e mo c c u r r e dd u r i n gt h es i m u l a t i o n o ft h em a c r o m o d e li sd i s c u s s e d f o r d i g i t a li n t e g r a t e dc i r c u i t , t h eb e h a v i o r a lm o d e l i n go fo n ed d ss y s t e mw h i c h i sb a s e do nt h ep i p e l i n e i su s e da sa ne x a m p l e n ea p p l i c a t i o no fv e r i l o gh a r d w a r e d e s i g nl a n g u a g ei nt h em a c r o m o d e lc o n s t r u c t i o ni sp r e s e n t e d f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h e s o cs y s t e mc o o r d i n a t i o ns i m u l a t i o n , t h ed a t ai n t e r f a c eb e t w e e np s p i c ep r o g r a m m i n g l a n g u a g ea n d o t h e rl a n g u a g e si sd i s c u s s e d 1 1 1 em o d e l i n gc o n s t r u c t i n gs t e p sa r eg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n s u c ha sc i r c u i t s i m p l i f i c a t i o n ，e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i ca b s t r a c t i o n ，a sw e l l a s p s p i c e s o f t w a r e p r o g r a m m i n g ag o o de x a m p l eo ft h ed i g i t a l a n a l o gm i x e di n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p m a c r o m o d e lc o n s t r u c t i o ni sp r o v i d e d t h ef u n c t i o nm o d u l e sb u i l th e r ea r ea l s o a v a i l a b l ef o ro t h e rc h i p sb ys o m em o d i f i c a t i o n s 1 ( e yw o r d s ：m a c r o m o d e l ，d i g i t a l a n a l o gm i x e dc i r c u i td e s i g n ，d c d cp o w e r s u p p l y , p s p i c es i m u l a t i o n 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，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他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了谢意。 学乎论文作者签名：主、l 赫 签字日期 砷年6 月厂伊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂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，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盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：主、) 孑林 签字日期：。