高压无线核相器电路的性能指标
在通常的FET结构中,L和W是由器件的几何尺寸确定的,而沟道厚度T是两个耗尽层之间的距离。耗尽层的位置会随栅源偏置电压或漏源电压而变。耗尽层的位置会随栅源
偏置电压或漏源电压而变。当T在VGS和VDS的影响下减小到零时,两个对边的耗尽层就会连在一起,增加的沟道电阻(rDS(on))会接近无穷大。
图1是rDS(on)与VGS特性的关系曲线。区域1对应的是累积电荷不足以产生反向的情况。区域2对应的条件是有足够的电荷,使P区的一部分反向并形成沟道,但这还不够,因为“空间电荷”效应也是很重要的。区域3对应的是电荷有限的情况高压无线核相器同步的作用,当栅体电势升高时,rDS(on)没有明显变化。在充电泵把从输入级来的频率转换为直流电压时,此变换需外接定时电容C1和输出电阻R1以及积分电容或滤波电容C2,当输入级的输出改变状态时(这种情况可能发生在由于输入端上有合适的过零电压或差分输入电压时),定时电容在电压差为VCC/2的两电压值之间被线性地充电或放电,在输入频率信号的半周期中,定时电容上的电荷变化量为C1VCC/2,泵入电容中的平均电流或流出电容中的平均电流为:
△Q/T=iC(AVG)=fINC1VCC
输出电路把这一电流准确地送到负载电阻(输出电阻)R1中,R1电阻的另一端接地,这样脉冲式的电流被滤波电容积分,得到输出电压:般而言,转换器可以将输入电压提升至20V,并且能够向负载提供高至600mW的功率。输出电压由连接于Vout和地之间的R1/R2网络所提供的反馈来稳定。芯片设计中包含200mV 反馈检测,从而减小了总的损耗。
---+10V输出电压由二极管D2整流,*好选用肖特基器件,但是硅类器件亦可,因为我们只需满足低输出电流要求,储能电容为2.2μF(*好是陶瓷电容)。输出电容取决于输出负载电流,如果负载电流较大且要求较小纹波,则可以增大此电容。该电路设计为向+Vout提供5mA电流。-10V由类似电荷泵的技术产生,使用一个100nF 陶瓷电容由开关电压向负载提供能量。采用微型SOT563封装的双二极管,可使PCB布局简洁且占位面积有限高压无线核相器。当然,必须使用一个额外的2.2μF储能电容(*好是陶瓷电容)来适当滤除负极输出上的噪声。负极输出能够向负载提供-5mA电流,但是如果相应调整C2和C3的大小,则可以支持更大的负载。凌力尔特(Linear Technology)公司电源产品市场总监Tony Armstrong指出,近年来,电子器件在汽车中的占比迅速增高。汽车电子负载需要电源能够提供非常宽的电压工作范围。另外,在汽车电子中使用5~6个电源轨(比如1.8V、2.5V、3.3V和5V等)的情况已非常常见。凌力尔特针对汽车电子应用推出了3.2V至40V的宽输入电压范围降压型开关稳压器LT3504(图1)。它们的内部75mΩ阻值开关可以提供高达90%的效率。LT3975和LT3976的突发模式(Burst Mode)工作提供了超低静态电流。这一特点非常适用于汽车和工业系统应用,因为这类应用需要始终保持接通工作和*佳的电池续航时间。当输入电压降至低于所设定的输出电压时,这些器件可以保持为仅500mV的*小压差电压,从而应对汽车电子的冷车启动要求。判断级电路是比较器的核心,应该能分辨出毫伏量级的输入信号差。本文采用具有回滞效应的判断电路,这种结构使用正反馈结构来实现两个信号的比较,速度快、精度高,而且能抑制信号上的噪声。
该电路通过把M9 和M10管的栅极交叉互联,实现正反馈,以提高判断电路的增益。当时钟信号CLK为高电平时,判断电路的输出依赖于输入信号,比较器处于比较状态,在下一个时钟阶段,也就是时钟信号CLK为低电平时高压无线核相器,M13管截止,比较器停止比较,处于锁存状态,记下CLK为低电平时的比较器输入状态,把输出信号锁存为逻辑“1”或“0”。时钟信号CLK为高电平时。
此时判断级电路是一个双稳态交叉耦合电路。式中,δ21, 2是预运放输入差分对失调电压的标准差,δ23, 5是预运放负载管失凋电压的标准差; AVTN , AVTP ,AβN , AβP分别是NMOS管和PMOS管工艺模型中阈值电压的失配因子和电流的失配因子。从式( 6) 、(7) 、(8)可以看出,减小预运放输入差分对管和负载管的过驱动电压,并适当增加它们的面积可有效地减小输入失调电压。但同时增大了漏极电容,降低比较器的速度。因此,比较器的设计需要在功耗、速度和精度之间进行折中。
3 电路仿真
通过以上分析,使用Hsp ice进行仿真与优化高压无线核相器,*终确定比较器的核心电路(预运放与判断级电路)内各晶体管尺寸如表1所示。假设预放级1~3和锁存比较器的失调电压分别是Vos1、Vos2、Vos3、VosL,预放级1~3的增益分别为A1、A2、A3,开关S3、S4和 S5、S6注入到电容上的电荷失配量分别为△Q3,4、△Q5,6电容C1~C4的电容量都为C,则使用失调校准技术后,比较器的残余输入失调将为:
从式(1)看出,要达到0.2 mV的分辨率,还应根据锁存器的失调电压确定前置放大器的增益。由于锁存器的失调电压通常不会超过100 mV,因此总增益可确定为500。然后再来考虑增益分配问题。预放级1需要将0.2 mV的小信号输入迅速放大,所以预放级1的带宽要大。在一定增益带宽积的前提下。意味着增益要小,同时预放级1采用输出失调存储的失调校准技术,也要求预放级1增益要小,以避免因放大后的输入失调在电容C1、C2上饱和而达不到消除失调的效果。同时,预放级2、3采用输出失调存储的失调校准技术,输入的信号幅度也较大高压无线核相器,因此可采用较大的增益。*终确定预放级1的增益约为5,预放级2、3的增益约为10。Multisim是较为优良的电路仿真软件,它提供的虚拟仪器和分析方法不仅可以及时的看到电路的运行状态、测量电路的性能指标,而且设计和试验可以同步进行,能够完成各种类型的电路设计和试验[2]。本文基于Multisim10.1,用美国NS公司的LM339仿真和设计了三种比较器电路。