全cmos過(guò)溫保護(hù)電路設(shè)計(jì)分析

 第一部分

溫度保護(hù)電路設(shè)計(jì)

一.基本原理

如圖1所示，Q0的作用是檢測(cè)芯片工作溫度的。在正常情況下，三極管反射極的電位VE即比較器負(fù)端電位比正端電位高，比較器輸出低電平，芯片正常工作。當(dāng)溫度升高時(shí)，由于三極管EB結(jié)電壓的是負(fù)溫度系數(shù)，三極管發(fā)射極到基極的電壓VEB會(huì)降低，但是由于基極電位是基準(zhǔn)電壓VREFl，故三極管的發(fā)射極電壓即比較器的負(fù)端電位會(huì)降低。當(dāng)溫度超過(guò)翻轉(zhuǎn)閾值的時(shí)候，比較器負(fù)端電位會(huì)降到比正端的電位VREF2低，比較器就會(huì)輸出高電平，從而關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)器件，避免芯片被燒毀。遲滯產(chǎn)生電路的作用是在芯片正常工作和過(guò)溫時(shí)產(chǎn)生大小不同的電流，改變比較器的翻轉(zhuǎn)閾值。從而防止功率開(kāi)關(guān)器件在翻轉(zhuǎn)點(diǎn)頻繁開(kāi)啟和關(guān)斷。

圖1.溫度保護(hù)電路原理圖

二.電路實(shí)現(xiàn)

1.過(guò)溫保護(hù)功能的描述

當(dāng)管芯溫度超過(guò)160℃時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路輸出控制信號(hào)OUTPUT輸出為高電平;直到溫度降至140℃時(shí)，過(guò)溫保護(hù)電路輸出控制信號(hào)OUTPUT才重新變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖2.過(guò)溫保護(hù)實(shí)際電路

2.遲滯功能的實(shí)現(xiàn)

式中A0為三極管EB結(jié)電壓的溫度系數(shù)(常溫下該值約為一2mV/K)。 由于遲滯，只有當(dāng)溫度下降到比160“C低20”C的溫度，才能使VEB(OT)上升到使比較器翻轉(zhuǎn)。比較器翻轉(zhuǎn)后，輸出為低電平，M13管關(guān)閉，如果此時(shí)溫度在上升，VEB(Q0)必須上升到VEB(NOMAL)比較器才會(huì)再次翻轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)遲滯。

3.比較器的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖2，比較器是一個(gè)兩級(jí)比較器，第一級(jí)采用有源電流鏡負(fù)載的差動(dòng)放大器，第二級(jí)采用電流源負(fù)載共源級(jí)放大器。當(dāng)VEB(Q0)《VREF時(shí)，OUT翻轉(zhuǎn)為高電平。反之，輸出為低電平。為了得到較高的分辨率，需要比較器有較高的增益。下面分析該比較器的增益。

從上面對(duì)增益的推導(dǎo)中可知該比較器的增益足夠高，滿足高分辨率的要求。

三.各個(gè)管子的功能介紹

如圖2所示，M3、M4以及Q0構(gòu)成了溫度檢驗(yàn)電路，其中M1、M2是低壓工作的電流鏡提供了I1，由于三極管VEB具有負(fù)溫度系數(shù)，基本隨溫度升高而線性減小，所以VEB可以檢測(cè)溫度。為了提高放大倍數(shù)以及輸出擺幅，比較器采用兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成。M5、M6、M11、M12、M16、M17構(gòu)成了有源電流鏡負(fù)載的第一級(jí)差動(dòng)放大器，其中M5、M6是低壓工作的電流鏡，M16、M17是有源電流鏡負(fù)載。M0～M2構(gòu)成第二級(jí)共源級(jí)放大器，M1～M2是低壓共源共柵電流鏡提供尾電流。M7、M8為低壓共源共柵電流鏡提供偏置，M14、M19與M22構(gòu)成共源共柵電流鏡，將基準(zhǔn)電流鏡像過(guò)來(lái)作為電流源。M15、M20為M14的柵壓提供偏置。M9與M10，M21與M22分別構(gòu)成電流鏡。M13、M18是遲滯產(chǎn)生電路，OUTPUT為低電平，M13管關(guān)斷，反饋回路不抽取電流，三極管IE=I1;

OUTPUT為高電平，M13管打開(kāi)，反饋回路抽取電流I2(I2大小取決于M18、M22構(gòu)成的電流鏡)。

四.器件參數(shù)設(shè)計(jì)

整體靜態(tài)電流指標(biāo)：(VDD=2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃條件下)《60μA，由于電流源要輸出10μA電流剩下50μA分配20μA給電流源電路，剩下30μA給過(guò)溫保護(hù)電路。

1.過(guò)溫保護(hù)電路器件參數(shù)設(shè)計(jì)

