过压保护电路的设计

1、题目：过压保护电路的设计院（系）：自动化学院专业班：姓 名：学 号：指导教师：2014 年 9 月摘要本文提出了一种高性能过压保护电路的设计，该电路由阈值改变电路、电阻分 压电路、高精度迟滞比较器组成。它利用高精度迟滞比较器的输出信号控制 MOS 管 的通断，有效的避免了电路振荡，成功实现了过压的电路保护。保护电压的阈值可 由二四译码器进行选择。基于0.18口m, 3.3V CMOS工艺，对提出的电路进行了仿 真验证，结果表明此电路具有保护效果好，响应速度快等特点。关键词：CMOS；过压保护；迟滞比较；阈值调节AbstractThis paper presents a design of a high performance overvoltage protection circuit ,including the threshold changing circuit ,resistive division and high-precision hysteresis comparator . It uses the output signal to control the MOS in

2、 order to introduce hysteresis thus avoiding possible oscillation ,successfully complete the overvoltage protection . Protections threshold voltage can be selected two-four decoder . Based on 0.18pm CMOS process, the proposed circuit has been verified, the simulation results given by Hspice show that the detection circuit has high accuracy, quick response and soonKey Words：CMOS; Over voltage Protection; Hysteresis comparable; Threshold adjustment目录摘 要 2ABSTRACT 31 选题背景 61.1 本课题的意义 61.2 CMOS 差分输入

3、比较器的原理 62 电路设计 92.1 迟滞比较器的设计 92.2 分压电路的设计 112.3 阈值调节电路的设计 132.4 总体电路设计 153参数计算 163.1课题要求参数 163.2分压电路参数 163.3过压保护电路参数 173.4其他 MOS 管参数 173.5确定每个元件的参数 184HSPICE 仿真结果分析 214.1 单个 MOS 管的扫描仿真 214.2过压保护模块的扫描仿真 214.3阈值调节模块的扫描仿真 224.4电压采样模块的扫描仿真 234.5系统的直流扫描仿真 235结论 266心得体会 276.1 IC课程设计的心得体会276.1 IC课程设计的具体分工27致谢 28参考文献29附录1 选题背景1.1 本课题的意义随着科学技术的发展，电力/电子产品日益多样化、复杂化，在各类电子产品中, 设置过电流保护和过电压保护元件的趋势日益增强，电源管理已广泛的应用于便携 式电子产品中，如MP3手机、笔记本、PDA等。为了提高电源管理的可靠性，所以 通常会引入一些欠压、过压、过流、过温等保护电路。无论是在以微处理器（MPU） 或单片机（MCU）为基础的系统，还是

4、在各类电子仪器仪表，家用电器产品中，欠 压、过压检测器主要用来监视系统的供电电压。当供电电压过低或过高时，均输出 一个控制信号以启动相关保护电路，避免系统部件产生损坏，确保其正常运行。过 压保护主要是防止过电压或静电放电对电子元器件的损坏，被广泛地应用于电话机、 传真机及高速传输接口 （USB,IEEE1394,HDMI,SATA）等各种电子系统产品，尤其是电 子通讯设备,对于如何避免因为电压异常或静电放电而对电子备造成伤害损失尤为 重要。1.2 CMOS 差分输入比较器的原理电压比较器是一种常用的集成电路。它可用于报警器电路、自动控制电路、测量 技术，也可用于V/F变换电路、A/D变换电路、高速采样电路、电源电压监测电路、 振荡器及压控振荡器电路、过零检测电路等。电压比较器是对两个模拟电压比较其 大小（也有两个数字电压比较的，这里不介绍），并判断出其中哪一个电压高。图1 为电流镜负载差分比较器电路：M3 ( M4VBIASo M5图1电流镣负载差分比较器电路NMOS器件Ml和M2作为差分对管，P沟道器件M3, M4组成电流源负载。电流 提供差分放大器的工作电流。如果M3和M4相匹配，

5、那么M1电流的大小就决定了 M3 电流的大小。这个电流将镜像到M4。如果1二二二二，则Ml和M2的电流相同。如 果：=：；，由于匚二-二一-二，二：相对二：要增加。订的增加意味着二和二=也 增大。当输入差动小信号时，vp = -vn：(1) 左边电路：二二 f Tjl -二 I - lf - 1二1(2) 右边电路：二I -； f从输出端来看，由于|二！减小以及匚工增大，其综合效果是使输出电压二二上 升，从而实现了信号电压的放大。假设Ml和M2差分对总工作在饱和状态，则可推导出其大信号特性。描述大信 号性能的相应关系如下：1. NMOS管电流公式：1 AV咕=-kn Cox -) (Vcs - VTH2( 1 AVds)2. 当MOS处于饱和区域时有如下公式: 跳变电压：跨导：爲=即do討d() = 2Il/(Vcs- VTJ = nCOx(Y)(VCS_VTH)P管和N管中，需从lib库文件中读取在差分输入电压放大器的原理上，我们在电路中引入交叉耦合负载，将其作为电 压比较器，并采用内部正反馈来实现迟滞特性。请见下一节的电路设计部分。2电路设计2.1迟滞比较器的设计比较器实现迟滞的方

