畢業(yè)設(shè)計（論文）-PWM比較器電路仿真設(shè)計.doc

論文題目：PWM比較器電路仿真設(shè)計I摘要脈沖寬度調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。本文通過對PWM發(fā)展現(xiàn)狀的了解，在掌握PWM反相器原理的基礎(chǔ)上，比較分析了幾種常見的比較器電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)PWM中對比較器的性能要求，設(shè)計了一種具有高增益和適當(dāng)帶寬、小的失調(diào)電壓、在低功耗情況下具有較短響應(yīng)時間的比較器；利用集成電路EDA設(shè)計軟件，對各子模塊電路進行了參數(shù)設(shè)計及仿真分析，同時進行了PWM比較器整體電路的仿真，并繪制了整體的電路版圖。本文所設(shè)計PWM比較器的增益達80dB以上，總版圖面積為5674um2。關(guān)鍵詞PWM；比較器；增益；時延IIAbstractPWMisinEnglishPulseWidthModulationabbreviation,Itisuseddigitaloutputofmicroprocessortocontroloftheanalogcircuitthisisaveryeffectivetechnology,Usedforeverythingfrommeasuring,communicationstopowercontrolandconversionofmanyareas.PWMisananalogcontrolmethod,Thechangesundertheappropriateloadmodulationtransistorgateorbasebias,Toachievetheswitchingpowersupplyoutputtransistorsortransistorconductiontimechange,Thisapproachenablesmakethepowersupplyoutputvoltagechangesinworkingconditions,constant,Itisuseddigitaloutputtomicroprocessortocontroloftheanalogcircuitaveryeffectivetechnique.ThispaperisbasedonthePWMcomparatorDevelopmentofunderstanding.InthecontrolbasedonPWMprinciple,Comparativeanalysisofseveralcommoncomparatorcircuitstructure,PWMcomparatorbasedonperformancerequirements,Designasuitablebandwidth,highgainandsmalloffsetvoltage,lowpowerconsumptionincaseofashortresponsetimecomparator；UsingintegratedcircuitdesignEDAsoftware,eachofsub-modulecircuitdesignandsimulationparameters,PWMcomparatorandtheoverallsimulationofthewholecircuit.PWMcomparatordesigninthispapergainofupto100dB.Fortheoveralllayoutofthedrawing,thetotallayoutareas5674um2.KeywordsPWM；comparator；gain；delay目錄摘要.IAbstract.II第一章引言.11.1PWM介紹.11.2PWM的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域.11.3PWM技術(shù).31.4論文背景和選題意義.51.5本論文主要工作.6第二章PWM比較器.82.1幾種常見比較器結(jié)構(gòu).82.1.1反相比較器.92.1.2二級比較器.92.1.3可驅(qū)動大電容性負(fù)載的比較器.102.1.4遲滯比較器.102.1.5離散時間比較器.112.2比較器參數(shù).122.2.1增益.122.2.2失調(diào)電壓.132.2.3時延.14第三章PWM比較器設(shè)計.173.1設(shè)計指標(biāo).173.2電流鏡的設(shè)計.183.3前置差分放大電路設(shè)計.203.4中間級放大器設(shè)計.223.5輸出級設(shè)計.223.6PWM比較器整體電路.24第四章仿真結(jié)果及分析.264.1電流鏡的仿真及分析.264.2PWM比較器的整體仿真及分析.274.3其他模塊的仿真分析.294.4PWM比較器整體電路版圖.30結(jié)論.32參考文獻.33附錄一電流鏡相關(guān)網(wǎng)表.35附錄二其他模塊仿真網(wǎng)表.36附錄三比較器仿真網(wǎng)表.38致謝.41PWM比較器電路仿真設(shè)計1第一章引言1.1PWM介紹脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，可變電阻是通過改變其接入電路的電阻值來控制負(fù)載的電流或者電壓值，來達到控制效果，而PWM則是通過數(shù)字編碼（調(diào)制頻率），對模擬信號電平進行調(diào)制來達到控制效果。圖1-1PWM方式原理圖如圖1-1所示，從輸入端輸入電壓信號和參考電壓信號通過放大器進行放大產(chǎn)生放大信號（但是從放大器輸出的電壓信號通常不穩(wěn)定），這個放大信號與三角波信號發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波進行比較，產(chǎn)生PWM控制信號，可以通過改變?nèi)遣ǖ念l率來實現(xiàn)對PWM信號的控制。PWM比較器通過對兩個輸入電壓進行比較，通常保持一端輸入電壓不變，另一端輸入電壓可以是鋸齒波或正弦波，通過PWM比較器的比較，在輸出端產(chǎn)生高低電平的方波信號，方便于應(yīng)用，但要求比較器的時延低，增益大等。1.2PWM的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域隨著工藝的發(fā)展，比較器得到了前所未有的研究和開發(fā)，其性能指標(biāo)主要有共模輸入范圍、增益、失調(diào)電壓、傳輸時延、擺率、帶寬、比較精度等。目前，比較器的研究主要集中在下面兩個方面：降低失調(diào)電壓和提高電路速度。MarcH.Cihen、PamelaA等提出了一種可編程的浮柵機構(gòu)，利用浮柵PFET作為電荷存儲單元，設(shè)計出一中可消除失調(diào)電壓的非易失性電壓比較器。李彥旭等利用鍺硅BiCMOS級數(shù)，設(shè)計出了失調(diào)電壓為10uV、頻率為10Mhz的動態(tài)高速比較器。還有一種所謂后臺校準(zhǔn)級數(shù)，在不影響ADC采樣的情況下，通過比較器的二進制輸出反饋校正比較器的失調(diào)電壓。吳曉波等人利用兩個寬長比不相等的跳變電壓的比較器，為PWM比較器的研究提出了一種新穎的設(shè)計思路1。PWM比較器電路仿真設(shè)計2對于適用與PWM中的比較器的研究，并不是單一的集中在哪個特性上面，而是對所有參數(shù)的綜合考慮，目前研究主要是專注于靜態(tài)功耗特性和時延特性上面，畢竟，比較器的增益通過增加放大電路很容易達到很高，一般的失調(diào)電壓也很低。如何在高增益條件下取得低時延和低功耗將是研究的重點，也是每個設(shè)計研究者所想要達到的目的。脈寬調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。1PWM在模擬電路中的應(yīng)用模擬電路模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在0V,5V這一集合中取值。模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變小；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。2PWM在數(shù)字電路中的應(yīng)用數(shù)字控制通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。大多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還PWM比較器電路仿真設(shè)計3是電容性負(fù)載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz。設(shè)想一下如果燈泡先接通5秒再斷開5秒，然后再接通、再斷開。占空比仍然是50%，但燈泡在頭5秒鐘內(nèi)將點亮，在下一個5秒鐘內(nèi)將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對開關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時間相比必須足夠短。要想取得調(diào)光燈(但保持點亮)的效果，必須提高調(diào)制頻率。在其他PWM應(yīng)用場合也有同樣的要求。通常調(diào)制頻率為1kHz到200kHz之間。硬件控制器許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：設(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期，在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時間，設(shè)置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳，啟動定時器，使能PWM控制器雖然具體的PWM控制器在編程細(xì)節(jié)上會有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。1.3PWM技術(shù)PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì)80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀(jì)80年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。到目前為止，已出現(xiàn)了多種PWM控制技術(shù)，根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點，到目前為止主要有以下幾種類方法。1.等脈寬PWM法VVVF(VariableVoltageVariableFrequency)裝置在早期是采用PAM(PulseAmplitudeModulation)控制技術(shù)來實現(xiàn)的，其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓。等脈寬PWM法正是為了克服