PAGEPAGE38過壓保護電路的理論基礎概述目錄TOC\o"1-3"\h\u2402過壓保護電路的理論基礎概述 1186981.1電流鏡 1201681.2差動放大電路 2122531.3二級放大電路 4134081.4亞閾值壓區(qū)MOS模型 4295721.5電壓比較器 5174671.6基準電流源 61.1電流鏡圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s11電流鏡一般情況下,器件的溝道是相同的,若我們忽略兩個溝道間在長度上的調(diào)制則可能有：IinIout得:Iout該電路的一個關鍵性的特點是，它不僅可以精確地自動復制輸出電流而并且不受生產(chǎn)工藝和使用溫度的變化影響，可以直觀的看出看到輸出電流Iout與Iin之間的關系是M1和M2兩個管子的幾何尺寸的各個參數(shù)的比值，該參數(shù)值可以將其控制在合理的范圍內(nèi)[]高福林,高凌云,張利研.漏電保護器的選用[J].低溫建筑技術,2000(1):40-40.(1)參考電流源通過M1(2)相同的參考電壓加在M2管的柵上產(chǎn)生輸出電流I(3)由于M1管和M2管滿足匹配特性條件，即M1管和M2管的開啟電壓、載流子遷移率等完全相同[[]王世東.Buck三電平直流變化器的閉環(huán)控制策略研究[D].蘭州交通大學,2017.

]，因此[]王世東.Buck三電平直流變化器的閉環(huán)控制策略研究[D].蘭州交通大學,2017.

電流鏡所遵循的基本原理就是：如果兩個管子的柵源極電壓相等，其他的參數(shù)也相同的話，那么兩個溝道上的電流也對應與之相等[[][]PhillipE,Allen,DouglasR.Holberg.CMOS模擬集成電路設計[M].電子工業(yè)出版社,2011.1.2差動放大電路在過壓比較電路中起關鍵作用的是差動放大器。對于已知的過壓保護電路而言，比較器是連接模擬與數(shù)字的“紐帶”，即過壓保護需經(jīng)過數(shù)模結(jié)合的電路才能實現(xiàn)其功能，其所需的芯片面積較大，且結(jié)構(gòu)復雜，許多個模塊的配合才能實現(xiàn)其功能。若是能夠不需要數(shù)?；旌想娐肪涂梢詫崿F(xiàn)過壓保護，那么將極大節(jié)省芯片面積，提高芯片的利用效率，具有極高的經(jīng)濟效益，符合現(xiàn)代科技高速發(fā)展的需要。那么我們針對過壓比較研究的一個重點就是落在差動放大器上,差動放大器處理的是電路兩端的輸入信號的差值，和輸入信號的絕對值沒有任何關系[[]胡明稹.鋰電池集成保護電路的設計與研究[D].四川:電子科技大學,2019.[]胡明稹.鋰電池集成保護電路的設計與研究[D].四川:電子科技大學,2019.(1)隨時間變化的電源電壓波動；(2)集成電路中的襯底電壓波動；(3)集成電路隨溫度的變化。差動放大器不僅能夠滿足實現(xiàn)過壓比較電路的需求，而且還具有許多其他運放所不具備的優(yōu)點[[]杜峰[]杜峰.基于延時動作的漏電保護開關分級保護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電氣開關,2006,44(1):32-33,37.DOI:10.3969/j.issn.1004-289X.2006.01.013.（1）對環(huán)境的噪聲具有較強的抗干擾能力，更適用于對敏感信號的處理；（2）抑制電源噪聲（3）輸出電壓擺幅更大（4）相對于普通運放，差動具有更高的線性度因此，對差動放大器進行研究是本課題研究的關鍵之一。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s12差動放大器該電路的工作原理：如圖2-2，M1和M2構(gòu)成一個基本差分對，M3和M4充當負載，M5作為電流源為差分對提供穩(wěn)定的電流。若VP、VN從?∞變化到+∞，如果VP比VN負的多，則M1管截止，M2管導通，此時VA=VDD,VO=VDD?當VP=V當VP大于VN時，流過M1晶體管的電流將超過M2管的電流，從而便VA對于足夠大的VP、VN，M1管流過所有IM5的電流，因此V由上可得：輸出端的最大電平和最小電平是確定的如果輸入電壓擺幅開始增大，那么電路的非線性度會升高。偏置電路，在差分放大器電路中，偏置電流尤為重要。在直流差分信號放大器件電路中,如果VP、VN存在較大的輸入共模電平干擾,如果直流輸入共模輸出電平輸入設置方式有誤,隨著直流共模電平輸入跨導電平的發(fā)生變化,M1和M2的偏置輸入電流將發(fā)生改變,導致放大器件的輸入跨導和直流輸出共模電平發(fā)生變化從而直接導致小功率信號輸出增益的大大改變,以及最大功率允許進入輸出信號擺幅的大大降低[[[]宋作貴.對漏電保護開關現(xiàn)行標準的思考[J].家庭電子,2005(18):57-58.