電流提供的基準(zhǔn)電流設(shè)定為5μA，過(guò)溫保護(hù)電路有6條支路初步初步每條支路分配5μA，即I1=5μA

① 確定VREF的值

斷開(kāi)反饋回路，用理想電流源ISS代替I2。當(dāng)ISS=5μA時(shí)，對(duì)電路進(jìn)行直流溫度掃描，掃描區(qū)間從-40℃-200℃，步長(zhǎng)1℃，觀察三極管Q0的VEB。 140℃時(shí)，VEB=375.8mV。所以初步設(shè)定VREF=375.8mV。

② 確定反饋抽取電流I2

斷開(kāi)反饋回路，用理想電流源ISS代替I2。對(duì)ISS進(jìn)行參數(shù)掃描，觀察VEB=375.8mV所對(duì)應(yīng)的溫度。 ISS=1μA～5μA，步長(zhǎng)1μA： ISS=1μA T=133.41℃ ISS=2μA T=144.44℃

ISS=1μA～2μA，步長(zhǎng)0.1μA： ISS=1.5μA T=139.79℃ ISS=1.6μA T=140.83℃

ISS=1.5μA～1.6μA，步長(zhǎng)0.01μA： ISS=1.51μA T=139.9℃ ISS=1.52μA T=140.01℃

若管子M22的寬長(zhǎng)比取為2，溝道長(zhǎng)度取1μA，并聯(lián)管字?jǐn)?shù)取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=4，則M18的寬長(zhǎng)比取為2，溝道長(zhǎng)度取1μA，并聯(lián)管子數(shù)取為3，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=3

所以，初步確定反饋抽取的電流I2=5μA -1.52μA=3.48μA 從而可以確定M18管與M22管的寬長(zhǎng)比

若管子M22的寬長(zhǎng)比取為2，溝道長(zhǎng)度取1μA，并聯(lián)管字?jǐn)?shù)取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=4，則M18的寬長(zhǎng)比取為2，溝道長(zhǎng)度取1μA，并聯(lián)管子數(shù)取為3，即Wn=2μA，Ln= 1μA，MuTIply=3

③ 作為電流鏡的管子的參數(shù)選取

由于每條支路的電流都相等，所以相關(guān)的管子參數(shù)取成相同即可。 N型管子(M21，M22)：Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=4; P型管子(M9，M10)：Wp=1μA，Lp=1.1μA，Mutiply=2; 低壓共源共柵電流鏡的管子(M1～M6)：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1; 為低壓共源共柵電流鏡提供偏置的管子(M7，M8)：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1;

共源共柵電流鏡的管子(M14，M19)：M19的參數(shù)與M22相同， M14的參數(shù)可取Wn=10μA，Ln= 1μA，Mutiply=1;

為共源共柵電流鏡提供偏置的管子(M15，M20)：M15參數(shù)可與M14取成相同，M22與M19取成相同，將M14的柵壓偏置為VGS20+VGS15。

④ 兩級(jí)運(yùn)放的參數(shù)選取

第一級(jí)(M11、M12、M16、M17)：M11、M12，Wn=40μA，Ln= 1μA，Mutiply=1;M116、M117，Wn=20μA，Ln= 1μA，Mutiply=1;

第二級(jí)(M0，M1，M2)：M0的參數(shù)確定應(yīng)依據(jù)反相器的輸入特性，滿足

⑤ 反饋回路參數(shù)確定

M18的參數(shù)已根據(jù)反饋回路抽取的電流確定;M13的參數(shù)確定應(yīng)依據(jù)反相器的輸出特性，滿足

第二部分

電流源設(shè)計(jì)

一.電流源電路原理

設(shè)計(jì)電路圖如下

圖3.電流源實(shí)際電路

首先由1，2支路產(chǎn)生PTAT電流，經(jīng)過(guò)3支路產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，再由4支路轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)電流。5，6支路為4支路電流的鏡像。

由于X，Y點(diǎn)電位以及1，2支路電流相等，則：

因此只要I3為正的溫度系數(shù)，VBE為負(fù)的溫度系數(shù)，調(diào)節(jié)R2則在一定溫度范圍內(nèi)VM的溫度系數(shù)可以很小(這里忽略電阻溫度系數(shù))。

調(diào)節(jié)支路3，4MOS管的寬長(zhǎng)比，可使N電位與M點(diǎn)相同則4支路電流：

I4即為溫度系數(shù)很小的電流，注意到I12與電壓源無(wú)關(guān)，則得到的I4也于電壓源無(wú)關(guān)，這樣再由電流鏡鏡像可得到不同電流值的基準(zhǔn)電流。

二.器件參數(shù)估算

①電流分配：

②參數(shù)計(jì)算(300K)

第三部分

仿真結(jié)果與分析驗(yàn)證

設(shè)計(jì)指標(biāo)

