过压保护电路的设计

过压保护电路的设计内容摘要：

示的差分输入级加迟滞的比较器： 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 I0 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 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 I1 和 I2，那么具有以下关系： 可以计算得到： 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： 在上面的等式中， I2I1，因此 Vgs2Vgs1，因为晶体管 Q1的栅极连接到地， Vgs1和 Vgs2 之间的差距是正向触发，即可以表示为： 利用式③和式④，并且 ，式⑦可以简化为： 当输入信号不断增大到超过 ，比较器输出状态切换， 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 I0 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 逐步增大的情况类似，可以证明负向触发点仍然出 现在 I1=I6 的情况下。 经过计算，负向触发 可以表示为： 滞回电压可以计算为： 其中，。 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，大于 1，那么滞回电压可以由式⑩计算得到。 分压电路的设计 为了将电源电压与带隙基准电压 相比较，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= 进行比较。 设过压电路输入阈值电压为 ， 计算公式如下： 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 这里选择二四译码器来选择阈值电压。 通过 A、 B 的不同组合，可得到四种不同的保护阈值电压。 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： 图 5 过压 保护总体 电路 图 5过压 保护 电路中， 端接 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 为电源电压；参考电压 为带隙电路提供 的 带隙基准电压；输出电压 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 =。 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。 3 参数计算 课题要求参数 根据课题要求：设计一个 基于 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 ，所以取 VBIAS=，并且将输入端的比较参考电压设为 VREF=。 分压电路参数 计算各电阻的阻值： 由： 可得到： 过压保护电路参数 由于电路镜像对称，迟滞电压差 由式⑩ 计算 代入已知参数 VGS1=VREF=, 从工艺库中得 VT=，计算得到： α = = =3 其他 MOS 管参数 为了使差分放大电路正常工作，且满足一定的指标，需要计算 MOS 管 Q0、 Q Q Q Q4 的参数，由于 电路对称，这里只计算 Q0、 Q Q3 的参数。 假设放大电路补偿电容 Cc=3pF,要求静态电流 50μ A。 即 50μ A。 忽略沟道调制效应 ，有 NMOS 管电流公式 由工艺库文件得知： CMOS 工艺的 VT=， = m2/V/sec， = F，又 = = 代入 上 式 计算得： ，取 = 取放大电路的增益 AV=5，由该放大电路 AV 的计算公式： 由工艺库文件得知 : = m2/V/sec， = m2/V/sec 确定每个 元件的参数 电阻网络参数 ， ， ， ， 迟滞比较电路参数 MNQ0 L=2U W=3U MNQ1 L=2U W=28U MNQ2 L=2U W=28U MPQ3 L=2U W=4U MPQ4 L=2U W=4U MPQ5 L=2U W=4U MPQ6 L=2U W=4U MPQ7 L=2U W=12U MPQ8 L=2U W=4U MNQ9 L=2U W=4U MNQ10 L=2U W=12U MNQ11 L=2U W=12U 阈值调节电路参数 MPH1 L=2U W=12U MNH2 L=2U W=12U * MPH3 L=2U W=12U MNH4 L=2U W=12U * MPH5 L=2U W=12U MPH6 L=2U W=12U MNH7 L=2U W=12U MNH8 L=2U W=12U * MPH9 L=2U W=12U MPH10 L=2U W=12U MNH11 L=2U W=12U MNH12 L=2U W=12U * MPH13 L=2U W=12U MPH14 L。