CMOS驱动
高速转换器的lvds,cml,coms数字输出的分析和对比
高速转换器的lvds,cml,coms数字输出的分析和对比
设计人员有各种模数转换器(ADC)可以选择，数字数据输出类型是选择过程中需要考虑的一项重要参数。
目前，高速转换器三种最常用的数字输出是互补金属氧化物半导体(CMOS)、低压差分信号(LVDS)和电流模式逻辑(CML)。
ADC中每种数字输出类型都各有优劣，设计人员应根据特定应用仔细考虑。
这些因素取决于ADC的采样速率和分辨率、输出数据速率、系统设计的电源要求，以及其他因素。
本文将讨论每种输出类型的电气规格，及其适合特定应用的具体特点。
我们将从物理实现、效率以及最适合每种类型的应用这些方面来对比这些不同类型的输出。
CMOS数字输出驱动器
在采样速率小于200 MSPS的ADC中，CMOS是很常见的数字输出。
典型的CMOS驱动器由两个晶体管(一个NMOS和一个PMOS)组成，连接在电源(VDD)和地之间，如图1a所示。
这种结构会导致输出反转，因此，可以采用图1b所示的背对背结构作为替代方法，避免输出反转。
输出为低阻抗时，CMOS输出驱动器的输入为高阻抗。
在驱动器的输入端，由于栅极与导电材料之间经栅极氧化层隔离，两个CMOS晶体管的栅极阻抗极高。
输入端阻抗范围可达k至M级。
在驱动器输出端，阻抗由漏电流ID控制，该电流通常较小。
此时，阻抗通常小于几百。
CMOS的电平摆幅大约在VDD和地之间，因此可能会很大，具体取决于VDD幅度。
cmos设置
CMOS设置什么是CMOS？CMOS是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor的缩写，中文译为互补金属氧化物半导体。
它通常用于计算机硬件中的一种技术，用于存储和提供系统设置。
CMOS芯片的作用CMOS芯片是计算机主板上的一块芯片，其主要作用是存储BIOS设置和控制计算机的基础配置。
它也负责管理系统的实时时钟（RTC）和保存密码等敏感信息。
如何进入CMOS设置要进入CMOS设置，首先需要重启计算机。
当计算机重新启动时，按下指定的按键，通常是Del键、F1键或F2键，以进入BIOS设置界面。
在BIOS设置界面中，可以找到相关的设置选项，包括系统时间和日期、启动顺序、CPU和内存设置等。
CMOS设置的常见选项以下是CMOS设置中常见的选项：1.系统时间和日期设置：用于设置计算机的当前时间和日期。
通常可以手动设置或从操作系统同步。
2.引导顺序设置：用于设置系统启动时按照何种顺序检测和选择启动设备。
可以选择从硬盘、光盘、USB设备或网络启动。
3.CPU和内存设置：用于设置CPU频率、电压、内存频率和电压等。
这些设置需要根据硬件规格和性能需求进行调整。
4.硬盘设置：用于设置硬盘驱动器的参数，包括IDE模式、AHCI模式和RAID模式等。
B设置：用于启用或禁用USB接口，以及设置USB设备的优先级。
6.安全设置：用于设置系统密码、启用或禁用启动密码、管理系统访问权限等安全选项。
7.电源管理设置：用于设置系统的电源管理选项，包括睡眠模式、关机时间、电源管理模式等。
CMOS设置的注意事项在修改CMOS设置之前，需要注意以下几点：1.谨慎修改：修改CMOS设置可能会对计算机的正常运行产生影响，因此在修改设置之前，最好备份当前的设置，以便在需要时恢复到以前的状态。
2.了解硬件规格：在修改CPU和内存设置时，需要了解硬件的规格和处理器的支持频率，以避免超频或不当的设置。
3.遵循制造商建议：在修改CMOS设置时，建议参考计算机制造商的建议和文档，以确保正确的设置和最佳的性能。
逻辑门电路使用中的几个实际问题
逻辑门电路使用中的几个实际问题以上讨论了几种逻辑门电路特别是重点地讨论了TTL和CMOS两种电路。
在具体的应用中可以根据要求来选用何种器件。
器件的主要技术参数有传输延迟时间、功耗、噪声容限，带负载能力等，据此可以正确地选用一种器件或两种器件混用。
下面对几个实际问题，如不同门电路之间的接口技术，门电路与负载之间的匹配等进行讨论。
一、各种门电路之间的接口问题在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，例如，TTL和CMOS两种器件都要使用。
由前面几节的讨论已知，每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件：1.驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值。
2.驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。
3.驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高。
低电压值。
其中条件１和２，属于门电路的扇出数问题，已在第四节作过详细的分析。
条件３属于电压兼容性的问题。
其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。
