具有帶隙結(jié)構(gòu)的遲滯比較器電路設(shè)計(jì) - 全文

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　　本電路沒有設(shè)計(jì)單一的基準(zhǔn)源模塊。這是因?yàn)樗淖畹洼斎腚妷簽?.2 V。如果采用基準(zhǔn)源模塊的設(shè)計(jì)方法，要獲得一個(gè)與溫度和電源電壓無關(guān)的基準(zhǔn)源，整個(gè)電路的輸入電壓基本上要超過2 V，不滿足設(shè)計(jì)要求。因此，采用一個(gè)自身具有恒定翻轉(zhuǎn)門限的遲滯比較器，實(shí)現(xiàn)了基準(zhǔn)源和使能比較器的功能。

　　1 電路設(shè)計(jì)

　　1.1 電路功能

　　遲滯比較器的功能是將反饋電壓VFB與內(nèi)部的門限電壓相比較，控制其他模塊是否正常工作。當(dāng)反饋電壓VFB比內(nèi)部上門限電壓高時(shí)，遲滯比較器的輸出將使其他模塊不工作;當(dāng)反饋電壓VFB比內(nèi)部下門限電壓高時(shí)，遲滯比較器的輸出使其他模塊正常工作。

　　1.2 具有帶隙結(jié)構(gòu)遲滯比較器的電路原理

　　帶隙基準(zhǔn)遲滯比較器由3部分構(gòu)成(見圖1)，帶隙基準(zhǔn)比較器、射隨器和遲滯比較器。工作原理為：輸入端與內(nèi)部的基準(zhǔn)門限電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入端電壓超過內(nèi)部基準(zhǔn)門限時(shí)，Q12集電極中沒有電流流過，即輸出電流IOUT為0;當(dāng)輸入端電壓低于較低門限時(shí)，Q12集電極中有電流流過，即有IOUT流過，從而實(shí)現(xiàn)了輸出電流IOUT的遲滯控制。

　　1.2.1 帶隙基準(zhǔn)比較器

　　圖1中左邊部分是帶隙基準(zhǔn)比較器。Q2的發(fā)射區(qū)面積是Q1的n倍。電流Ic2，Ic1與反饋電壓VFB的關(guān)系如圖2所示。設(shè)流過Q1集電極的電流為Ic1流過Q2集電極的電流為Ic2。其工作原理是：當(dāng)反饋電壓VFB較低時(shí)，Ic2>Ic1，A點(diǎn)電壓比B點(diǎn)電壓高;當(dāng)VFB從低電平逐漸增加時(shí)，電流Ic2，Ic1均增加，Ic2曲線斜率比Ic1曲線斜率小;當(dāng)VFB達(dá)到帶隙基準(zhǔn)比較器的翻轉(zhuǎn)門限時(shí)，Ic2=Ic1，A點(diǎn)電壓與B點(diǎn)電壓相等;當(dāng)VFB超過帶隙基準(zhǔn)比較器的翻轉(zhuǎn)門限時(shí)，Ic2

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　　計(jì)算帶隙基準(zhǔn)比較器的翻轉(zhuǎn)門限電壓。由Q1，Q2構(gòu)成了帶隙電路中△VBE的NPN對(duì)，電流設(shè)置電阻是R1，增益電阻是R2。R3可限制驅(qū)動(dòng)Q2的基極電流，這可以防止其進(jìn)入深飽和，維持電路正確的工作和限制偏置電流。R4，R5電阻值相等。

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　　于是帶隙比較器的翻轉(zhuǎn)門限電壓就等于VTH。

　　在T=300 K時(shí)，

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　　;VT與絕對(duì)溫度成正比，此時(shí)VT=8.62×10-5T;VT隨溫度的增加而增加，而Vbe隨溫度的增加而減小，它的溫度系數(shù)

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　　。在式(5)中，第1項(xiàng)是正溫度系數(shù)，第2項(xiàng)是負(fù)溫度系數(shù)，合理調(diào)節(jié)R2，R1的比值和n，就可以得到與溫度、電源電壓無關(guān)的翻轉(zhuǎn)門限電壓。

　　1.2.2 遲滯比較器

　　遲滯比較器的設(shè)計(jì)不是采用比較器輸出端加反饋電阻到輸入端，即改變比較器輸入門限的方法，而是采用改變電路的平衡性，在比較器的反相輸入端引入一失調(diào)電壓來實(shí)現(xiàn)遲滯功能。

　　(1)遲滯比較器的框圖

　　圖3是圖1中遲滯比較器的簡(jiǎn)化原理方框圖。其工作原理是：當(dāng)VIN+為低電平并逐漸增加時(shí)，比較器輸出OUT為低電平，反饋回路使得開關(guān)K打開。當(dāng)VIN+>VIN-+VOS時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，反饋回路使得開關(guān)閉合。VIN+由高電平開始下降時(shí)，反饋回路使得開關(guān)處于閉合狀態(tài)，當(dāng)VIN+