由于使用M1和M2組成的共模差分對將M5引入充當穩(wěn)定的輸入電流源，使得IM3+IM4不依賴于每個共模端的輸入電平，這樣的話，當VP=V1.3二級放大電路如果僅僅是采用一個一級式的差分信號放大輸出電路,產(chǎn)生的電流信號則會直接流過輸出阻抗。因此,這些輸入電路的增益受限于電路輸入對管的功率跨導和輸出阻抗的功率乘積,并且這些輸入電路的級聯(lián)不僅增加了電路增益,而且限制輸出擺幅。因此為了既同時能夠有效保證輸出增益,也同時能夠有效提高電路輸出放大擺幅,擬采用二級放大控制電路:第一級電路用來提供高輸出增益,第二級放大電路與提供大的輸出擺幅。與同一級聯(lián)運算放大器結(jié)構(gòu)相反,兩級級聯(lián)結(jié)構(gòu)將輸出增益和擺幅要求分開用以表示[[][]ANALOGDEVICES,INC..Apparatusandmethodsforovervoltageswitcheswithactiveleakagecurrentcompensation:US201514638880[P].2018-03-27.如圖2-3所示，第一級放大是差動放大電路，第二級是一個簡單的共源經(jīng)典結(jié)構(gòu)，為了能夠提供最大的信號輸出擺幅，左側(cè)的偏置電壓輸入端為兩級運放提供偏置電壓。圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s13二級放大電路1.4亞閾值壓區(qū)MOS模型柵-源輸入電壓一般當輸入信號等于或者僅低于閾值電壓時，在該開關器件中幾乎不會產(chǎn)生柵源電流。實際上并非如此。當?shù)娜≈当平鼤r，函數(shù)的定義和特性從平方律開始轉(zhuǎn)化為指數(shù)。超過了閾值電壓的區(qū)域稱為強反型層。而比閾值電壓低的區(qū)域稱為亞閾區(qū)。1.5電壓比較器對于漏電保護器的過壓保護電路而言，其第一個關鍵就是產(chǎn)生過壓信號。即需要一個能夠?qū)⑼獠枯斎腚妷号c基準電壓進行比較，若外部電壓的值超過基準電壓所允許的范圍，產(chǎn)生一個過壓信號并將該信號傳輸給過壓保護電路。提起過壓比較，首先想到的就是電壓比較器，工作原理如圖2-4所示[[]王野.[]王野.30kV高壓電源控制電路及其過壓保護電路設計[D].遼寧:沈陽師范大學,2014.圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s14電壓比較器工作原理比較器雖為模擬電路但實際上它的功能更趨于數(shù)字電路。雖然比較器的輸入是兩個模擬輸入量進行比較，但是比較的輸出結(jié)果是數(shù)字電路所需要的高低電平。根據(jù)功能需求，設計了NMOS管比較器。該比較器設置一個基準電壓，將外部輸入電壓與之進行比較，當基準電壓高時，輸出為低電平；反之，輸出高電平[[]XieCL.LeakageProtectionSwitchwithOvervoltageProtectiveFunction[J].ElectricSwitchgear,2001,232:5-7.]。比較器的輸出供給數(shù)字電路的過壓保護機制電路處理。[]XieCL.LeakageProtectionSwitchwithOvervoltageProtectiveFunction[J].ElectricSwitchgear,2001,232:5-7.以兩個NMOS管作為差分對實現(xiàn)外部輸入最大值與基準電壓的比較（NMOS管柵端接高電平電壓時，NMOS才會導通）。在圖中，vG1輸入外部電壓，v圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s15NMOS管比較器如圖2-5所示，可以將比較器的電路分為兩部分，第一部分為電流鏡，由管子M8與M5構(gòu)成，其功能實現(xiàn)電流漏，從外部的電路給該電路輸入偏置電流，提供穩(wěn)定的電流源；第二部分為差動放大器，Ml和M2的這種結(jié)構(gòu)稱為源極耦合對。差分放大器由MI和M2（n溝道MOSFET）構(gòu)成的。該比較器的輸出與vG1和vG2的具體大小無關，只與vG11.6基準電流源基準電流源是模擬電路必不可少的一部分。好的電流源會影響到電路的整體性能。理想的基準電流源應該是與溫度和電源的變化沒有關系的。圖STYLEREF1\s2SEQ圖\*ARABIC\s16理想基準電流伏安特性曲線圖STYLEREF1\s2-SEQ圖\*ARABIC\s17電流鏡偏置使用理想電流源如圖2-7左面的電路圖，如果VDD的變化不能影響IREF的大小，并且忽略M2和M3的溝道長度效應，那么電流ID2和ID3的大小就和電源電壓無關。產(chǎn)生?Iout因此，為了得到不對電源電壓敏感的方法，我們使電路自己進行偏置，即IREF必須通過某種方式有輸出電流Iout得到[[]張昊.基準電壓源和比較器的