第一部分

　　溫度保護電路設計

　　一．基本原理

　　如圖1所示，Q0的作用是檢測芯片工作溫度的。在正常情況下，三極管反射極的電位VE即比較器負端電位比正端電位高，比較器輸出低電平，芯片正常工作。當溫度升高時，由于三極管EB結電壓的是負溫度系數，三極管發射極到基極的電壓VEB會降低，但是由于基極電位是基準電壓VREFl，故三極管的發射極電壓即比較器的負端電位會降低。當溫度超過翻轉閾值的時候，比較器負端電位會降到比正端的電位VREF2低，比較器就會輸出高電平，從而關斷功率開關器件，避免芯片被燒毀。遲滯產生電路的作用是在芯片正常工作和過溫時產生大小不同的電流，改變比較器的翻轉閾值。從而防止功率開關器件在翻轉點頻繁開啟和關斷。

　　圖1.溫度保護電路原理圖

　　二．電路實現

　　1．過溫保護功能的描述

　　當管芯溫度超過160℃時，過溫保護電路輸出控制信號OUTPUT輸出為高電平；直到溫度降至140℃時，過溫保護電路輸出控制信號OUTPUT才重新變為低電平。

　　圖2.過溫保護實際電路

　　2.遲滯功能的實現

　　式中A0為三極管EB結電壓的溫度系數（常溫下該值約為一2mV／K）。 由于遲滯，只有當溫度下降到比160“C低20”C的溫度，才能使VEB（OT）上升到使比較器翻轉。比較器翻轉后，輸出為低電平，M13管關閉，如果此時溫度在上升，VEB（Q0）必須上升到VEB（NOMAL）比較器才會再次翻轉，這樣就實現遲滯。

　　3．比較器的實現

　　根據圖2，比較器是一個兩級比較器，第一級采用有源電流鏡負載的差動放大器，第二級采用電流源負載共源級放大器。當VEB（Q0）《VREF時，OUT翻轉為高電平。反之，輸出為低電平。為了得到較高的分辨率，需要比較器有較高的增益。下面分析該比較器的增益。

　　從上面對增益的推導中可知該比較器的增益足夠高，滿足高分辨率的要求。

　　三．各個管子的功能介紹

　　如圖2所示，M3、M4以及Q0構成了溫度檢驗電路，其中M1、M2是低壓工作的電流鏡提供了I1，由于三極管VEB具有負溫度系數，基本隨溫度升高而線性減小，所以VEB可以檢測溫度。為了提高放大倍數以及輸出擺幅，比較器采用兩級運放構成。M5、M6、M11、M12、M16、M17構成了有源電流鏡負載的第一級差動放大器，其中M5、M6是低壓工作的電流鏡，M16、M17是有源電流鏡負載。M0～M2構成第二級共源級放大器，M1～M2是低壓共源共柵電流鏡提供尾電流。M7、M8為低壓共源共柵電流鏡提供偏置，M14、M19與M22構成共源共柵電流鏡，將基準電流鏡像過來作為電流源。M15、M20為M14的柵壓提供偏置。M9與M10，M21與M22分別構成電流鏡。M13、M18是遲滯產生電路，OUTPUT為低電平，M13管關斷，反饋回路不抽取電流，三極管IE=I1；

　　OUTPUT為高電平，M13管打開，反饋回路抽取電流I2（I2大小取決于M18、M22構成的電流鏡）。

　　四．器件參數設計

　　整體靜態電流指標：（VDD=2.5~5.5V，全典型模型，TeMp=27℃條件下）《60μA，由于電流源要輸出10μA電流剩下50μA分配20μA給電流源電路，剩下30μA給過溫保護電路。

1.過溫保護電路器件參數設計

　　電流提供的基準電流設定為5μA，過溫保護電路有6條支路初步初步每條支路分配5μA，即I1=5μA

　　① 確定VREF的值

　　斷開反饋回路，用理想電流源ISS代替I2。當ISS=5μA時，對電路進行直流溫度掃描，掃描區間從-40℃-200℃，步長1℃，觀察三極管Q0的VEB。 140℃時，VEB=375.8mV。所以初步設定VREF=375.8mV。

　　② 確定反饋抽取電流I2

　　斷開反饋回路，用理想電流源ISS代替I2。對ISS進行參數掃描，觀察VEB=375.8mV所對應的溫度。 ISS=1μA～5μA，步長1μA： ISS=1μA T=133.41℃ ISS=2μA T=144.44℃

　　ISS=1μA～2μA，步長0.1μA： ISS=1.5μA T=139.79℃ ISS=1.6μA T=140.83℃

　　ISS=1.5μA～1.6μA，步長0.01μA： ISS=1.51μA T=139.9℃ ISS=1.52μA T=140.01℃

　　若管子M22的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯管字數取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=4，則M18的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯管子數取為3，即Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=3

　　所以，初步確定反饋抽取的電流I2=5μA -1.52μA=3.48μA 從而可以確定M18管與M22管的寬長比

　　若管子M22的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯管字數取為4，即Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=4，則M18的寬長比取為2，溝道長度取1μA，并聯管子數取為3，即Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=3

　　③ 作為電流鏡的管子的參數選取

　　由于每條支路的電流都相等，所以相關的管子參數取成相同即可。 N型管子（M21，M22）：Wn=2μA，Ln= 1μA，Mutiply=4； P型管子（M9，M10）：Wp=1μA，Lp=1.1μA，Mutiply=2； 低壓共源共柵電流鏡的管子（M1～M6）：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1； 為低壓共源共柵電流鏡提供偏置的管子（M7，M8）：Wp=20μA，Lp=1.1μA，Mutiply=1；