莎芦f f 月f 彦日 刷醛孙滕狮 签字日期：二卯7 年歹月厂彦日 第一章绪论 第一章绪论 近年来，a s i c 设计成为电子领域的热点，吸引了越来越多的人才投身其中， 著名的芯片生产厂家纷纷落户中国，人们对我国半导体芯片设计和制造的技术发 展也寄予厚望。集成电路设计分析主要利用e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 软件，通过计算机用复杂的算法推算出电路的性能。但是集成电路发展到超大规 模级时，由于计算机的限制，e d a 电路分析软件完成电路的仿真遇到了困难。 集成电路宏模型技术是解决e d a 工具仿真困难的一个很好的方法。本文正 是围绕如何建立一些典型电路和数模混合芯片的宏模型展开的。 1 1 集成电路宏模型的研究概况 集成电路发展到今天，人们已经能够将包含模拟电路、射频电路、微处理器、 数字信号处理器( d s p ) 和存储器等的完整系统集成到一个芯片上。电路复杂程度 的增大和半导体工艺的进步使得传统的面板和烙铁的分离式电路设计方法退出 历史舞台。e d a 技术随之应运而生，发展成集成电路设计的主要手段。各种e d a 工具的功能越来越强大，应用也越来越广泛。然而，随着片上系统( s o c ) 时代的 到来，在一个芯片上已经可以集成数千万甚至数亿个晶体管，而e d a 电路分析 软件受到计算时间、计算机内存和计算收敛性的限制，很难在器件级完成如此大 规模电路的仿真。 宏模型技术是解决大规模集成电路仿真难题的一种很好的方法。所谓宏模型 ( m a c r o m o d e l ) ，是将电子系统或子系统、子网络看成一个“黑匣 ，它不侧重考 虑电路内部元器件的具体连接关系，而只是将该功能模块的外观特性用一个简单 的模型等效。在一定的精度范围内，其端口特性和原系统( 或子系统) 的端口特性 相同或近似相同，而结构复杂程度明显下降，所含电路元件数和电路节点数也大 为减少，从而大大减少计算时间，降低对计算机内存的要求。 宏模型技术从2 0 世纪7 0 年代起就得到了人们越来越多的关注，相继出现了 许多常用的模拟集成电路的宏模型，如运算放大器宏模型、比较器宏模型和模拟 乘法器宏模型等，其中运算放大器宏模型已经研究得很充分。也有人提出数字电 路基本单元( 例如：门电路和寄存器) 的宏模型以及锁相环电路宏模型。近几年 来，有关a d 、d a 转换器的宏模型、脉宽调制器( p w m ) 等结构较复杂的模拟集 第一章绪论 成电路芯片宏模型也有相应的研究文章发表。美国加州大学b e r k e l e y 分校开发的 通用电路仿真软件s p i c e 是目前国际和国内广泛应用的电路仿真软件，目前大 部分模拟集成电路宏模型都是基于s p i c e 。除了s p i c e 及其改进版本如p s p i c e 、 h s p i c e 外，也出现了基于v e r i l o g 的仿真器，主要应用于数字集成电路的行为级 建模和仿真。 对于芯片的设计者来说，一个包含若干功能模块的芯片，如果每个模块从最 底层构造宏模型，那么要完成一个芯片需要很长一段时间，不能适应市场的要求。 所以，在很多电子设计自动化工具中，为芯片设计者提供包含基本功能单元的宏 模型库，以减少设计时间、降低设计成本。美匡i a n a l o g y 公司( 已被s y n o p s y s 公 司收购) 开发研制的e d a 工具s a b e r 就提供了一个比较全面的单元宏模型库，每 个模型都有可调的特征参数，以满足设计者不同的需要。在实际应用中，模型库 不是万能的，当库中的单元模型不符合设计要求时，还需设计者自己来设计符合 要求的模型【1 1 1 2 。 1 2 构建宏模型的方法 构建宏模型主要有两种方法：简化法( s i m p l i f i c a t i o n ) 和构造法( b u i l d u p ) 。简 化法是在分析电路或作灵敏度分析的前提下，将原电路中对整个电路性能影响不 大的元件去掉，使原电路得到简化，简化后的电路称为简化电路模型。构造法是 在充分分析原电路外特性或内部电路各部分功能前提下，去构造另一个更加简化 的“黑箱”电路其端口特性与原电路一致，而两者的内部结构可以没有什么 相似之处。 具体构建集成电路宏模型的种类很多，在不同的电路仿真工具中可采用的宏 模型种类也不同。