PWM比较器电路仿真设计Word文档下载推荐.docx
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第一章引言
1.1PWM介绍
脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，可变电阻是通过改变其接入电路的电阻值来控制负载的电流或者电压值，来达到控制效果，而PWM则是通过数字编码（调制频率），对模拟信号电平进行调制来达到控制效果。
图1-1PWM方式原理图
如图1-1所示，从输入端输入电压信号和参考电压信号通过放大器进行放大产生放大信号（但是从放大器输出的电压信号通常不稳定），这个放大信号与三角波信号发生器产生的锯齿波进行比较，产生PWM控制信号，可以通过改变三角波的频率来实现对PWM信号的控制。
PWM比较器通过对两个输入电压进行比较，通常保持一端输入电压不变，另一端输入电压可以是锯齿波或正弦波，通过PWM比较器的比较，在输出端产生高低电平的方波信号，方便于应用，但要求比较器的时延低，增益大等。
1.2PWM的发展现状及应用领域
随着工艺的发展，比较器得到了前所未有的研究和开发，其性能指标主要有共模输入范围、增益、失调电压、传输时延、摆率、带宽、比较精度等。
目前，比较器的研究主要集中在下面两个方面：
降低失调电压和提高电路速度。
MarcH.Cihen、PamelaA等提出了一种可编程的浮栅机构，利用浮栅PFET作为电荷存储单元，设计出一中可消除失调电压的非易失性电压比较器。
李彦旭等利用锗硅BiCMOS级数，设计出了失调电压为10uV、频率为10Mhz的动态高速比较器。
还有一种所谓后台校准级数，在不影响ADC采样的情况下，通过比较器的二进制输出反馈校正比较器的失调电压。
吴晓波等人利用两个宽长比不相等的跳变电压的比较器，为PWM比较器的研究提出了一种新颖的设计思路[1]。
对于适用与PWM中的比较器的研究，并不是单一的集中在哪个特性上面，而是对所有参数的综合考虑，目前研究主要是专注于静态功耗特性和时延特性上面，毕竟，比较器的增益通过增加放大电路很容易达到很高，一般的失调电压也很低。
如何在高增益条件下取得低时延和低功耗将是研究的重点，也是每个设计研究者所想要达到的目的。
脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
1．PWM在模拟电路中的应用
模拟电路模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。
9V电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。
与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。
模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。
模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。
在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。
拧动旋钮时，电阻值变大或变小；
流经这个电阻的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。
与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。
尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。
其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。
能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。
模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。
模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。
2．PWM在数字电路中的应用
数字控制通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。
简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
大多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz。
设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再断开……。
占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个5秒钟内将熄灭。
要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。
要想取得调光灯（但保持点亮）的效果，必须提高调制频率。
在其他PWM应用场合也有同样的要求。
通常调制频率为1kHz到200kHz之间。
硬件控制器许多微控制器内部都包含有PWM控制器。
例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。
占空比是接通时间与周期之比；
调制频率为周期的倒数。
执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：
设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期，在PWM控制寄存器中设置接通时间，设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚，启动定时器，使能PWM控制器虽然具体的PWM控制器在编程细节上会有所不同，但它们的基本思想通常是相同的。
1.3PWM技术
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。
直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。
随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。
到目前为止，已出现了多种PWM控制技术，根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有以下几种类方法。
1.等脉宽PWM法
