第一部分

　　溫度保護(hù)電路設(shè)計

　　一．基本原理

　　如圖1所示，Q0的作用是檢測芯片工作溫度的。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，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)端電位會降低。當(dāng)溫度超過翻轉(zhuǎn)閾值的時候，比較器負(fù)端電位會降到比正端的電位VREF2低，比較器就會輸出高電平，從而關(guān)斷功率開關(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溫時產(chǎn)生大小不同的電流，改變比較器的翻轉(zhuǎn)閾值。從而防止功率開關(guān)器件在翻轉(zhuǎn)點(diǎn)頻繁開啟和關(guān)斷。

　　圖1.溫度保護(hù)電路原理圖

　　二．電路實(shí)現(xiàn)

　　1．過溫保護(hù)功能的描述

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

　　圖2.過溫保護(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，如果此時溫度在上升，VEB（Q0）必須上升到VEB（NOMAL）比較器才會再次翻轉(zhuǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)遲滯。

　　3．比較器的實(shí)現(xiàn)

　　根據(jù)圖2，比較器是一個兩級比較器，第一級采用有源電流鏡負(fù)載的差動放大器，第二級采用電流源負(fù)載共源級放大器。當(dāng)VEB（Q0）《VREF時，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可以檢測溫度。為了提高放大倍數(shù)以及輸出擺幅，比較器采用兩級運(yùn)放構(gòu)成。M5、M6、M11、M12、M16、M17構(gòu)成了有源電流鏡負(fù)載的第一級差動放大器，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)成第二級共源級放大器，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)電流鏡像過來作為電流源。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，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

　　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給過溫保護(hù)電路。

1.過溫保護(hù)電路器件參數(shù)設(shè)計

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

　?、?確定VREF的值

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

　　② 確定反饋抽取電流I2

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

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

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

　　若管子M22的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯(lián)管字?jǐn)?shù)取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=4，則M18的寬長比取為2，溝道長度取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管的寬長比

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

　?、?兩級運(yùn)放的參數(shù)選取

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

　　第二級（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

　　一．電流源電路原理

　　設(shè)計電路圖如下

　　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?。ㄟ@里忽略電阻溫度系數(shù)）。

　　調(diào)節(jié)支路3，4MOS管的寬長比，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與電壓源無關(guān)，則得到的I4也于電壓源無關(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：

　?、趨?shù)計算（300K）

　　第三部分

　　仿真結(jié)果與分析驗(yàn)證

　　設(shè)計指標(biāo)

　　按照以上設(shè)計的電路，用HSPICE軟件對其進(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； 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。

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

　　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。 在工作區(qū)， IREF=9～10.5μA，基本滿足設(shè)計要求（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，上升翻轉(zhuǎn)溫度為158～162℃，符合設(shè)計要求（160±5℃）；下降翻轉(zhuǎn)溫度為139～142℃，符合設(shè)計要求（140±5℃）。

　　第四部分

　　設(shè)計總結(jié)

　　我們在設(shè)計的過程中將溫度保護(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，這樣差動放大器上的兩個電阻也可以去除，使電路原理更加簡單而且簡化了電路。另外，通過將反饋回路M13管改為N管（參考電路為P管），節(jié)省了一個反相器。這樣不僅結(jié)構(gòu)簡單，工藝上容易實(shí)現(xiàn)，而且對電源電壓、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)了過溫保護(hù)的功能，各項指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求。

　　在此次設(shè)計中，我們也遇到了很多困難。一些基礎(chǔ)知識掌握的不是很牢固，手工計算的結(jié)果與仿真的結(jié)果差距比較大。在溫度保護(hù)電路中起初我們對于遲滯比較器的反饋電路的原理無法理解，通過討論仍然無法解決，我們認(rèn)為這是設(shè)計中最關(guān)鍵的問題，而電流源部分由于帶隙基準(zhǔn)學(xué)過，也做過CAD實(shí)驗(yàn)，所以認(rèn)為問題不大?？墒菍?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?？梢娫O(shè)計是一個整體，電路的任何一個我們看來不重要的部分都會影響整體的性能。一個部分性能的非常突出，對整體性能的影響不大；但如果一個地方性能不好，整體的性能都會變差。所以模擬電路設(shè)計不是要把一個部分做的最好，而是將各個部分協(xié)調(diào)好；不是把一個指標(biāo)做到最好，而是將各個指標(biāo)協(xié)調(diào)好，都滿足設(shè)計要求即可，有時不能追求盡善盡美。另外，也體會到了合作的重要性。溫度保護(hù)電路調(diào)好后，由于電流源還沒調(diào)好，所以無法進(jìn)行最終調(diào)試。由于電流是否穩(wěn)定會大大影響翻轉(zhuǎn)電平的穩(wěn)定，所以一環(huán)扣一環(huán)，無法進(jìn)行最后調(diào)試，就不能最終調(diào)試溫度保護(hù)電路。所以我們體會到了團(tuán)隊合作的重要性。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