最基本的有以下几种： 1 电路的简化宏模型 经过灵敏度分析之后，在误差允许的范围内，省略原电路的一些次要元件， 得到简化的电路模型。适用于a s i c 设计，尤其是反向设计。 2 电路的函数宏模型 用电路输入、输出变量构成的微分代数方程组、电路传输函数等数学函数表 示电路特性。一般用于系统级建模，不太适用于i c 设计。 3 表格特性宏模型 这种宏模型不包含任何电路元件和方程，原电路的特性用一个数据表来描 述。对于所有的输入和负载条件，所有的输出、输入特性均用数字存储于表格之 中。这些数据来自于对电路做的预先分析或者实际测量，如数字器件的真值表， 2 第一章绪论 优点是运算速度特别快，缺点是数据量很大。 4 基于电平的宏模型 根据数字电路的特点，仅给出某个时刻的电平( 高或低) ，在电平未转变的 时刻确定为前一时刻的电平。只有当电平转变时，才确定下一个电平数，而且一 直保持到再发生转变的时刻为止。p s p i c e 首先运用了这一算法。 5 v h d l 宏模型 将一个子电路、功能单元，甚至于一个大规模集成电路的外特性用行为级 v h d l 加以描述从而构成相应的宏模型。由于用v h d l 描述可以综合出具体的 电路，所以在进入超大规模a s i c 时代后极具生命力。由于目前仍未发布模拟电 路v h d l ( a h d l ) 标准，所以只有适用于纯数字电路。 6 连线宏模型 进入亚微米、深亚微米a s i c 设计阶段后，与门延迟相比延迟对芯片的功能 影响占主导地位，一段连线等效为若干个电路元件，而且等效电路有时与周围的 线及自己的走向有关。连线宏模型是亚、深微米a s i c 设计所特有的。 实际构成的宏模型往往并不限于某一类，而是几种类型的组合，选取哪种方 法设计宏模型，在很大程度上取决于仿真器支持的模型种类【2 1 。 1 3 本文的主要工作 一、研究几种常见的集成电路宏模型 本文首先介绍了几个常见电路的宏模型，如电子开关、电压比较器、脉冲宽 度调制器等模拟器件。这些电路也是d c d c 开关电源芯片的关键电路组成，为 建立d c d c 数模混合芯片电路宏模型做了准备。 其次，对数模转换芯片a d l 3 8 0 的宏模型进行了分析，阐明了建立宏模型的 主要过程。 二、建立d c d c 开关电源芯片的宏模型 作为电源管理芯片，d c d c 开关电源芯片广泛应用于电子设备中，它的性 能与设备的性能息息相关。建立它的宏模型对d c d c 转换芯片的设计分析也有 重要的意义。本文选取t i 公司的t p s 4 0 0 5 4d c d c 同步降压控制芯片，研究其 工作原理，得到由各个功能模块组成的电路框图。根据电路框图，在p s p i c e 环境 下设计每一个模块的电路宏模型。将各个模块优化组合得到系统宏模型，对系统 宏模型进行直流分析、交流分析、瞬态分析和噪声分析。根据分析结果，改进宏 模型。 三、研究建模过程中出现的问题 3 第一章绪论 根据分析结果，本文对p s p i c e 中不收敛问题的进行了探讨，研究了v e r i l o g 语言在建立数模混合电路宏模型中的应用。最后，介绍了在系统协同仿真时 p s p i c e 语言和其它语言的数据接口问题。 4 第二章几种常见的电路宏模型 第二章常见的电路宏模型 这里介绍几种典型的电路宏模型，这些电路宏模型的建立思想具有示范意 义，适用于其它复杂电路。下一章将要介绍的d c d c 开关电源芯片的宏模型的 也要用到这些基本模型。 电路宏模型的建立需要用到以下引理1 ： 一个或多个n 端口的网络中的一组端口，总是可以等效为一个新的n 端口的网 络，并且新的网络中的端口继承了原来网络中对应的端口的独立的动态变量。【3 】 对于这一引理的证明请参考文献( l o c h u a , “d e v i c em o d e l i n gv i ab a s i c n o n l i n e a rc i r e u i te l e m e n t s ”，i e e et r a nc a s 2 7 ，p p 1 0 1 4 1 0 4 4 ，n o v 1 9 8 0 ) 。 2 1 理想电子开关宏模型 开关模型对d c d c 转换电路、大功率电子电路的设计都非常重要。在s p i c e 的元器件模型库，开关的种类很少，无法满足复杂开关电路的仿真。