論文題目：PWM比較器電路仿真設計I摘要脈沖寬度調制（PWM）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，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字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。本文通過對PWM發展現狀的了解，在掌握PWM反相器原理的基礎上，比較分析了幾種常見的比較器電路結構，根據PWM中對比較器的性能要求，設計了一種具有高增益和適當帶寬、小的失調電壓、在低功耗情況下具有較短響應時間的比較器；利用集成電路EDA設計軟件，對各子模塊電路進行了參數設計及仿真分析，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。本文所設計PWM比較器的增益達80dB以上，總版圖面積為5674um2。關鍵詞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的發展現狀及應用領域.11.3PWM技術.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幾種常見比較器結構.82.1.1反相比較器.92.1.2二級比較器.92.1.3可驅動大電容性負載的比較器.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.122.2.1增益.122.2.2失調電壓.132.2.3時延.14第三章PWM比較器設計.173.1設計指標.173.2電流鏡的設計.183.3前置差分放大電路設計.203.4中間級放大器設計.223.5輸出級設計.223.6PWM比較器整體電路.24第四章仿真結果及分析.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結論.32參考文獻.33附錄一電流鏡相關網表.35附錄二其他模塊仿真網表.36附錄三比較器仿真網表.38致謝.41PWM比較器電路仿真設計1第一章引言1.1PWM介紹脈沖寬度調制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，可變電阻是通過改變其接入電路的電阻值來控制負載的電流或者電壓值，來達到控制效果，而PWM則是通過數字編碼（調制頻率），對模擬信號電平進行調制來達到控制效果。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生放大信號（但是從放大器輸出的電壓信號通常不穩定），這個放大信號與三角波信號發生器產生的鋸齒波進行比較，產生PWM控制信號，可以通過改變三角波的頻率來實現對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，在輸出端產生高低電平的方波信號，方便于應用，但要求比較器的時延低，增益大等。1.2PWM的發展現狀及應用領域隨著工藝的發展，比較器得到了前所未有的研究和開發，其性能指標主要有共模輸入范圍、增益、失調電壓、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，利用浮柵PFET作為電荷存儲單元，設計出一中可消除失調電壓的非易失性電壓比較器。李彥旭等利用鍺硅BiCMOS級數，設計出了失調電壓為10uV、頻率為10Mhz的動態高速比較器。還有一種所謂后臺校準級數，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計思路1。PWM比較器電路仿真設計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，而是對所有參數的綜合考慮，目前研究主要是專注于靜態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，也是每個設計研究者所想要達到的目的。脈寬調制(PWM)是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。1PWM在模擬電路中的應用模擬電路模擬信號的值可以連續變化，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，而是隨時間發生變化，并可取任何實數值。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。模擬信號與數字信號的區別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內，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；流經這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。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，因而難以調節。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備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發熱，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在數字電路中的應用數字控制通過以數字方式控制模擬電路，可以大幅度降低系統的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經在芯片上包含了PWM控制器，這使數字控制的實現變得更加容易了。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調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)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，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。大多數負載(無論是電感性負載還PWM比較器電路仿真設計3是電容性負載)需要的調制頻率高于10Hz。設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秒鐘內將點亮，在下一個5秒鐘內將熄滅。要讓燈泡取得4.5V電壓的供電效果，通斷循環周期與負載對開關狀態變化的響應時間相比必須足夠短。要想取得調光燈(但保持點亮)的效果，必須提高調制頻率。在其他PWM應用場合也有同樣的要求。通常調制頻率為1kHz到200kHz之間。硬件控制器許多微控制器內部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內含兩個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；調制頻率為周期的倒數。執行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作：設置提供調制方波的片上定時器/計數器的周期，在PWM控制寄存器中設置接通時間，設置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控制器在編程細節上會有所不同，但它們的基本思想通常是相同的。1.3PWM技術PWM控制的基本原理很早就已經提出，但是受電力電子器件發展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現和迅速發展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發展以及各種新的理論方法，如現代控制理論、非線性系統控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發展。到目前為止，已出現了多種PWM控制技術，根據PWM控制技術的特點，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)控制技術來實現的，其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。等脈寬PWM法正是為了克服