　　共源共柵電流鏡的管子（M14，M19）：M19的參數與M22相同， M14的參數可取Wn=10μA，Ln= 1μA，Mutiply=1；

　　為共源共柵電流鏡提供偏置的管子（M15，M20）：M15參數可與M14取成相同，M22與M19取成相同，將M14的柵壓偏置為VGS20+VGS15。

　　④ 兩級運放的參數選取

　　第一級（M11、M12、M16、M17）：M11、M12，Wn=40μA，Ln= 1μA，Mutiply=1；M116、M117，Wn=20μA，Ln= 1μA，Mutiply=1；

　　第二級（M0，M1，M2）：M0的參數確定應依據反相器的輸入特性，滿足

　　⑤ 反饋回路參數確定

　　M18的參數已根據反饋回路抽取的電流確定；M13的參數確定應依據反相器的輸出特性，滿足

　　第二部分

　　電流源設計

　　一．電流源電路原理

　　設計電路圖如下

　　圖3.電流源實際電路

　　首先由1，2支路產生PTAT電流，經過3支路產生基準電壓，再由4支路轉換為基準電流。5，6支路為4支路電流的鏡像。

　　由于X，Y點電位以及1，2支路電流相等，則：

　　因此只要I3為正的溫度系數，VBE為負的溫度系數，調節R2則在一定溫度范圍內VM的溫度系數可以很小（這里忽略電阻溫度系數）。

　　調節支路3，4MOS管的寬長比，可使N電位與M點相同則4支路電流：

　　I4即為溫度系數很小的電流，注意到I12與電壓源無關，則得到的I4也于電壓源無關，這樣再由電流鏡鏡像可得到不同電流值的基準電流。?

　　二．器件參數估算

　　①電流分配：

　　②參數計算（300K）

　　第三部分

　　仿真結果與分析驗證

　　設計指標

　　按照以上設計的電路，用HSPICE軟件對其進行仿真，器件模型參數采用0.5μM的CMOS工藝。仿真結果如下。

　　1. 整體靜態工作電流

　　整體靜態工作電流大致可分為三個區間 VDD=0～1V，截止區，總靜態工作電流為0；

　　VDD=1～2.5V，線性區，總靜態工作電流快速線性增長； VDD=2.5～5.5V，工作區，總靜態工作電流比較穩定，隨電壓的增加緩慢增長。

　　在工作區，總的靜態電流IQ=48～58μA，基本滿足設計要求（《60μA）。

　　2. 電流源溫度特性

　　3. 電流源電壓特性

　　電流源隨電壓變化大致可分為三個區間 VDD=0～1V，截止區，IREF為0；

　　VDD=1～2.5V，線性區，IREF快速線性增長；

　　VDD=2.5～5.5V，工作區，IREF比較穩定，隨電壓的增加緩慢增長。 在工作區， IREF=9～10.5μA，基本滿足設計要求（IREF=10±2μA）

　　4.整體電路工藝穩定性

　　如圖所示整體電路工藝穩定性比較好，取不同的工藝角進行仿真時，上升翻轉溫度為158～162℃，符合設計要求（160±5℃）；下降翻轉溫度為139～142℃，符合設計要求（140±5℃）。

　　第四部分

　　設計總結

　　我們在設計的過程中將溫度保護的參考電路進行了修改，將反饋回路改為直接抽取三極管發射極的電流，這樣差動放大器上的兩個電阻也可以去除，使電路原理更加簡單而且簡化了電路。另外，通過將反饋回路M13管改為N管（參考電路為P管），節省了一個反相器。這樣不僅結構簡單，工藝上容易實現，而且對電源電壓、工藝參數變化引起的溫度閾值的漂移具有較強的抑制能力。HSPICE仿真結果表明，該電路關斷和恢復閾值點準確，遲滯的大小可以調節，很好的實現了過溫保護的功能，各項指標完全滿足設計要求。

　　在此次設計中，我們也遇到了很多困難。一些基礎知識掌握的不是很牢固，手工計算的結果與仿真的結果差距比較大。在溫度保護電路中起初我們對于遲滯比較器的反饋電路的原理無法理解，通過討論仍然無法解決，我們認為這是設計中最關鍵的問題，而電流源部分由于帶隙基準學過，也做過CAD實驗，所以認為問題不大。可是實際情況與預料的恰恰相反。遲滯比較器的反饋部分通過改變電路結構一下解決了，但電流源卻一直調試不出。原以為不是很重要的啟動電路部分，大大影響了電流源的性能。所以最后我們只能抽出兩人調電流源。最后在大家通力合作下終于完成了。可見設計是一個整體，電路的任何一個我們看來不重要的部分都會影響整體的性能。一個部分性能的非常突出，對整體性能的影響不大；但如果一個地方性能不好，整體的性能都會變差。所以模擬電路設計不是要把一個部分做的最好，而是將各個部分協調好；不是把一個指標做到最好，而是將各個指標協調好，都滿足設計要求即可，有時不能追求盡善盡美。另外，也體會到了合作的重要性。溫度保護電路調好后，由于電流源還沒調好，所以無法進行最終調試。由于電流是否穩定會大大影響翻轉電平的穩定，所以一環扣一環，無法進行最后調試，就不能最終調試溫度保護電路。所以我們體會到了團隊合作的重要性。這意味著我們的工作不僅影響他人的工作，更加基于他人的工作