电流开关宏 模型也是一个多年研究的课题。 2 1 1 理想电子开关宏模型推导 根据引理1 ，可以将理想的周期电流控制开关s ( t ) 看成一个周期可变端口电 阻凡。，在开关闭和时电阻r e ，很小趋近于零；在开关断开时，r c 。很大趋近于 无穷。 ， 0船t t 疗t + d t 凡g ( 7 ) 。 0 0，彳丁+ d 丁 t 疗丁i，彳+ 疗 ( 2 1 ) r 是开关周期，d t 是开关的闭合时间。 由于s p i c e 的元件库中没有周期可变电阻，需要设计者自己建立宏模型。 一种理想开关的等效模型如图2 1 所示： 5 第二章几种常见的电路宏模型 a b 图2 - 1 理想开关模型 独立电压源玩是脉冲电压源，定义为 玩( f ) = p u l s e ( 1 0 0 0p wp e r ) 玩的脉宽p w 是开关闭和时间，周期船尺是开关的周期。是电压控制的 多项式电压源，艮= 矿( f ) 【1 一玩( f ) 】 矿，是电压控制电压源，则有： 又因为 础) = 半= t v ( t ) - e g ( t ) ( f ) = ( f ) ( f ) ：煦：丝堂：【! 坠业”7 岛( f )v ( t ) 一e g ( t )( f ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 脉冲电压源作为控制开关，玩的周期p e r 是开关的周期，脉宽p w 是开 关闭和时问。此时凡，满足公式( 2 - 1 ) 。宏模型可以完成理想开关的功能【3 】【4 】f 5 1 。 当需要r 。萨0 时，即开关闭和，只需在a 、b 两个端口之间加入一个无限大 的电阻；当需要凡。= 0 0 时，只需要将a 、c 之间的压控电压源矿t 短路，并在a 、 b 两个端口之间加入一个无限大的电阻。 2 1 2 理想开关宏模型p s p i c e 编程 将理想开关模型放入实际电路中，开关可以看成图2 - 2 中一个具有3 个端口 的“黑匣 ，其宏模型可以演变成图2 3 的形式。 6 第二章几种常见的电路宏模型 控制开关 k 图2 - 2 开关等效电路 图2 3 理想开关宏模型 一个周期为1 0 n s ，开关闭和时间为5 n s 的电流开关模型的p s p i c e 编程实例如下： * s w i t c h v i n10s i n ( 011 0 m e g h z ) r l2 01 m e g 口o3p u l s e ( 0100 05 n s1 0 n s ) r f361 v l45 0 v t420 v fo60 r l521 h l41v 11 f l25p o l y ( 2 ) v tv f0100 - 1 t r a ni n sl u s p r o b e e n d 7 第二章几种常见的电路宏模型 电路输出波形如图2 - 4 ： “o 1 虹0 ，z 叫o 3 uo 獬o 啦o u0 ，邺d ，qo ，雌1 o 叫 ，1 卫， t _ 图2 - 4 理想开关电路宏模型仿真结果 只需将的描述稍加修改，可将其变成为任意工作频率的开关电路模型。 2 2 电压比较电路宏模型 电压比较电路在电子电路中有广 泛的应用，而s p i c e 元件库中提供的 模型有限，很多场合需要自定义新模 型以达到性能指标的要求。比如在 d c d c 开关电源芯片中，电压比较器 就是决定芯片性能一个重要方面。 2 2 1 电压比较模块宏模型推导 冈 i 一 图2 5d c d c 开关电源中的电压比较模块 以图2 5 所示的d c d c 开关电源中的电压比较模块部分为例，输入电压为 一个锯齿波如图2 - 6 ，设定一定的阈值，经过电压比较器后，输入电压大于阈值 时，输出高电平，小于阈值时输出低点平，即按照一定的导通比输出脉冲电压。 第二章几种常见的电路宏模型 图2 - 6 锯齿波电压波形 玩是比较模块输入端的输入电压，它是一个锯齿波电压。y 一和y 响分别 为锯齿波峰值电压和最小电压，兀是锯齿波的周期，l 为延迟时间( 如5 9 s ) ，a 为开关晶体管存储时间( 如2 9 s ) 。 由波形可以计算导通比。 ，l兀环一矿胁f ，兀一兀、 口= 一= 一+ 一i i l 兀矿一一v m i nl 正j ( 2 - 5 ) 这里给出的电压比较电路的宏模型如图2 7 ： d 4d 3 d 2 d 1 毋锄吣1 曷1 0 譬f 弓1 0 d 1 逛 屯屯 垦l i d ct 里 r l i 1 k 一 一_j 1 一 多1c ，： 1 屯屯 图2 7 电压比较电路宏模 模型中，g d 是受尼两端电压控制的电流源，考虑晶体管存储时间的等 效电流源厶，输出电压历是受控于的受控电压源。 