6、法很多，它们都有不同的正反馈。这里我们采用图2所 示的差分输入级加迟滞的比较器：|*|4Vbias4.;4._卜i:I=I:I.1+r图2带有滞回功能的比较器完整电路图十汁n4 II inimiBiiia in !： iii i in i*(, ii it iii农 it iiiiiii i wiiii in in iiii4aiiiiBii4Biii* 4iiiaiii4 f，*0* 图2所示电路中，正输入端V连接到地（或者其他任何参考电压均可），晶体管 Q2的栅极V连接到远小于零的负电源。因此，晶体管Q2管段，Q1开启，所有的尾 电流10流过晶体管Q1和Q3。流过晶体管Q2, Q4,Q5和Q6的电流均为零，节点电压 V为高，节点电压V为低。下一步，假设输入电压V逐步增大，则晶体管Q2逐渐开 启，部分尾电流I0开始流过晶体管Q2.这一过程将持续至晶体管Q2和晶体管Q5电 流相等。在这种情况下，输入电压的任意增加都会导致比较器进入开关状态，使得晶体管Q1关断，所有的尾电流流过晶体管Q2，在输出状态的切换点上，假设流经晶 体管Q1和晶体管Q2的电流分别为II和12，那么具有以下关系：可以

7、计算得到:VTn+jv现在，晶体管Q1和Q2的栅极电压（Vgs）可以利用漏电流计算得到:1在上面的等式中，I2I1,因此Vgs2Vgsl,因为晶体管Q1的栅极连接到地，Vgsl 和Vgs2之间的差距是正向触发，即可以表示为：11利用式和式，并且二:，式可以简化为:1 101 冷kVl + ct2当输入信号不断增大到超过三,比较器输出状态切换，.一变为低电平，； 变为高电平。现在，晶体管Q2开启，晶体管Q1关断，所有的尾电流10流经晶体管Q2和Q4。流经Q1，Q3，Q5和Q6的电流则为零。下一步分析输入信号:从大到小的过程。晶体管Q2的电流开始减小，晶体管Q1逐步开启，导通电流。与输入电压U逐步增大的情况类似，可以证明负向触发点仍然出现在11=16的情况下。经过计算，负向触发二壬可以表示为:滞回电压可以计算为:Io vot 1 |k (%)详其中，二：二 J-飞二。具有滞回功能的比较器完整电路如图2所示，比较器由具有正反馈环路的源极 耦合差分和差分转单端电路构成。该电路中，工二工；_. =-二大于1,那么滞回电压可以由式计算得到。2.2分压电路的设计为了将电源电压与带隙基准电压4壬相比较

8、，需要对电源电压进行分压处理。这里采用电阻网络对电源电压分压，分别得到过压保护比较电路的输入电压，分压原 理如图3所示：取参考电压VREF=1.25V进行比较。设过压电路输入阈值电压为厂，计算公式如下：2 _VREF_VjnRi + % V Vdd2.3阈值调节电路的设计为了使电路的保护阈值电压可调节，选择不同的电阻进行分压，得到不同的输入 电压。具体原理如图4所示：图4阈值调节电路+ R?+Rd %. ViR丄+ R+ 险+ rJ%+陀_ VREF _Vr_ 百+险+ % VI2 +%_ REF _ v3Ri + R+险+ %-v13 Vdd Vxif _ V4R丄+ RRm +险+ R飞叮这里选择二四译码器来选择阈值电压。LJ3A通过A、B的不同组合，可得到四种不同的保护阈值电压。2.4总体电路设计经过以上三步设计，将以上三级电路进行综合，便得到过压保护电路的总体设计 电路图，如图5过压保护电路：JI一角图5过压保护总体电路图5过压保护电路中，端接1.25V带隙基准电压，由外部带隙电路提供， 本课题中直接引用，而不再设计。电路中总共两个输入电压，一个输出电压：电源 电压二:.为电源电压；参考电压4壬为带隙电路提供的1.25 V带隙基准电压；输出电 压厂为比较后的输出电压，为高电平或者为低电平。分别将二四译码器的输出电 压接到过压保护电路的输入端，而过压保护电路另一个输入端接参考电压= 1.25V。过压保护电路的输出端接到与非门电路的两个输入端，最终得到具有 控制作用的逻辑电平二:-。3参数计算31课题要求参数根据课题要求：设计一个基于0.18um/3.3V CMOS工艺符合一定性能要求的过压 保护电路，电路在一定的电压范围内输出高电平，在高于保护电压阈值时输出低电 平，从而在电压过高时对电路进行保护；当电压由高压降到恢复电压以下时，输出 由低电平变为高电平；电路的保护阈值电压是可以调节的；电路的保护电压与恢复 电压之间具有迟滞的特性。一般的带隙基准电压为1.25V，所以取VBIAS=1.25V，并

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