过压保护电路的设计.doc

题目：过压保护电路的设计院 （系）：自动化学院专 业 班：姓 名： 学 号：指导教师： 2014 年 9 月摘 要本文提出了一种高性能过压保护电路的设计，该电路由阈值改变电路、电阻分压电路、 高精度迟滞比较器组成。它利用高精度迟滞比较器的输出信号控制 MOS 管的通断，有效的避免了电路振荡，成功实现了过压的电路保护。保护电压的阈值可由二四译码器进行选择。基于 0.18m，3.3V CMOS 工艺，对提出的电路进行了仿真验证，结果表明 此电路具有保护效果好，响应速度快等特点。关键词：CMOS；过压保护；迟滞比较；阈值调节AbstractThis paper presents a design of a high performance overvoltage protection circuit ,including the threshold changing circuit ,resistivedivision and high-precision hysteresis comparator . It uses the output signal to control the MOS in order to introduce hysteresis thus avoiding possible oscillation ,successfully complete the overvoltage protection . Protections threshold voltage can be selected two-four decoder . Based on 0.18m CMOS process，the proposed circuit has been verified，the simulation results given by Hspice show that the detection circuit has high accuracy, quick response and so onKey Words：CMOS; Over voltage Protection; Hysteresis comparable; Threshold adjustment目 录摘 要2ABSTRACT31 选题背景61.1 本课题的意义61.2 CMOS差分输入比较器的原理62 电路设计92.1 迟滞比较器的设计92.2 分压电路的设计112.3 阈值调节电路的设计132.4 总体电路设计153 参数计算163.1 课题要求参数163.2 分压电路参数163.3 过压保护电路参数173.4 其他MOS管参数173.5 确定每个元件的参数184 HSPICE仿真结果分析214.1 单个MOS管的扫描仿真214.2 过压保护模块的扫描仿真214.3 阈值调节模块的扫描仿真224.4 电压采样模块的扫描仿真234.5 系统的直流扫描仿真235 结论266 心得体会276.1 IC课程设计的心得体会276.1 IC课程设计的具体分工28致 谢29参 考 文 献30附 录I1 选题背景1.1 本课题的意义随着科学技术的发展，电力/电子产品日益多样化、复杂化，在各类电子产品中,设置过电流保护和过电压保护元件的趋势日益增强，电源管理已广泛的应用于便携式电子产品中，如 MP3 手机、笔记本、PDA 等。为了提高电源管理的可靠性，所以通常会引入一些欠压、过压、过流、过温等保护电路。无论是在以微处理器（MPU）或单片机（MCU） 为基础的系统，还是在各类电子仪器仪表 ，家用电器产品中，欠压、过压检测器主要用来监视系统的供电电压。当供电电压过低或过高时，均输出一个控制信号以启动相关保护电路，避免系统部件产生损坏，确保其正常运行。过压保护主要是防止过电压或静电放电对电子元器件的损坏，被广泛地应用于电话机、传真机及高速传输接口(USB,IEEE1394,HDMI,SATA)等各种电子系统产品，尤其是电子通讯设备,对于如何避免因为电压异常或静电放电而对电子备造成伤害损失尤为重要。1.2 CMOS差分输入比较器的原理电压比较器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高。图1为电流镜负载差分比较器电路： NMOS器件M1和M2作为差分对管， P沟道器件M3，M4组成电流源负载。电流I0提供差分放大器的工作电流。如果M3和M4相匹配，那么M1电流的大小就决定了M3电流的大小。这个电流将镜像到M4。