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　　(2)實(shí)際電路設(shè)計(jì)

　　圖1電路中，Q11，Q12，Q9，R10提供遲滯反饋回路。Q13相當(dāng)于圖3中的開關(guān)K。Q11，Q12，Q13構(gòu)成電流鏡，當(dāng)Q12集電極有電流流過時(shí)，Q11，Q13集電極也有電流流過。當(dāng)C點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)電壓時(shí)，Q10導(dǎo)通，Q12集電極中有電流流過，Q11的集電極，電流流過R10，Q9的發(fā)射極電位升高，Q9截止，遲滯比較器處于一種工作狀態(tài)(相當(dāng)于圖3中K閉合)，設(shè)此時(shí)流過R8中的電流為IH。當(dāng)C點(diǎn)電壓低于D點(diǎn)電壓時(shí)，Q10截止，Q12集電極中沒有電流流過，Q9的集電極電位變低，Q9導(dǎo)通，遲滯比較器處于另一種工作狀態(tài)(相當(dāng)于圖3中K打開)，設(shè)此時(shí)流過R8中的電流為IL。

　　遲滯過程為：當(dāng)C點(diǎn)電壓從低電平逐漸增加時(shí)，Q10截止，Q12集電極中沒有電流流過，Q9的發(fā)射極電位變低，Q9導(dǎo)通，流過R8中的電流為IL;當(dāng)C點(diǎn)電壓與D點(diǎn)電壓相等時(shí)，比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，設(shè)此時(shí)D點(diǎn)電壓為VH，Q10導(dǎo)通，Q12集電極中有電流流過，Q11的集電極電流流過R10，Q9的發(fā)射極電位升高，Q9截止，流過R8中的電流變?yōu)镮H，Q9由截止變?yōu)閷?dǎo)通，引起流過R8的電流變化量△IR8=IL-IH，R8兩端的電壓變化量為△V=R8×△AIR8，相當(dāng)于遲滯比較器的負(fù)端電壓減少△V，當(dāng)C點(diǎn)電壓低于VH-△V時(shí)，遲滯比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。于是遲滯比較器的遲滯電壓為△V。

　　(3)整體電路的門限電壓和遲滯電壓

　　當(dāng)VFB從低電平逐漸增加時(shí)，Ic2>Ic1，于是C點(diǎn)電壓高于D點(diǎn)電壓，Q10導(dǎo)通，Q9截止。當(dāng)輸入電壓VFB達(dá)到帶隙比較器的翻轉(zhuǎn)門限時(shí)，Ic2=Ic1，此時(shí)遲滯比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Q10截止，Q9導(dǎo)通，設(shè)此時(shí)的VFB=VOH，則有：

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　　當(dāng)VFB從超過VOH電壓逐漸減小時(shí)，遲滯比較器的工作點(diǎn)發(fā)生變化，只有當(dāng)遲滯比較器的電壓達(dá)到下翻轉(zhuǎn)門限時(shí)，遲滯比較器才翻轉(zhuǎn)，于是當(dāng)VFB減小到VFB=VOH時(shí)，Q10并不導(dǎo)通，VFB繼續(xù)減小，當(dāng)遲滯比較器的電壓達(dá)到下翻轉(zhuǎn)門限時(shí)，遲滯比較器才會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，Q10導(dǎo)通，設(shè)此時(shí)的VFB=VOL，則有：

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　　式中：△U是△V等效到IN端的輸入電壓;△V是遲滯比較器的遲滯電壓。于是整體電路的輸入端FB遲滯電壓為△U。它與Q9導(dǎo)通時(shí)流過的電流、R8大小有關(guān)。調(diào)節(jié)R9，R10的大小可以改變Q9導(dǎo)通時(shí)流過的電流，也就可以調(diào)節(jié)這個(gè)遲滯電壓。改變R8的大小可以直接調(diào)整遲滯電壓。

　　2 仿真驗(yàn)證

　　遲滯比較器的仿真波形如圖4～圖6所示，圖4為輸出電流IOUT與輸入信號(hào)FB的關(guān)系圖。從圖中可以看出，該電路能夠?qū)崿F(xiàn)8 mV的遲滯功能。圖5和圖6分別為遲滯比較器翻轉(zhuǎn)門限隨電源電壓和溫度的變化結(jié)果?？梢钥闯觯t滯比較器的翻轉(zhuǎn)門限隨溫度和電壓變化均較小，驗(yàn)證了電路的穩(wěn)定性較高。

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　　3 結(jié)語

　　傳統(tǒng)的帶隙基準(zhǔn)電路和遲滯比較器電路占芯片面積較大，工作電壓和功耗都比較高。本文設(shè)計(jì)的具有帶隙結(jié)構(gòu)的遲滯比較器工作電壓低至1.2 V，大大節(jié)省了芯片面積，適用于微功耗DC—DC轉(zhuǎn)換器中，主要用于鎳鎘、鎳氫和堿性電池供電的便攜式產(chǎn)品。