下面分别就CMOS门驱动TTL 门或者相反的两种情况的接口问题进行分析。
1.CMOS门驱动TTL门在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。
下图表示CMOS门驱动TTL门的简单电路。
当CMOS门的输出为高电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。
例2.9.1——74HC00与非门电路用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。
试验算此时的CMOS门电路是否过载？解：（1）查相关手册得接口参数如下：一个基本的TTL门电路，I IL＝1.6mA，六个74LS门的输入电流I IL＝6×0.4mA＝2.4mA。
总的输入电流I IL(total)＝1.6mA＋2.4mA＝4mA。
（2）因74HC00门电路的I OL＝I IL＝4mA，所驱动的TTL门电路未过载。
CMOS参数设置详解
CMOS参数设置详解BIOS与CMOS在⽇常操作和维护计算机的过程中，常常可以听到有关 BIOS设置和CMOS设置的⼀些说法，但这两种设置是⼀回事吗?BIOS是什么?所谓BIOS，实际上就是微机的基本输⼊输出系统（Basic Input－Output System），其内容集成在微机主板上的⼀个ROM芯⽚上，主要保存着有关微机系统最重要的基本输⼊输出程序，系统信息设置、开机上电⾃检程序和系统启动⾃举程序等。
BIOS的功⽤BIOS ROM芯⽚不但可以在主板上看到，⽽且BIOS管理功能如何，在很⼤程度上决定了主板性能是否优越。
BIOS管理功能主要包括：1、BIOS中断服务程序BIOS中断服务程序实质上是微机系统中软件与硬件之间的⼀个可编程接⼝，主要⽤于程序软件功能与微机硬件之间实现衔接。
例如，DOS和Windows操作系统中对软盘、硬盘、光驱、键盘、显⽰器等外围设备的管理，都是直接建⽴在BIOS系统中断服务程序的基础上，⽽且操作⼈员也可以通过访问INT 5、INT 13等中断点⽽直接调⽤BIOS中断服务程序。
2、BIOS系统设置程序微机部件配置记录是放在⼀块可读写的 CMOS RAM 芯⽚中的，主要保存着系统基本情况、CPU特性、软硬盘驱动器、显⽰器、键盘等部件的信息。
在 BIOS ROM芯⽚中装有“系统设置程序”，主要⽤来设置CMOS RAM中的各项参数。
这个程序在开机时按下某个特定键即可进⼊设置状态，并提供了良好的界⾯供操作⼈员使⽤。
事实上，这个设置CMOS参数的过程，习惯上也称为“ BIOS设置”。
⼀旦CMOS RAM芯⽚中关于微机的配置信息不正确时，轻者会使得系统整体运⾏性能降低、软硬盘驱动器等部件不能识别，严重时就会由此引发系统的软硬件故障。
3、 POST上电⾃检微机接通电源后，系统⾸先由POST（Power On Self Test,上电⾃检）程序来对内部各个设备进⾏检查。
通常完整的POST⾃检包括对 CPU、640K基本内存、 1M以上的扩展内存、ROM、主板、CMOS存贮器、串⾏并⾏⼝、显⽰卡、软硬盘⼦系统及键盘进⾏测试，⼀旦在⾃检中发现问题，系统将给出提⽰信息或鸣笛警告。
基于集成芯片MC34152和CMOS逻辑器件的软开关变换器驱动电路设计
基于集成芯片MC34152和CMOS逻辑器件的软开关变换器驱动电路设计在高频PWM开关变换器中，为保证功率MOSFET在高频、高压、大电流下工作，要设计可靠的栅极驱动电路。
一个性能良好的驱动电路要求触发脉冲应具有足够快的上升和下降速度，脉冲前后沿要陡峭；驱动源的内阻要足够小、电流要足够大，以提高功率MOSFET 的开关速度；为了使功率MOSFET可靠触发导通，栅极驱动电压应高于器件的开启电压；为防止误导通，在功率MOSFET截止时最好能提供负的栅-源电压。
而对于软开关变换器，在设计驱动电路时，还需考虑主开关与辅助开关驱动信号之间的相位关系。
本文以升压ZVT-PWM变换器为例，用集成芯片MC34152和CMOS逻辑器件设计了一种可满足以上要求的软开关变换器驱动电路。
MC34152MC34152是一款单片双MOSFET高速集成驱动器，具有完全适用于驱动功率MOSFET的两个大电流输出通道，且具有低输入电流，可与CMOS和LSTTL逻辑电路相容。
MC34152的每一通道包括逻辑输入级和功率输出级两部分。
输入级由具有最大带宽的逻辑电路施密特触发器组成，并利用二极管实现双向输入限幅保护。
输出级被设计成图腾柱(totem pole)电路结构形式。
基准电压为5.7V的比较器与施密特触发器输出电平的逻辑判定决定了与非门的输出状态(同相或反相输出)，进而决定了两个同型输出功率管的“推”或“挽”工作状态。
这种结构使该芯片具有强大的驱动能力及低的输出阻抗，其输出和吸收电流的能力可达1.5A，在1.0A时的标准通态电阻为2.4W，可对大容性负载快速充放电；对于1000pF 负载，输出上升和下降时间仅为15ns，逻辑输入到驱动输出的传输延迟(上升沿或下降沿)仅为55ns，因而可高速驱动功率MOSFET。