9 第二章几种常见的电路宏模型 令 令 例：o 1 至二墨土 矿衄。一矿m i n兀 厶；o 1 墨 兀 即比较器输出导通比d ，则 令v e ”= 致一矿i n i n ；v o = y i n i n ， 则解得尼= 1 g ；r d - 1 施 e a = 0 0 1 v r o = d v r 。= ( 函+ 五) 尼= l o o d ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 电压源玩和昨组成钳位电路，限定尼电压的最大最小值，即限定了导通比 的最大最小值。可以看出，在应用中只需知道输出导通比就可以得到相应的p s p i c e 仿真模型1 6 。 2 2 2 电压比较模块p s p i c e 模型 电压比较器模型可以直接调用p s p i c e 元件库中的元件实现。输入电压如图。 所示的玩，玩一= 3 5 v ，k 一= 0 7 v ，兀= 3 1 a s ，t o = 1 6 2 i s ，兀= 0 5 a s ，其他 的元件值在计算结果在图2 8 中标出。 d 3 1 0 第二章几种常见的电路宏模型 输出电压波形如图2 - 9 ： ： i 2 口4 - 一一一一一- l o i o i 珥z 0 a u t 3 0 u w o i l s g h u t g6 0 l i ，7 0 i l o u o l i 1 0 0 i i 可l l ：2 i 图2 - 9 电压比较模块宏模型仿真结果 2 3 施密特触发器宏模型 施密特触发器广泛应用于过温和过流保护电路中，用来防止芯片温度过高和 电流的颤抖对芯片造成损害。由于施密特电路的正反馈引起的s p i c e 程序不易 收敛，使得施密特电路的仿真很困难。这里介绍一种施密特触发器的宏模型可以 解决这种仿真的困难，同时也减少了仿真所需要的时间。 施密特触发器的转换特性如图2 1 0 所示： v o u t - y 2 x 1) y 1 治 、白u t i 托 r x lx 2 一 y l a 正向特性 b 反向特性 图2 1 0 施密特触发器的转换特性 第二章几种常见的电路宏模型 2 3 1 施密特触发器宏模型推导 根据施密特触发器的特性，给出一种宏模型等效电路如图2 1 1 ： 图2 11 施密特触发器宏模型 图中节点2 的电压是 e 1 = 一( x z + x ，) 2 + v ，( x ：- x ) ( 】，：一l r ) 1 0 7 e 2 = ( n + y 1 ) 2 矿3 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 正号( + ) 用于产生b 图所示的施密特触发器反向转换特性，负号( 一) 用于 产生a 图所示的施密特触发器正向转换特性。 独立电压源： n = ( n y i ) 2 y ：= 一( 】，z y 1 ) 2 v 6 = ( 】，2 + l ，) 2 矿3 ( 2 一1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 说明： 如果瞬态分析发生不收敛的问题，则将c - 的值加大到1 1 0 一4 或者更大。 为了避免不收敛问题，不使用d c 扫描分析，而将模型中加入以p w l 源，产生一 个缓慢上升( 或下降) 的斜坡，其瞬态分析效果一样 邢1 。 1 2 第二章几种常见的电路宏模型 2 3 2 施密特触发器电路p s p i c e 编程 根据施密特触发器的宏模型，一个x l = l v ，x 2 = 4 v ，y 1 = l v ，y 2 = 3 v 的施 密特触发器的p s p i c e 编程实例如下： 木s c h m i t tt r i g g e rs i m u l a t o r e 260p o l y ( 1 ) 302 一l r n101 m e gr 2201 g e l20p o l y ( 2 ) l03 0 02 5 e 7r o u t671 k 1 5 e 7 r 1231 t c l3ol e 1 5 d l3 4d i o d e v 140d cl d 253d i o d e v 25 0d c 1 可以看到宏模型仿真波形如图2 1 2 ： m o d e ld i o d ed ( n = 0 0 01 ) v i nl0p w l ( 0 - 52 u54 u 一5 ) t r a n1 0 n 4 u5 n o p t l 0 n sl i 缸t s = 0i t l s = 0 r e i t o l = ie 5i t l l = - 2 0 0 p r o b e e n d 3 _ “i ! ； 。 