如果VGS1=VGS2，则Ml和M2的电流相同。如果 VGS1VGS2，由于I0=ID1+ID2 , ID1相对ID2要增加。ID1的增加意味着ID3和ID4也增大。当输入差动小信号时，vp = -vn：（1）左边电路：VGS1 VDS1 VA |VGS4| |VDS4| （2）右边电路：VGS2 VDS2 从输出端来看，由于|VDS5|减小以及VDS2增大，其综合效果是使输出电压VOUT上升，从而实现了信号电压的放大。假设 M1和M2差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。描述大信号性能的相应关系如下： 1. NMOS 管电流公式：ID=12nCOXWLVGS-VTH21+VDS2. 当 MOS 处于饱和区域时有如下公式：跳变电压：VID=VGS1-VGS2=2ip1-2ip2I0=ID1+ID2跨导：gm=2nCOXIDWL=2IDVGS-VTH=nCOXWLVGS-VTHP管和N管中，需从 lib 库文件中读取 在差分输入电压放大器的原理上，我们在电路中引入交叉耦合负载，将其作为电 压比较器，并采用内部正反馈来实现迟滞特性。请见下一节的电路设计部分。2 电路设计2.1 迟滞比较器的设计比较器实现迟滞的方法很多，它们都有不同的正反馈。这里我们采用图 2 所示的差分输入级加迟滞的比较器： 图2所示电路中，正输入端V连接到地（或者其他任何参考电压均可），晶体管Q2的栅极V连接到远小于零的负电源。因此，晶体管Q2管段，Q1开启，所有的尾电流I0流过晶体管Q1和Q3。流过晶体管Q2，Q4,Q5和Q6的电流均为零，节点电压V为高，节点电压V为低。下一步，假设输入电压V逐步增大，则晶体管Q2逐渐开启，部分尾电流I0开始流过晶体管Q2.这一过程将持续至晶体管Q2和晶体管Q5电流相等。在这种情况下，输入电压的任意增加都会导致比较器进入开关状态，使得晶体管Q1关断，所有的尾电流流过晶体管Q2,在输出状态的切换点上，假设流经晶体管Q1和晶体管Q2的电流分别为I1和I2，那么具有以下关系：I1+I2=I0 I2+I5=I3（WL）5（WL）3=I1（WL）5（WL）3 可以计算得到：I1=I01+ I2=I01+ 现在，晶体管Q1和Q2的栅极电压（Vgs）可以利用漏电流计算得到：VGS1=VTn+I1k（WL）1 VGS2=VTn+I2k（WL）2 在上面的等式中，I2I1，因此Vgs2Vgs1，因为晶体管Q1的栅极连接到地，Vgs1和Vgs2之间的差距是正向触发，即可以表示为：Vtrig+=I2k（WL）2-I1k（WL）1 利用式和式，并且（WL）1=（WL）2，式可以简化为：Vtrig+=I0k（WL）21-1+ 当输入信号不断增大到超过Vtrig+，比较器输出状态切换，Vout1变为低电平，Vout1变为高电平。现在，晶体管Q2开启，晶体管Q1关断，所有的尾电流I0流经晶体管Q2和Q4。流经Q1，Q3，Q5和Q6的电流则为零。下一步分析输入信号Vin-从大到小的过程。晶体管Q2的电流开始减小，晶体管Q1逐步开启，导通电流。与输入电压Vin-逐步增大的情况类似，可以证明负向触发点仍然出现在I1=I6的情况下。经过计算，负向触发Vtrig-可以表示为：Vtrig-=I0k（WL）11-1+ 滞回电压可以计算为：VH=Vtrig+-Vtrig-=2I0k（WL）1-11+ 其中，=WL5WL3=WL6WL4。具有滞回功能的比较器完整电路如图2所示，比较器由具有正反馈环路的源极耦合差分和差分转单端电路构成。该电路中，=WL5WL3=WL6WL4大于1，那么滞回电压可以由式计算得到。2.2 分压电路的设计为了将电源电压与带隙基准电压VREF相比较，需要对电源电压进行分压处理。 这里采用电阻网络对电源电压分压，分别得到过压保护比较电路的输入电压，分压原理如图 3 所示： 取参考电压 VREF=1.25V 进行比较。设过压电路输入阈值电压为VI，计算公式如下： R2R1+R2=VREFVI=VinVdd2.3 阈值调节电路的设计为了使电路的保护阈值电压可调节，选择不同的电阻进行分压，得到不同的输入电压。具体原理如图4所示：图4 阈值调节电路R2+R3+R4+R5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI1=V1VddR3+R4+R5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI2=V2VddR4+R5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI3=V3VddR5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI4=V4Vdd这里选择二四译码器来选择阈值电压。