每个输出级还含有接到VCC的一个内置二极管，用于箝制正电压瞬态变化，而输出端要接100KW降压电阻，用于保证当VCC低于1.4V 时，保持MOSFET栅极处于低电位。
上拉和下拉电阻,TTL和CMOS
关于电路的那些常识性概念本文引用地址：/article/201603/287955.htm作者：时间：2016-03-08来源：电子产品世界一.TTLTTL集成电路的主要型式为晶体管-晶体管逻辑门(transistor-transistor logic gate)，TTL大部分都采用5V电源。
1.输出高电平Uoh和输出低电平UolUoh≥2.4V,Uol≤0.4V2.输入高电平和输入低电平Uih≥2.0V，Uil≤0.8V二.CMOSCMOS电路是电压控制器件，输入电阻极大，对于干扰信号十分敏感，因此不用的输入端不应开路，接到地或者电源上。
CMOS电路的优点是噪声容限较宽，静态功耗很小。
1.输出高电平Uoh和输出低电平UolUoh≈VCC，Uol≈GND2.输入高电平Uoh和输入低电平UolUih≥0.7VCC,Uil≤0.2VCC (VCC为电源电压，GND为地)从上面可以看出:在同样5V电源电压情况下，COMS电路可以直接驱动TTL，因为CMOS 的输出高电平大于2.0V,输出低电平小于0.8V;而TTL电路则不能直接驱动CMOS电路，TTL的输出高电平为大于2.4V，如果落在2.4V～3.5V之间，则CMOS电路就不能检测到高电平，低电平小于0.4V满足要求，所以在TTL电路驱动COMS电路时需要加上拉电阻。
如果出现不同电压电源的情况，也可以通过上面的方法进行判断。
如果电路中出现3.3V的COMS电路去驱动5V CMOS电路的情况，如3.3V单片机去驱动74HC,这种情况有以下几种方法解决，最简单的就是直接将74HC换成74HCT(74系列的输入输出在下面有介绍)的芯片，因为3.3V CMOS 可以直接驱动5V的TTL电路;或者加电压转换芯片;还有就是把单片机的I/O口设为开漏，然后加上拉电阻到5V，这种情况下得根据实际情况调整电阻的大小，以保证信号的上升沿时间。
三.74系列简介74系列可以说是我们平时接触的最多的芯片，74系列中分为很多种，而我们平时用得最多的应该是以下几种：74LS，74HC，74HCT这三种，这三种系列在电平方面的区别如下：输入电平输出电平74LS TTL电平 TTL电平74HC COMS电平 COMS电平74HCT TTL电平 COMS电平————————————————————————————TTL和CMOS电平1、TTL电平(什么是TTL电平)：输出高电平>2.4V,输出低电平<0.4V。
电平转换 (TTL电路与CMOS电路的接口)
电路设计时，你可以不懂集成电路的内部结构，但是初学者必须掌握电平转换设计理论及其基本方法，否则，你的电路将“罢工”。
以下主要是参考阎石教授主编的《数字电子技术基础》编辑的，最后一部分我写了一点实际工作中遇到的电平匹配案例。
希望此文对初学者有所帮助。
无论是TTL电路驱动CMOS电路还是CMOS电路驱动TTL电路，驱动门必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，也就是必须满足下列各式（表1）其中n和m分别为负载电流中I(IH)，I（IL）的个数。
为便于比较对照，下表中列出了TTL和CMOS两种电路输出电压、输出电流、输入电压、输入电流的参数。
（表2）*系CC4000系列CMOS门电路在VDD=5V时的参数。
一．用TTL电路驱动CMOS电路1．用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路从上表中的数据可以看出，无论是74系列TTL电路做驱动门还是74LS系列TTL电路做驱动门，都能在n，m大于1的情况下满足V(OL(max)) ≤V(IL(max))，I(OH(max)) ≥ n I(IH(max))，I(OL(max)) ≥ m I(IL(max))，但是不满足V(OH(min)) ≥V(IH(min))。
所以，必须将TTL电路输出高电平提升到3.5V以上。
最简单的解决方法是在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻R.在CMOS电路的电源电压较高时，它所要求的VIH(min)值将超过推拉式输出结构TTL电路输出端能够承受的电压。
例如CMOS电路在VDD=15V时，要求VIH(min)=11V。
因此，TTL电路输出的高电平必须大于11V。
在这种情况下，应采用集电极开路输出结构的TTL门电路（OC门）作为驱动门。
OC门输出端三极管的耐压较高，可达30V以上。
另一种解决方法是使用带电平偏移的CMOS门电路实现电平转换。
2．用TTL电路驱动74HCT系列CMOS门电路为了能方便地实现直接驱动，又生产了74HCT系列高速CMOS电路。
TTL---CMOS