r ， ! 0 1 + 一一一 一- - t - - 4 一一、i - - $ 钾- - 4 o v- - 9 w2 呻1 0 v钾l o v2 钾3 明胛5 啊 o l ，m ) 图2 1 2 施密特触发器宏模型仿真波形 1 3 第二章几种常见的电路宏模型 2 4 脉冲宽度调制( p w m ) 宏模型 通信系统中的脉冲宽度调制( p w m ) 器由一个加法器和一个施密特触发器 构成。它的工作原理是：输入信号和载波电压玩砌合并；合并的信号与参考 电压相比较。如果合并信号大于参考电压，输出电压为最大值k ；反之，合 并信号小于参考电压，输出电压为最小值k 2 。 2 4 1p w m 宏模型推导 一种通信系统中的脉冲宽度调制器宏模型等效电路如图2 1 3 所示： v i n 1 + l 胁1 耋 2 。3 晨4 一 f 西8 占d 1d 2 共 + 一 u c a r d e r7 厂嘎1 “； 厂 2 cl= 5 6 、i 占y r 匕 。j 、 们pv 。 鼬2 芋j上 图2 1 3 脉冲宽度调制器宏模 考虑到p w m 电路的电压增益，图2 1 3 中 矿4 ：1 0 6 y 2 ( 2 1 5 ) y 2 = 电压增益( 一一+ ) + 1 0 叫5 v 4 = 一电压增益+ 电压增益玩一电压增益+ 1 0 _ 5 y 4 + 电压增益玩砌 矿z = 鳖1 - 1 堕0 - 9 ( + ) 一( + ) ) 此时，当合并电压小于参考电压时，矿。 0 ，二极管d z 开启，输出电压最 小值k 2 ；反之，二极管d - 开启，输出电压最大值k ，则输出波形是占空比 跟载波频率有关的一个锯齿波。输入电压和参考电压相差越大，锯齿波保持高电 平的时问越短。这种波形可以作为电子开关，实现p w m 的功能【引。 2 4 2p w m 电路宏模型p s p i c e 编程 根据上述模型，给出一个电压增益为5 0 的p w m 系统编程实例。 1 4 第二章几种常见的电路宏模型 系统是一个频率为1 m e g ，峰值1 5 1 的正弦信号；载波为周期为2 0 0 n s 线性锯齿波，参考电压为0 5 v ，偏置电压为0 。 * p w mm o d u l a t o r r i n l181 m e gd 26 0 d i o d e r i n 27 01 m e gm o d e ld i o d ed ( n = 0 0 0 1 ) e l2 0p o l y ( 4 ) 108 0407005 0 - 5 0 v i nl0s i n ( 01 5l m e g l 1 e 1 55 0 r 120l k e 23 02 01 m e g r 23 4l t c 1401 e 1 5 v 15 0d c5 v 26 0d c 1 汪f 80d c0 5 d 145d i o d e 电路输出波形如图2 1 4 ： v c a r r i e r70p u l s e ( 029 9 nl n 5 0 nl n 2 0 0 n ) i cv ( 4 ) = 0 t r a n1 0 nl u01 0 nu i c p r o b e e n d 6 - ”i 一。- ! 0 _ _ _ 0 - _ _ ， | | 一t ， | ； 。一。 心 、 p _ | 。 l ， - - z ，口，+ 一。r o 一r - 一 o_0h02i0 3 叫0 细o g a l ao l o ，uo t r o t0 ，u ，1 o t - 口可“i ，1 ( v c , u l 旺| l t i ，可1c 可啊i j - 2 5a d l 3 8 0 宏模型 图2 1 4p w m 电路宏模型仿真结果 a d 转换器芯片是典型的数模混合集成电路。以逐位逼近式a d 转换器芯片 1 5 第二章几种常见的电路宏模型 a d l 3 8 0 为例，介绍集成电路宏模型的建立过程。 