通过A、B的不同组合，可得到四种不同的保护阈值电压。2.4 总体电路设计经过以上三步设计，将以上三级电路进行综合，便得到过压保护电路的总体设计电路图，如图 5过压保护电路：图5 过压保护总体电路图5过压保护电路中，VREF端接 1.25V带隙基准电压，由外部带隙电路提供，本课题中直接引用，而不再设计。电路中总共两个输入电压，一个输出电压：电源电压Vdd为电源电压；参考电压VREF为带隙电路提供的1.25V带隙基准电压；输出电压VOUT为比较后的输出电压，为高电平或者为低电平。分别将二四译码器的输出电压接到过压保护电路的输入端，而过压保护电路另一个输入端接参考电压 VREF=1.25V。过压保护电路的输出端接到与非门电路的两个输入端，最终得到具有控制作用的逻辑电平VOUT。3 参数计算3.1 课题要求参数根据课题要求：设计一个基于0.18um/3.3V CMOS工艺符合一定性能要求的过压保护电路，电路在一定的电压范围内输出高电平，在高于保护电压阈值时输出低电平，从而在电压过高时对电路进行保护；当电压由高压降到恢复电压以下时，输出由低电平变为高电平；电路的保护阈值电压是可以调节的；电路的保护电压与恢复电压之间具有迟滞的特性。一般的带隙基准电压为 1.25V，所以取 VBIAS=1.25V，并且将输入端的比较参考电压设为VREF=1.25V。3.2 分压电路参数计算各电阻的阻值：由：R2+R3+R4+R5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI1=V1Vdd=1.25V2.5VR3+R4+R5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI2=V2Vdd1.25V3.0VR4+R5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI3=V3Vdd1.25V3.3VR5R1+R2+R3+R4+R5=VREFVI4=V4Vdd=1.25V3.6V可得到：R1=158.4KR2=26.4KR3=12KR4=10KR5=110K3.3 过压保护电路参数 由于电路镜像对称，迟滞电压差由式计算 VH=Vtrig+-Vtrig-=2VGS-VTH-11+=3.5-3.1=0.4V 代入已知参数 VGS1=VREF=1.25V, 从工艺库中得 VT=0.72V，计算得到： =S5S3=S6S4=33.4 其他MOS管参数 为了使差分放大电路正常工作，且满足一定的指标，需要计算 MOS 管 Q0、Q1、 Q2、Q3、Q4 的参数，由于电路对称，这里只计算 Q0、Q1、Q3 的参数。 假设放大电路补偿电容 Cc=3pF,要求静态电流50A。即I050A。- 忽略沟道调制效应，有NMOS管电流公式I0=12nCoxWL(VGS-VTH2(1+VDS) 由工艺库文件得知：0.18m 3.3V CMOS 工艺的 VT=0.72V，n=0.0391137 m2/V/sec，Cox=5.210-3F，又 VGS0=VREF=1.25V 代入上式计算得： S0=W0L01.75 ，取S0=1.5 取放大电路的增益 AV=5，由该放大电路 AV的计算公式：Av=nS1pS3=4由工艺库文件得知: n=0.0391137 m2/V/sec，p= 0.011065 m2/V/sec S1S3=73.5 确定每个元件的参数3.5.1 电阻网络参数R1=158.4K，R2=26.4K，R3=12K，R4=10K，R5=110K3.5.2 迟滞比较电路参数MNQ0L=2U W=3U MNQ1L=2U W=28U MNQ2L=2U W=28U MPQ3L=2U W=4UMPQ4L=2U W=4U MPQ5L=2U W=4U MPQ6L=2U W=4U MPQ7L=2U W=12U MPQ8L=2U W=4U MNQ9L=2U W=4U MNQ10L=2U W=12U MNQ11L=2U W=12U3.5.3 阈值调节电路参数MPH1L=2U W=12U MNH2L=2U W=12U *MPH3L=2U W=12U MNH4L=2U W=12U *MPH5L=2U W=12U MPH6L=2U W=12U MNH7L=2U W=12U MNH8L=2U W=12U *MPH9L=2U W=12U MPH10L=2U W=12U MNH11L=2U W=12U MNH12L=2U W=12U *MPH13L=2U W=12U MPH14L=2U W=12U MNH15L=2U W=12U MNH16L=2U W=12U *MPH17L=2U W=12U MPH18L=2U W=12U MNH19L=2U W=12U MNH20 L=2U W=12U 3.5.4 四个传输门电路参数MPF1L=2U W=12U MNF2L=2U W=12UMPG1L=2U W=12U MNG2L=2U W=12UMPF3L=2U W=12U MNF4L=2U W=12UMPG3L=2U W=12U MNG4L=2U W=12UMPF5L=2U W=12U MNF6L=2U W=12UMPG5L=2U W=12U MNG6L=2U W=12UMPF7W=12U MNF8W=12UMPG7W=12U MNG8W=12U3.5.5 与非门电路参数MPF9L=2U W=12U MNF10L=2U W=12UMPF11L=2U W=12U MNF12L=2U W=12U4 Hspice仿真结果分析4.1 单个MOS管的扫描仿真基于0.18m，3.3V CMOS工艺，利用设定参数，使用HSPICE对单个MOS管进行直流扫描仿真，得到仿真结果如图：4.2 过压保护模块的扫描仿真我们对过压保护模块进行扫描仿真，得到结果如图所示：由图中可以看出，随着输入电压的逐渐增大，当输入电压小于基准电压VREF时，电路输出高电平；当输入电压大雨基准电压VREF时，对电路进行保护，输出电压为低电平。4.3 阈值调节模块的扫描仿真阈值调节模块主要是由二四译码器来选择阈值的。二四译码器由非门和与非门组合而成，分别对其进行仿真，而后组合成二四译码器组合电路。下图为非门电路的扫描仿真结果：由图可看出，输出电压与输入电压逻辑值正好相反。下图为与非门电路的扫描仿真结果：由图可以看出，当a、b均为逻辑1时，输出为逻辑0；其余输入时输出均为逻辑1。4.4 电压采样模块的扫描仿真通过电阻进行分压，对不同阈值得到不同的输入采样电压。仿真扫描结果如下：（后来改变了下采样电阻所以阈值电压稍有变化）4.5 系统的直流扫描仿真基于0.18m，3.3V CMOS工艺，利用上述参数，使用HSPICE进行直流扫描仿真，仿真时，取Vdd从2.0V到3.6V（HSPICE仿真网表文件见附录），得到过压保护电路的仿真结果如图：a=0、b=0时，阈值电压为2.5Va=0、b=1时，阈值电压为3.0Va=1、b=0时，阈值电压为3.3Va=1、b=0时，阈值电压为3.6V仿真结果的具体表述如下：当电源电压从0V增加到与阈值电压相等之前，电路的输出为高电平（电源电压）；当电源电压高于阈值电压时，电路的输出从高电平跳变为低电平，对电路进行保护；当电源电压再次下降到恢复电压以下时，电路的输出从低电平再次跳变为高电平（电源电压）。向a、b输入不同的数值，阈值电压的值发生改变，具体为a=0、b=0时，阈值电压为2.5V；a=0、b=1时，阈值电压为3.0V；a=1、b=0时，阈值电压为3.3V；a=1、b=0时，阈值电压为3.6V。电路的保护电压与恢复电压之间具有迟滞的特性。由图可以看出，电路的瞬态响应效果良好，反应时间小于1ms。5 结论本次IC课设，我们在CMOS差分输入电压放大器的原理上，在电路中引入交叉耦合负载，将其作为电压比较器，并采用内部正反馈来实现迟滞特性。基于0.18 m，3.3V CMOS工艺，使用Hspice对电路进行仿真分析，直流扫描的仿真结果表明，我们设计的过压保护电路已准确到达课题设计要求：电路在一定的电压范围内输出高电平，在高于保护电压阈值时输出低电平，从而在电压过高时对电路进行保护；当电压由高压降到恢复电压以下时，输出由低电平变为高电平；电路的保护阈值电压是可以调节的；电路的保护电压与恢复电压之间具有迟滞的特性。本次课设，我们采用了经典的CMOS差分输入放大器，参考了毕查得.拉扎维的 模拟CMOS集成电路设计等相关参考资料，得到了良好的仿真结果。6 心得体会6.1 IC课程设计的心得体会6.1 IC课程设计的具体分工致 谢参 考 文 献1 康光华.电子技术基础 模拟部分（第五版）.高等教育出版社，20032 毕查得.拉扎维.模拟CMOS集成电路设计.