TTL/CMOS全称？能否互连，和使用CMOS注意事项最佳答案TTL:Transistor-Transistor Logic,即逻辑门电路CMOS:Complementary Metal Oxide Semiconductor指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路肯定可以互连，都可以用于数字集成电路。
使用CMOS集成电路需注意的几个问题集成电路按晶体管的性质分为TTL和CMOS两大类，TTL以速度见长，CMOS以功耗低而著称，其中CMOS电路以其优良的特性成为目前应用最广泛的集成电路。
在电子制作中使用CMOS集成电路时，除了认真阅读产品说明或有关资料，了解其引脚分布及极限参数外，还应注意以下几个问题：1、电源问题（1）CMOS集成电路的工作电压一般在3－18V，但当应用电路中有门电路的模拟应用（如脉冲振荡、线性放大）时，最低电压则不应低于4．5V。
由于CMOS集成电路工作电压宽，故使用不稳压的电源电路CMOS集成电路也可以正常工作，但是工作在不同电源电压的器件，其输出阻抗、工作速度和功耗是不相同的，在使用中一定要注意。
（2）CMOS集成电路的电源电压必须在规定范围内，不能超压，也不能反接。
因为在制造过程中，自然形成许多寄生二极管，如图1所示为反相器电路，在正常电压下，这些二极管皆处于反偏，对逻辑功能无影响，但是由于这些寄生二极管的存在，一旦电源电压过高或电压极性接反，就会使电路产生损坏。
2、驱动能力问题CMOS电路的驱动能力的提高，除选用驱动能力较强的缓冲器来完成之外，还可将同一个芯片几个同类电路并联起来提高，这时驱动能力提高到N倍（N为并联门的数量）。
如图2所示。
3、输入端的问题（1）多余输入端的处理。
CMOS电路的输入端不允许悬空，因为悬空会使电位不定，破坏正常的逻辑关系。
另外，悬空时输入阻抗高，易受外界噪声干扰，使电路产生误动作，而且也极易造成栅极感应静电而击穿。
TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等常见的电平标准
下面总结一下各电平标准。
现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等,还有一些速度比较高的 LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等.下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项.TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构。
Vcc：5V;VOH〉=2。
4V;VOL<=0。
5V；VIH〉=2V;VIL<=0。
8V.因为2。
4V与5V之间还有很大空闲,对改善噪声容限并没什么好处,又会白白增大系统功耗，还会影响速度.所以后来就把一部分“砍”掉了。
也就是后面的LVTTL。
LVTTL又分3.3V、2。
5V以及更低电压的LVTTL（Low Voltage TTL）。
3。
3V LVTTL：Vcc：3.3V；VOH>=2。
4V;VOL<=0。
4V；VIH〉=2V；VIL〈=0.8V.2.5V LVTTL：Vcc：2。
5V；VOH〉=2。
0V；VOL<=0。
2V；VIH>=1.7V；VIL〈=0。
7V。
更低的LVTTL不常用就先不讲了。
多用在处理器等高速芯片，使用时查看芯片手册就OK了。
TTL使用注意:TTL电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或33欧电阻； TTL电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。
要下拉的话应用1k以下电阻下拉.TTL输出不能驱动CMOS输入。
CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor PMOS+NMOS。
Vcc：5V；VOH〉=4.45V；VOL<=0。
5V；VIH〉=3。
5V;VIL〈=1.5V。
相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗.对应3.3V LVTTL，出现了LVCMOS,可以与3。
3V的LVTTL直接相互驱动。
3.3V LVCMOS：Vcc：3.3V；VOH>=3。
CMOS的含义
CMOS应用一，计算机领域CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，本意是指互补金属氧化物半导体——一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料）是微机主板上的一块可读写的ROM芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。
CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。
CMOS ROM 本身只是一块存储器，只有数据保存功能，而对CMOS中各项参数的设定要通过专门的程序。