VVVF（VariableVoltageVariableFrequency）装置在早期是采用PAM（PulseAmplitudeModulation）控制技术来实现的，其逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压。
等脉宽PWM法正是为了克服PAM法的这个缺点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。
它是把每一脉冲的宽度均相等的脉冲列作为PWM波，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
相对于PAM法，该方法的优点是简化了电路结构，提高了输入端的功率因数，但同时也存在输出电压中除基波外，还包含较大的谐波分量。
2．随机PWM
在上世纪70年代开始至上世纪80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般不超过5kHz，电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注。
为求得改善，随机PWM方法应运而生。
其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声（在线性频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的），尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。
正因为如此，即使在IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合，随机PWM仍然有其特殊的价值；
另一方面则说明了消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术正是提供了一个分析、解决这种问题的全新思路。
3．SPWM法
SPWM（SinusoidalPWM）法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。
前面提到的采样控制理论中的一个重要结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
SPWM法就是以该结论为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。
该方法的实现有以下几种方案。
（1）等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。
由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。
（2）硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。
通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。
其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。
但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。
（3）软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。
软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。
自然采样法是以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。
其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。
规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。
其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。
当三角波只在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。
当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（此时为采样周期的两倍）内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。
数字PWM技术是通过用不同的调制算法或调制电路，将输入的数字信号转换成不同调制形式的PWM脉冲信号，并通过控制脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到调节电压、频率及控制和消除谐波的目的。
数字PWM技术以其控制灵活、高效节能等优势，被广泛应用于分时多路复用系统、射频传输、光数据存储器、通信系统和数字音频系统。
1.4论文背景和选题意义
PWM调制电路是开关电源芯片设计的一个关键部分，它是一个电压比较器（Comparator）模块，它将放大器（Amlifier）模块的输出信号Vamp和振荡器（Oscillator）模块产生的锯齿波信号osc进行比较，产生的脉冲宽度调制信号（PWM信号）。
若vamp的电压高于锯齿波osc的电压，则产生的PWM信号为高电平，反之为低电平。
当反馈端FB的电压升高时，Amplifier模块的输出信号电压vamp降低，则PWM的同向输入端的电压降低，与锯齿波信号比较之后，产生的PWM信号的高电平时间变小，即PWM信号的占空比减小，功率开关管的开启时间减小，反之则增大。
随着八十年代末期社会分工的进一步发展，集成电路产业逐渐分化为设计、制造、封装和测试等几个产业。
产业的分工也带来一些问题，那就是设计企业不能根据自己的设计要求来调整工艺参数，而是要让自己的设计适应工艺参数的要求。
尤其是模拟电路的设计，和各种工艺参数息息相关，工艺参数的稳定性决定着电路的性能甚至是功能。
这就迫切要求设计企业能迅速适应现代工厂工艺参数，设计出成熟稳定的产品。
PWM比较器是模拟集成电路极为重要的组成部分，它对模拟电子技术的应用与发展具有重要的作用，其中高精度比较器在电源切换管理、工业控制芯片中有广泛的应用。
这些应用对性能指标要求不是很高，但是应用环境比较苛刻，要求芯片能在苛刻的条件下保持稳定的性能。
高速比较器是存储器、模数/数模转换器中的重要组成部分，很大程度上决定着这些系统的主要性能，目前，集成电路系统的工作时钟频率已经达到几GHz甚至几十GHz，这就需要具有相同性能模拟电路与之相匹配。
