第三章迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线 的实现方式 对工

发布日期:2019-10-07 08:33   来源:未知   阅读:

  第三章迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线 的实现方式 对工艺偏差的敏感度要低的多。下一步通过仿真其特性随工艺角的偏差来验证改进的效果。 14是迟滞比较器的主要特性即上下翻转电位随工艺偏差的变化曲线 曲线从上到下对应的工艺角依次是tt、ff、ss 横轴是采样电压。可以看出 这种结构的上翻转

  第三章迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线 的实现方式 对工艺偏差的敏感度要低的多。下一步通过仿真其特性随工艺角的偏差来验证改进的效果。 14是迟滞比较器的主要特性即上下翻转电位随工艺偏差的变化曲线 曲线从上到下对应的工艺角依次是tt、ff、ss 横轴是采样电压。可以看出 这种结构的上翻转电位Vh受工艺偏差的影响很小 下翻转电位Vl受工艺角的偏差也较小 相对于前一种结构 其特性较稳定。 14迟滞比较器特性随工艺偏差的变化曲线 两种迟滞比较器对比工艺角 迟滞比较器1 迟滞比较器2 Vh mV Vl mV VhmV Vl mV tt250 240 10 250225 25 ff250 245 250228 22 ss250 230 20 250228 22 21可以看出 迟滞比较器1的恒流精度较高 但是其受工艺偏差的影响较大 ΔV同样影响系统的工作频率和总体效率 折中考量 应该选择第二种结构作为迟滞比较器 因为它受工艺偏差的影响较小 由于系统中系统参数更稳定。 对于比较器 还需要考虑到其开环特性 这种结构的开环特性在下一节讨论。 电子科技大学硕士学位论文 32 振荡器的设计定时器的结构由振荡器和触发器组成 15为振荡器的原理图他是一种基于迟滞比较器自激振荡器。 比较器R1充电电流Ibias2Trim RTransgate1VHVL充电使能信号放电使能信号电容VC充电使能信号放电使能信号放电电流方波输出三角波输出ENIbias1逻辑模块充电使能信号放电使能信号IinTransgate2EnTrim I充电电流放电电流电流镜Ibias1Ibias2 15振荡器原理图 该振荡器核心电路包括电容、充放电电流、传输门1、开环比较器和逻辑模块 电流模块的作用是为比较器和R1提供电流 并且产生放电电流和充电电流。 电流模块产生的镜像电流Ibias2流过电阻R1和Trim R模块 产生两个电位VH和VL。最初 逻辑模块控制充电使能信号有效 放电使能信号无效。充电电流给电容充电的同时传输门1将电位VH传输到比较器的反向输入端 电容的电压VC接比较器的同向输入端。随着充电电流不断给电容充电 VC逐渐增加 当VC VH时 比较器向下翻转 逻辑模块控制使放电使能信号有效 充电使能信号无效。放电电流给电容放电的同时传输门1将电位VL传输到比较器的方向输入端。随着放电电流不断给电容放电 VC逐渐减小 当VC VL时 比较器向上翻转 逻辑模块控制充电使能信号有效 放电使能信号无效。 如此循环往复 可以在芯片内部形成自激振荡器 该振荡器可以产生一个三角波VC和所需要的方波信号。该方波信号经过处理后可以形成要求的定时信号 16是振荡器工作的流程图。图317为各参数的仿真曲线图。 第三章 迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线 使能有效开始充电使能信号有效VVH放电使能信号有效V VL电容充电电容放电NoYes 16振荡器工作流程 17振荡器的仿真曲线 根据电容的电流 电压特性可以推出下面的关系 0HargeLChlowCVVIt 270HargeLDischhighCVVIt 28电子科技大学硕士学位论文 34 通过式 28可以推导出振荡器输出方波的周期和占空比的表达式 argarg0argargcheDischelowhighHLcheDischeIITttCVVII 29argargarghighchecheDischetITII 30可知 振荡器的振荡周期与电容值C0、上翻转电位VH、下翻转电位VL、充电电流值ICharge和放电电流值IDischarge相关 而占空比与充电电流值ICharge和放电电流值IDischarge相关。其中ICharge与IDischarge是由电流模块提供 电流模块的输入Iin来自基准电流源 2节设计的基准电流源有15 的工艺偏差 这将会影响振荡器的振荡周期和占空比。另外 电容的工艺偏差和温漂会影响C0的电容值 电阻的工艺偏差和温漂会影响VH和VL的值。www.39504.com。上述参数的变化都会使得振荡器的周期产生一定量的漂移。 18振荡器特性随工艺偏差的变化 振荡器的周期随工艺偏差的变化曲线曲线从上往下对应的工艺角依次为tt、ss、ff 可以看出 振荡器的周期随工艺偏差的变化较大。 振荡器周期随工艺变化统计表工艺角 25 91ss 30ff 62第三章 迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线可知振荡器的周期随温度和工艺角的偏差变化较大 其中温度为 25 的偏差温度为125 ff工艺角的振荡周期有29 的偏差 为了使定时器功能稳定 必须校正振荡器 减小其振荡周期随工艺角的变化。 30可知 振荡器要在不同的工艺角下得到稳定的周期和占空比 必须调整C0、VH、VL、Icharge、IDischarge这些参数中的一项或几项 其电参数对应的物理层参数即电容、电阻和晶体管的尺寸。 由于工艺的限制 版图中电容占用的面积较大 加入校正电容会消耗大量的版图面积 增加成本 因此不考虑校正电容的方法来温度振荡器的周期。