按照以上設(shè)計(jì)的電路，用HSPICE軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，器件模型參數(shù)采用0.5μM的CMOS工藝。仿真結(jié)果如下。

1. 整體靜態(tài)工作電流

整體靜態(tài)工作電流大致可分為三個(gè)區(qū)間 VDD=0～1V，截止區(qū)，總靜態(tài)工作電流為0;

VDD=1～2.5V，線性區(qū)，總靜態(tài)工作電流快速線性增長(zhǎng); VDD=2.5～5.5V，工作區(qū)，總靜態(tài)工作電流比較穩(wěn)定，隨電壓的增加緩慢增長(zhǎng)。

在工作區(qū)，總的靜態(tài)電流IQ=48～58μA，基本滿足設(shè)計(jì)要求(《60μA)。

2. 電流源溫度特性

3. 電流源電壓特性

電流源隨電壓變化大致可分為三個(gè)區(qū)間 VDD=0～1V，截止區(qū)，IREF為0;

VDD=1～2.5V，線性區(qū)，IREF快速線性增長(zhǎng);

VDD=2.5～5.5V，工作區(qū)，IREF比較穩(wěn)定，隨電壓的增加緩慢增長(zhǎng)。 在工作區(qū)， IREF=9～10.5μA，基本滿足設(shè)計(jì)要求(IREF=10±2μA)

4.整體電路工藝穩(wěn)定性

如圖所示整體電路工藝穩(wěn)定性比較好，取不同的工藝角進(jìn)行仿真時(shí)，上升翻轉(zhuǎn)溫度為158～162℃，符合設(shè)計(jì)要求(160±5℃);下降翻轉(zhuǎn)溫度為139～142℃，符合設(shè)計(jì)要求(140±5℃)。

第四部分

設(shè)計(jì)總結(jié)

我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中將溫度保護(hù)的參考電路進(jìn)行了修改，將反饋回路改為直接抽取三極管發(fā)射極的電流，這樣差動(dòng)放大器上的兩個(gè)電阻也可以去除，使電路原理更加簡(jiǎn)單而且簡(jiǎn)化了電路。另外，通過(guò)將反饋回路M13管改為N管(參考電路為P管)，節(jié)省了一個(gè)反相器。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝上容易實(shí)現(xiàn)，而且對(duì)電源電壓、工藝參數(shù)變化引起的溫度閾值的漂移具有較強(qiáng)的抑制能力。HSPICE仿真結(jié)果表明，該電路關(guān)斷和恢復(fù)閾值點(diǎn)準(zhǔn)確，遲滯的大小可以調(diào)節(jié)，很好的實(shí)現(xiàn)了過(guò)溫保護(hù)的功能，各項(xiàng)指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求。

在此次設(shè)計(jì)中，我們也遇到了很多困難。一些基礎(chǔ)知識(shí)掌握的不是很牢固，手工計(jì)算的結(jié)果與仿真的結(jié)果差距比較大。在溫度保護(hù)電路中起初我們對(duì)于遲滯比較器的反饋電路的原理無(wú)法理解，通過(guò)討論仍然無(wú)法解決，我們認(rèn)為這是設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的問(wèn)題，而電流源部分由于帶隙基準(zhǔn)學(xué)過(guò)，也做過(guò)CAD實(shí)驗(yàn)，所以認(rèn)為問(wèn)題不大。可是實(shí)際情況與預(yù)料的恰恰相反。遲滯比較器的反饋部分通過(guò)改變電路結(jié)構(gòu)一下解決了，但電流源卻一直調(diào)試不出。原以為不是很重要的啟動(dòng)電路部分，大大影響了電流源的性能。所以最后我們只能抽出兩人調(diào)電流源。最后在大家通力合作下終于完成了?？梢?jiàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)整體，電路的任何一個(gè)我們看來(lái)不重要的部分都會(huì)影響整體的性能。一個(gè)部分性能的非常突出，對(duì)整體性能的影響不大;但如果一個(gè)地方性能不好，整體的性能都會(huì)變差。所以模擬電路設(shè)計(jì)不是要把一個(gè)部分做的最好，而是將各個(gè)部分協(xié)調(diào)好;不是把一個(gè)指標(biāo)做到最好，而是將各個(gè)指標(biāo)協(xié)調(diào)好，都滿足設(shè)計(jì)要求即可，有時(shí)不能追求盡善盡美。另外，也體會(huì)到了合作的重要性。溫度保護(hù)電路調(diào)好后，由于電流源還沒(méi)調(diào)好，所以無(wú)法進(jìn)行最終調(diào)試。由于電流是否穩(wěn)定會(huì)大大影響翻轉(zhuǎn)電平的穩(wěn)定，所以一環(huán)扣一環(huán)，無(wú)法進(jìn)行最后調(diào)試，就不能最終調(diào)試溫度保護(hù)電路。所以我們體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。這意味著我們的工作不僅影響他人的工作，更加基于他人的工作