f u n c l i o n a lb l o c kd n g r 瓶 器晶器啪u 。臻慧苗 舞蹁黼 图2 1 5a d l 3 8 0 功能框图 1 、明确芯片工作原理 虽然一块芯片最基本的电路和元件参数是保密的，但是可以从同一类型的芯 片的工作原理和构造入手，确定它的宏模型组成框图。a d l 3 8 0 的功能框图如图 2 1 5 所示。 逐位逼近式a d 转换器的主要组成如图2 1 6 所示，这个系统是由一个逐位 逼近寄存器、一个n 位d a 转换器和一个比较器组成的反馈环。逐位逼近寄存 器由n 位移位寄存器和保持寄存器构成，在开始转换之前，逐位逼近寄存器清 零。转换的第一个节拍，保持寄存器的m s b 加入一个试探位“l ”，其他位保持 “0 。如果d a 转换器的输出v o v a ，则比较器输出保持不变，于是“1 ”m s b 中；否则“0 ”取代“l ”存于m s b 中。然后下一个节拍，将“1 ”送入高一位进 行试探，如果比较器状态输出不变，“1 ”就保留在该位，否则就保留“1 ”。依此 方法，n 个周期完成所有位的试探。 试探时用“0 还是“l ”，由比较器和逐位逼近式寄存器逻辑决定。试探位 借助于n 位序列发生器从m s b 顺序移向l s b 。每次逼近的结果，由保持寄存器储 存。控制逻辑队每次逼近都执行一个开始停止功能，各次逼近动作出时钟信号 同步。储存在保持寄存器中的数据形成数字输出，从m s b 至l s b 各位的转换完成 后，控制逻辑发出一个状态信号，允许数字输出【1 5 】。 1 6 _ m 一嚆嚣一 第二章几种常见的电路宏模型 时钟逐位逼近比较器 广一一一一一一一一一一一一一一一 图2 1 6 逐位逼近式m d 转换器的主要组成 b 1 b 2 b n 2 、建立宏模型组成框图 了解了同类型的芯片的工作原理之后，需要具体参考a d l 3 8 0 用户手册，简 化出a d l 3 8 0 的宏模型组成框图，如图2 1 7 所示。 图2 1 7a d l 3 8 0 的宏模型组成框图 3 、按功能模块建模 对集成电路各个功能模块建模，需要了解每个模块的工作原理和模块对应的 管脚特性。同时，参考现有的宏模型电路，如前面所介绍的理想开关电路，电压 第二章几种常见的电路宏模型 比较电路，对这些模型进行适当的调整，使之完成芯片所要求的功能。有时也需 要重新定义模型才能正常完成器件的要求。具体a d l 3 8 0 的各个功能模块宏模型 的建立过程，请参考论文刘雪梅，数模混合电路宏模型及电路设计，硕士学位论 文，西安电子科技大学，2 0 0 1 1 ，第2 2 节，这里只给出结论。 1 ) 采样保持部分 采样保持部分宏模型如图2 1 8 所示。开关s c l 受外部采样保持( s h ) 信号和 启动脉冲信号控制。当启动脉冲为高时，开关打到3 1 点开始采样，反之则打到 4 9 点使信号处于保持状态。电阻和电容的取值保证器件要6l as 采样和1 4us 的 保持特性。 图2 1 8a d l 3 8 0 的采样保持部分宏模型 2 ) 输入控制部分 a d l 3 8 0 有五种输入范围，对应有五种参考电压和输出码制。通过一个电流 源和几个电阻不同的连接方式，就可以得到所需要的输入输出电压值。输入控制 部分的宏模型如图2 1 9 。 2 0 0 图2 1 9a d l 3 8 0 的输入控制部分宏模型 3 ) 比较控制部分 比较控制部分的电路模型主要由受控电压电流源和电压比较器来实现，如图 2 2 0 。图2 2 0 中h l 是流控电压源，将d a 转换的电流输出变为电压。e l 受3 l 点的电压控制，将采样后的输入信号反相。s c 2 ，s c 3 ，s c 4 均受节点7 的电压控 制。电压比较器c m p 的模型由p a r t s 程序产生，工作电压为1 5 v 时，v ( 4 8 ) = 0 v ， 1 8 第二章几种常见的电路宏模型 当v - l o 时，电容c 充电。二极管d ，承受反向电压； 2 经过时间d i t , ( 即) 后，开关在位置b 时，如图b 所示，由于线圈三中的磁 场将改变线圈两端的电压极性，以保持电感中的电流五不变。负载r 两端 电压仍是上正下负。在1 l 0 ，开关打开时，五= 0 ，故五是脉动的，但输出电流 厶，在d 、l 和c 作用下却是连续的平稳的【6 】。 