基于1.0μm CMOS工藝的鋸齒波振蕩電路設計

本文以比較器為基本電路，采用恒流源充放電技術(shù)，設計了一種基于1.0μm CMOS工藝的鋸齒波振蕩電路，并對其各單元組成電路的設計進(jìn)行了闡述。同時(shí)利用Cadence Hspice仿真工具對電路進(jìn)行了仿真模擬，結果表明，鋸齒波信號的線(xiàn)性度較好，同時(shí)電源電壓在5.0 V左右時(shí)，信號振蕩頻率變化很小;在適當的電源電壓和溫度變化范圍內，振蕩電路的性能較好，可廣泛應用在PWM等各種電子電路中。

　　1 電壓比較器

　　在以往的比較器電路中，存在單級增益不高，并以犧牲輸出電壓范圍來(lái)提高增益，進(jìn)而不能達到滿(mǎn)幅度輸出，導致電路性能差。本文所設計的比較器電路如圖1所示，采用三級放大，第一級是差分輸入級將雙端變單端輸出，兩只NMOS管作為電流源負載，第二級為CMOS共源放大器，第三級為推挽式CMOS單級放大器，即為普通CMOS反相器，由于CMOS反相器作為輸出級，所以能達到滿(mǎn)幅度輸出。在設計中保證了放大器的MOS管在靜態(tài)條件下處于飽和區，第二級、第三級保證靜態(tài)時(shí)輸出電壓在電源電壓中點(diǎn)，以保證后級CMOS反相器工作在高增益區。電壓比較器在開(kāi)環(huán)條件下工作，因此不需要考慮放大器閉環(huán)穩定工作的頻率補償問(wèn)題。

　　2 振蕩器的工作模式

　　恒流/恒壓(CC/CV)充電是一種更快速充電方法，當開(kāi)始充電時(shí)，CC/CV充電器首先施加一個(gè)等價(jià)于電池容量C的恒定電流。為防止在恒流充電周期中過(guò)充電，需要監視電池封裝兩端的電壓。當電壓上升到給定的終止電壓時(shí)，電路切換到恒壓源工作模式。即使電池封裝兩端的電壓達到終止電壓，但因為在ESR上存在電壓降，所以實(shí)際的電池電壓將低于終止電壓。在恒流充電期間，電池能以接近其終止電壓的高電流速率充電，且不會(huì )有任何被施加高電壓和發(fā)生過(guò)充電的危險。

　　經(jīng)恒流充電后，電池的容量將達到其額定值的85%。在恒流周期結束后，充電器切換到恒壓周期。在恒壓周期，充電器通過(guò)監視充電電流決定是否結束充電。與恒壓充電器一樣，當充電電流減小到O.1C以下時(shí)，充電周期結束，恒流/恒壓充電主要通過(guò)改變振蕩器的工作模式來(lái)實(shí)現。

　　間歇工作模式：也可稱(chēng)為跳周期控制模式(Burst Mode)，是指當處于輕載或待機條件時(shí)，輕載時(shí)輸出電壓上升，反饋腳電壓降低到一定值時(shí)MOSFET停止工作，輸出電壓降低到一定值時(shí)MOSFET導通，這個(gè)過(guò)程大量減少了MOSFET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，減少了開(kāi)關(guān)損耗。由周期比PWM控制器時(shí)鐘周期大的信號控制電路某一環(huán)節，使得PWM的輸出脈沖周期性的有效或失效，這樣即可實(shí)現恒定頻率下通過(guò)減小開(kāi)關(guān)次數，增大占空比來(lái)提高輕載和待機的效率。

　　但是降頻和Burst Mode方法在提高待機效率的同時(shí)，可能會(huì )帶來(lái)一些問(wèn)題，首先是頻率降低導致輸出電壓紋波的增加，其次如果頻率降至20 kHz以?xún)?，可能有音頻噪音。

　　圖2為Burst Mode電壓控制電路，當S43電平>C54(此時(shí)C54和電平C96相等為0.84 V)，時(shí)，Burst_on信號為低電平，關(guān)斷功率管;當S43

　　3 振蕩器充放電電流設定電路

　　振蕩器的起振頻率為12 kHz，隨著(zhù)INV的增大，振蕩器的頻率逐步增大到50 kHz，圖3為INV控制下的頻率圖。隨著(zhù)INV的繼續增大，振蕩器的頻率降到22 KHz，進(jìn)入Burst Mode模式。

　　振蕩器的充放電電流由偏置電壓控制產(chǎn)生的電流和INV控制產(chǎn)生的電流兩部分組成，起振時(shí)因為INV太小，電流完全由固定電平值控制，當INV>300 mV，充放電電流隨INV的增大而增大。

　　仿真結果可以看出，起振時(shí)由于INV電壓很小，充電電流固定在1.5μA，當反饋電壓INV>0.7 V時(shí)，充電電流開(kāi)始線(xiàn)性增大，振蕩器的振蕩頻率隨之增大。

　　4 鋸齒波電路的產(chǎn)生設計

　　圖4為鋸齒波電路產(chǎn)生圖，利用恒流源電路給電容充放電，使得電容NA41上的電壓C38上升到比較器的高閾值限制電壓S66時(shí)，使電容放電;電壓C38降到比較器的低閾值限制電壓時(shí)電容充電，如此反復形成鋸齒波。

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