西安交通大学出版社，20033 RoubikGregorian.CMOS设计及应用.科学出版社，2014年7月 4 杜怀昌.CMOS集成电路原理与应用.国防工业出版社.2006年9月 5 陈莹梅.模拟集成电路EDA技术与设计.电子工业出版社.2014年3月附 录* 过压保护电路的仿真网表文件 *.Title all.OPTIONS list post node.lib c:synopsyshspice_b-2008.09qianqianc018mos.libtt VDD VDD 0 pwl(0 2 10u 5 20U 2)VREF VREF 0 DC=1.25VVa a 0 0VVb b 0 0V*Va a 0 PULSE (0 5 0 0.01n 0.01n 5n 10n)*Vb b 0 PULSE (0 5 0 0.01n 0.01n 10n 20n)* 2-4译码器 *MPH1 d1 a VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNH2 d1 a GND GND N_18_LL L=2U W=12U *MPH3 d2 b VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNH4 d2 b GND GND N_18_LL L=2U W=12U *MPH5 Y0 d1 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MPH6 Y0 d2 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNH7 Y0 d1 d3 GND N_18_LL L=2U W=12U MNH8 d3 d2 GND GND N_18_LL L=2U W=12U *MPH9 Y1 d1 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MPH10 Y1 b VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNH11 Y1 d1 d4 GND N_18_LL L=2U W=12U MNH12 d4 b GND GND N_18_LL L=2U W=12U *MPH13 Y2 a VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MPH14 Y2 d2 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNH15 Y2 a d5 GND N_18_LL L=2U W=12U MNH16 d5 d2 GND GND N_18_LL L=2U W=12U *MPH17 Y3 a VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MPH18 Y3 b VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNH19 Y3 a d6 GND N_18_LL L=2U W=12U MNH20 d6 b GND GND N_18_LL L=2U W=12U *电压采样*R1 VDD n1 165.94KR2 n1 n2 23.53KR3 n2 n3 14.65KR4 n3 n4 10KR5 n4 GND 53K* 4个传输门 *MPF1 FY0 Y0 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNF2 FY0 Y0 GND GND N_18_LL L=2U W=12UMPG1 VI Y0 n1 VDD P_18_LL L=2U W=12U MNG2 n1 FY0 VI GND N_18_LL L=2U W=12UMPF3 FY1 Y1 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNF4 FY1 Y1 GND GND N_18_LL L=2U W=12UMPG3 VI Y1 n2 VDD P_18_LL L=2U W=12U MNG4 n2 FY1 VI GND N_18_LL L=2U W=12UMPF5 FY2 Y2 VDD VDD P_18_LL L=2U W=12U MNF6 FY2 Y2 GND GND N_18_LL L=2U W=