因此从电阻和MOS管的角度来校正。 首先 改变Trim R模块的电阻值 可以调整振动器的周期 H2LbiastrimVVIR 31结合式 29Rtrim影响VH、VL 进而影响周期T。 其次 改变电流模块中MOS管的宽长比 也可以调整振荡器的周期。 19Trim I模块原理图 电子科技大学硕士学位论文 36 19是电流校正模块的原理图根据电流镜的比例关系 2arg1 CheinWLIIWL 323arg1 DischeinWLIIWL 33结合式 30可知 MOS管的宽长比改变会引起充电电流ICharge和放电电流IDischarge的变化 进而改变振荡器的周期T和占空比ζ。 如图3 19所示 采用38译码器来调整MOS管的宽长比 译码器的输入是3个控制端 输出端是8个高低电位 对应8条MOS管组成的通路。其中一个控制编码对应一条通路 每个通路上的MOS管的宽长比都不相等 因此38译码器的不同的控制编码最终可以对应不同的充放电电流ICharge和IDischarge。这样可以达到校正振荡器周期的工艺偏差的效果。 振荡器的TrimTrim编码 tt 94001 68010 30011 49100 33101 58110 83111 工艺角对应的校正编码工艺角 tt ss ff 原周期 94原误差 14 36 校正编码001 111 000 校正后周期 94校正后误差 5是译码器每个编码对应的振荡器的周期可以看出每个编码对应不同的第三章 迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线 振荡周期 这种结构的Trim I模块可以校正振荡器的工艺偏差。表3 6是校正前后工艺偏差的对比 可以看出校正前振荡器的工艺偏差较大 最大达到了36 通过校正大大减小了振荡器周期的工艺偏差 如表 工艺偏差可以校正到3 以内。 下面讨论实际系统中 校正振荡器周期的步骤。振荡器有三个控制端 即38译码器的三个输入端 可以通过外部输入不同的控制电平来校正振荡器的工作周期。 编码000测试周期判定工艺角比较目标周期选择相应编码误差大误差小校正完成 20校正流程图 20是振荡器校正的流程图最初给振荡器的三个控制端接低电平 即编码000 测试振荡器的振荡周期。根据测试结果结合表3 7判断该工艺角 再根据表3 6选择编码 调整振荡器三个控制端的电平 再次测试工作周期。如果校正后振荡周期的偏差较小 则校正完成 如果偏差仍然较大 继续判断工艺角后 再次校正。 振荡器校正对照表测得周期 50对应工艺角 ff tt ss 对应编码 000 001 111 通过对振荡器的分析与设计 结合仿真曲线 得到了振荡器的校正对照表 各种这种设计方案 可以克服偏置电流、电容、电阻的工艺偏差对振荡器周期的影响。振荡器的偏差可以校正到3 满足定时器的要求。因此该模块是一个非常实用的模拟集成电路模块。 电子科技大学硕士学位论文 38 内部开环比较器的设计比较器作为模拟集成电路中的常用模块之一 在本芯片中也多次应用到 包括迟滞比较器模块 欠压和过温保护模块以及定时器模块。开环比较器的包括静态特性和动态特性 其直接影响系统的精度和稳定性。图3 21是设计中多次用到的一种开环比较器的结构 改变结构中晶体管的物理参数可以得到不同性能的开环比较器。 21开环比较器 21是一个两级的开环比较器比较器采用开环模式 没必要对其进行频率补偿 另外比较器最后不要进行频率补偿以免影响其带宽和响应速率 30 MP3和MP4是开环比较器的的输入差分对管MN1和MN2是第一级的有源负载 减小其宽长比可以降低比较器的输入等效噪声。MN4为比较器的第二级共源放大器 用于提高比较器的增益。MP1、MP2和MP6是一组电流镜为比较器提供电流偏置 其个数比为1 开环比较器的最大输出电压是maxoddVV 34最小输出电压可以写成 6min4max244max211pdoGNTnnGNTnIVVVVV 35第三章 迟滞模式的LED恒流驱动芯片的设计与仿线栅极的最大电压 VTn为MN4的阈值电压 βn4是MN4的跨到参数 Idp6是MP6提供的偏置电流。 36是开环比较器的直流增益 其中gmp3 4是MP3和MP4的跨导 gmn4是MN4的跨导 gdsn2、gdsp4、gdsn4和gdsp6是MN2、MP4 、MN4和MP6的沟道电导。 比较器的最小输入压差定义为 maxmin min0ooinvVVVA 36代入 37可以求出ΔVin min 可以看出 比价器的直流增益越大 其精度越高。 比较器有两个极点 分别在输出端和S点 其中第一级的极点出现在S点处 241dsndspsggpC 38Cs为S点的寄生等效电容 其大小约为MN4的栅电容 第二级的极点在输出端 462dsndspoutggpC 39得到比较器的频率响应传递函数与p1 p2和Av 相关121 40比较器的传输延时与摆率相关 41负摆率由电流源和MN4的电流共同决定 24644max6ndpdndGNTnpdoutoutIIVVISRCC 42上面的参数gm、β、gds都是与比较器的偏置电流和晶体管的宽长比相关的量 因此 改变偏置电流和晶体管的宽长比可以调整比较器的动态参数和静态参数。 电子科技大学硕士学位论文 40 22是比较器增益随工艺偏差变化的曲线曲线从上到下对应的工艺角依次为ff、tt、ss。在忽略偏置电流的工艺偏差的前提下 可以得出 增益随工艺偏差的变化较小 带宽变化也较小 从仿真曲线可以看出 该比较器的直流增益为80dB左右 带宽300kHz 由于振荡器的周期为2μs 对应频率值为500kHz 该频率下比较器的增益为73 18dB 说明此时比较器的精度 即最小输入差为 min73 18205 22比较器增益随工艺偏差的变化 23是比较器摆率测试曲线由曲线可以看出比较器的上升延时为137 8ns 下降延时为15ns。 23比较器的摆率测试六开彩开奖现场直播 开奖结