下一节将要介绍的t p s 4 0 0 5 4 芯片，就是一块b u c k 型d c d c 控制芯片。 第三章d c d c 开关电源宏模型 3 3t p s 4 0 0 5 4d c d c 芯片宏模型 3 3 1 芯片概述 芯片t p s 4 0 0 5 4 是德州仪器公司推出的同步降压电压模式d c d c 控制器系列 t p s 4 0 0 5 x 中的一款。它是一种新型的d c d c 宽输入同步b u c k 型控制芯片。电 压输入范围为8 v 到4 0 v ，输出电压可降至0 7 v ，同时可提供可编程的工作频率 以及闭环软启动、欠压锁定、过温保护、过流保护、电压前馈和高端电流控制等 功能【1 7 1 。 3 3 2t p s 4 0 0 5 4 工作原理 如图3 - 3 ，当电路正常工作时，芯片内部的基准电压设定为o 7 v 。输出电压 值经电阻分压后反馈到“v f b ”管脚。这个信号和参考电压0 7 v 相比较，误差 被放大电路放大。反馈电压高于0 7 v 时，误差放大器的输出v b 下降。同时芯 片内部振荡器产生周期为兀，一个峰谷值为2 v 的锯齿波电压。v b 和此刻的锯 齿波电压相比较，形成一个低电平，通过1 3 沟道m o s f e t 的栅极驱动电路，关 断除了输入比较、误差放大和低电压检测之外的所有电路。此时，输出电路电感 电压不再升高，电感反向放电，输出电压值降低。 图3 - 3t p s 4 0 0 5 4 功能框图 当反馈到v f b 管脚的信号低于参考电压0 7 v 时，误差输出v b 升高，v b 和此刻的锯齿波电压相比较，形成一个高电平，通过双挽型的m o s f e t 驱动电 路开启电感充电回路，使得输出电压值再次升高。 第三章d c d c 开关电源宏模型 如此反复，n 沟道m o s f e t 的栅极驱动电路的输入信号就是一个占空比为d 的脉冲信号。芯片像一个受控开关一样，让电感快速交替充放电，保证输出端实 现稳定的直流输出。电感充放电的频率为向，称d = 1 向，为开关电源的导通 比。 根据输出输出电压计算得出。根据加的值设置电压前馈电阻尼泖，从而 设定锯齿波的周期，改变输入驱动电路的脉冲信号宽度，实现p w m 控制。 l n 叫 世b 一 o h l ，t o n 2 删t 1 图3 4 电压前馈对p w m 周期的影响 喇 此外，芯片中还包括限流电路、可控的闭回路软启动电路、欠压( u v l o ) 电 路和过温保护电路。 t p s 4 0 0 5 4 提供可控制的u v l o 保护功能。u v l o 电路会将软启动( s o f t s t a r t ) 讯号保持在低态直到输入电压超过使用者设定的低电压临界值为止。前馈脚位 k f f 作为低电压u v l o 检测脚。这个使用者设定的低电压界限值是将p w m 锯齿波 的时间与振荡时钟的周期进行比较。当芯片在锯齿波到达其全部振幅之9 0 前 就接收到时钟脉冲的话，代表低电压状况发生了。锯齿波的时问与三角波的斜率 有关，而锯齿波斜率则与流入k f f 管脚的电流相关。流入k f f 管脚的电流为输入 电压与接在k f f 脚位及输入电压间之电阻值的函数旧。 电压前馈对p w m 周期的影响如图3 4 所示，k f f 电阻与振荡频率间的关系如 式所示： 胁= ( ( i i l j n ) 一3 5 ) x ( 5 8 1 4 x r r + 1 3 4 0 ) q ( 3 - 1 ) 其中，阢。蛐) 是保证启动的最低电压。r r 是计时电阻，单位为施。 p 伊 崾嚣： 第三章d c d c 开关电源宏模型 t p s 4 0 0 5 4 简化内部功能图如下图3 5 ： 也_ 图3 - 5t p s 4 0 0 5 4 简化内部功能图 一种t p s 4 0 0 5 4 简化应用电路如图3 6 ： 图3 - 6t p s 4 0 0 5 4 简化应用电路 芯片管脚功能如表3 1 ： 2 7 第三章d c d c 开关电源宏模型 表3 1t p s 4 0 0 5 4 管脚功能 管脚编型态说明 名称号 高侧咖g h s i d e ) n 信道m o s f e t 的栅极驱动电压。b o o s t 的电压 b o o s t1 4o 比输入电压高9 伏特。 b p 53o 5 伏特参考电压。 l o 伏特参考电压。用来驱动n 沟道同步整流开关。此管脚必须使 b p l 01 1o用颗