很大程度上，模拟电路的性能逐渐称为集成电路系统性能提升的瓶颈。
因此，高性能模拟电路的设计在集成电路设计中具有举足轻重的作用。
1.5本论文主要工作
比较器工作原理。
比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统。
最简单的比较器就是运算放大器。
我们知道，运算放大器在连有深度负反馈的条件下，会在线性区工作，有着增益很大的放大特性，在计算时往往认为它放大的倍数是无穷大。
而在没有反馈的条件下，运算放大器在线性区的输入动态范围很小，即两个输入电压有一定差距就会使运算放大器达到饱和。
如果同相端电压较大，则输出最大电压，一般是+12V；
如果反相端电压较大，则输出最小电压，一般是-12V。
这样，就实现了电压比较功能。
如图1-2所示，VA、VB为输入端，VOUT为输出端。
当输入电压VA>
VB时，输出端VOUT则输出高电平；
当VA<
VB时，输出端VOUT则输出低电平。
图1-2比较器模型
本次研究课题的主要工作如下：
1.了解PWM的原理及结构模型，对PWM中比较器进行研究。
2.设计比较器电路的整体结构。
3.对PWM比较器的各个子模块电路进行结构设计、仿真调试及结果分析。
4.整体版图绘制。
第二章PWM比较器
比较器不同于运算放大器，在设计比较之前，必须了解比较器的参数特性。
在不同的功能电路中，对参数特性的要求是不同的，如高增益比较器要求有足够的带宽，高速度比较器中要求比较器具有非常好的延时特性。
PWM比较器就是高精度高速度比较器，在状态转换过程中需要解决存在的增益、失调电压、时延等问题。
在设计PWM比较器时，需要对每个参数进行折衷，即在相对较高增益、时延较小的情况下，具有较小的失调电压和较低的静态功耗，但是各个参数必须满足性能要求。
比较器是模拟电路中经常用到的基本单元之一，其作用是比较两个模拟信号的值并给出二进制的结果。
按照结构的不同，常见的比较器可以分以下几种：
第1，标准两级比较器。
这一类比较器采用差分放大级加输出级结构。
是最基本的比较器结构，通过调整差分放大级负载的结构和输出级的结构，可以满足各种不同的性能要求。
但这种结构有很多不足。
由于结构本身的限制，要在摆率、传输时延等性能之间折衷，只能应用在对速度等要求不高的环境中。
目前对于标准两级比较器的研究已经很成熟，新的研究结果并不多见。
但是它是构成其他比较器的基本单元，很多改进都是针对具体的应用条件的，影响这类比较器性能的主要因素是输入失调电压。
第2，开关电容比较器。
开关电容比较器是由组合开关电容和开环比较结构。
它的有限是差分信号可以用单端电路进行比较，而且可以对开环比较器直流失调电压自动校零。
这种结构在一定程度上解决了开环比较器直流失调电压的问题，但是也引入了新的问题，那就是时钟馈通问题。
第3，可再生比较器。
可再生比较器又被称为锁存器或者双稳态电路，它使用正反馈来实现两个信号的比较。
这种比较器结构简单，版图面积小，适合大规模集成，一般应用在SRAM等存储器中。
但是这种比较器需要高速时钟作为控制信号，限制了它的应用范围。
第4，高速比较器是目前研究的最多的一类比较器。
这种比较器在模数/数模转换器中有着广泛的应用，高速比较器一般采用多级结构，前面介绍的几种比较器都可以作为高速比较器的一部分，但是需要调整性能参数。
高速比较器最重要的目的就是降低传输时延，因此，这种结构通过多级级联来实现高增益，通过降低每一级的增益来实现高带宽。
2.1几种常见比较器结构
2.1.1反相比较器
如图2-1所示是最简单的反相比较器。
图2-1由PMOS管M1和NMOS管M2组成，VIN2是参考端，电压值必须确保M1管子导通，VIN1是输入比较端当输入VIN1为高电平时，M2导通，电流通过M2流入地，输出VOUT为0，即低电平；
当输入VIN1为低电平时，M1导通，M2截至，输出VOUT为VDD，即高电平。
从上述原理中可以得出，当输入VIN1为低电平时，即VIN1<
VIN2时，比较输出电压为高电平（VDD），当VIN1>
VIN2时，比较输出电压为低电平（地），实现了比较功能。
图2-1反相比较器
比较器的增益与两个管子的跨导，输出跨导不是很大，所以不会有更大的增益，但是结构简单，较适用于输出大摆幅的比较器电路中。
2.1.2二级比较器
双端输入差分放大电路二级比较器，如下图2-2所示。
两级比较器：
其中包括一级差分比较和一级反相放大。
采用差分输入便于控制比较器跳变电压的离散性，使之对工艺和电源电压的变化不敏感，而反相级则补偿了差分级输入增益低的缺陷，对输出信号进行放大，这种电路的比较器增益为：
（2-1）
图2-2二级比较器
由式（2-1）可知，增大差分MOS输入管W/L或者减小工作电流I1、I6可提高比较器的增益。
2.1.3可驱动大电容性负载的比较器
如果比较器连接有大的容性负载，它的速度将受到摆率的限制。
在这些情况下，我们在两级开环比较器的输出端增加几个级联的推挽反相器[12]，如图2-3所示。
反相器M8-M9和M10-M11可以允许有很大的电容C，且比较器速度不会降低。
这一原理在高速数字缓冲器中很容易理解。
如果大电容连到M6和M7的漏极，由于吸入和输出的电流不大，摆率很不理想。
反相器M8-M9使电流驱动能力增大的同时，而且不影响比较器的摆率，M8和M9的W/L值必须足够大，以增加吸入和输出电流的能力，且不加载M6和M7。
同样M10和M11使吸入和输出电流的能力继续增大，驱动能力增强，同时摆率会很大。
图2-3增大两级开环比较器的容性驱动能力
2.1.4迟滞比较器
迟滞性是比较器的一种特性，它使比较器的输入阈值电压随输入或输出的电平而变。
通常情况下，这种比较器工作于噪声环境中，且在阈值点检测信号的变化。
如果比较器比较速度足够快且噪声的幅度足够大的话，其输出端也存在噪声。
在这种情况下，需要在比较器中引入迟滞。
如图2-4所示是带有输出级和内部迟滞的比较器，迟滞是通过内部的正反馈来实现的，在输出端实现了差分到单级的转换，为电路提供了驱动能力。
图2-4带有输出级和内部迟滞的比较器
在图2-4中，共有两条反馈路径，第一条连接M1-M2的共源节点的串联电流，这是负反馈；
第二条是连接M6-M7源漏极的并联电压反馈，是正反馈。
当正反馈系数大于负反馈的系数时，整个电路将表现为正反馈，在电压传输曲线中将出现迟滞[17]。
2.1.5离散时间比较器
在很多电路中，比较器只作用一段时间，具有高速度、传输延时小的优点。
这种电路常常由时钟驱动，比较器工作时，
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