早期的CMOS设置程序驻留在软盘上的(如IBM的PC/AT机型)，使用很不方便。
现在多数厂家将CMO S设置程序做到了BIOS芯片中，在开机时通过按下某个特定键就可进入CMOS设置程序而非常方便地对系统进行设置，因此这种CMOS设置又通常被叫做BIOS设置。
CMOS由PMOS管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。
由于CMOS中一对MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么NMOS导通、要么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低，因此，计算机里一个纽扣电池就可以给它长时间地提供电力。
在计算机领域，CMOS常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的芯片。
有时人们会把CMOS和BIOS混称，其实CMOS是ＣＰＵ中的一块只读的ROM芯片，是用来保存BIOS的硬件配置和用户对某些参数的设定。
CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丢失。
早期的CMOS是一块单独的芯片MC146818A(DIP封装)，共有64个字节存放系统信息。
386以后的微机一般将 MC146818A芯片集成到其它的IC芯片中(如82C206，PQFP封装)，586以后主板上更是将CMOS 与系统实时时钟和后备电池集成到一块叫做DALLDA DS1287的芯片中。
随着微机的发展、可设置参数的增多，现在的CMOS RAM一般都有128字节及至256字节的容量。
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MOS管驱动电路综述分类：电源技术类文章在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候,大部分人都会考虑MOS的导通电阻,最大电压等,最大电流等,也有很多人仅仅考虑这些因素.这样的电路也许是可以工作的,但并不是优秀的,作为正式的产品设计也是不允许的.下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结,其中参考了一些资料,非全部原创.包括MOS管的介绍,特性,驱动以及应用电路.1,MOS管种类和结构MOSFET管是FET的一种(另一种是JFET),可以被制造成增强型或耗尽型,P 沟道或N沟道共4种类型,但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管,所以通常提到NMOS,或者PMOS指的就是这两种.至于为什么不使用耗尽型的MOS管,不建议刨根问底.对于这两种增强型MOS管,比较常用的是NMOS.原因是导通电阻小,且容易制造.所以开关电源和马达驱动的应用中,一般都用NMOS.下面的介绍中,也多以NMOS为主.MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在,这不是我们需要的,而是由于制造工艺限制产生的.寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些,但没有办法避免,后边再详细介绍.在MOS管原理图上可以看到,漏极和源极之间有一个寄生二极管.这个叫体二极管,在驱动感性负载(如马达),这个二极管很重要.顺便说一句,体二极管只在单个的MOS管中存在,在集成电路芯片内部通常是没有的.2,MOS管导通特性导通的意思是作为开关,相当于开关闭合.NMOS的特性,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动),只要栅极电压达到4V或10V就可以了.PMOS的特性,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动).但是,虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动,但由于导通电阻大,价格贵,替换种类少等原因,在高端驱动中,通常还是使用NMOS.3,MOS开关管损失不管是NMOS还是PMOS,导通后都有导通电阻存在,这样电流就会在这个电阻上消耗能量,这部分消耗的能量叫做导通损耗.选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗.现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右,几毫欧的也有.MOS在导通和截止的时候,一定不是在瞬间完成的.MOS两端的电压有一个下降的过程,流过的电流有一个上升的过程,在这段时间内,MOS管的损失是电压和电流的乘积,叫做开关损失.通常开关损失比导通损失大得多,而且开关频率越快,损失也越大.导通瞬间电压和电流的乘积很大,造成的损失也就很大.缩短开关时间,可以减小每次导通时的损失;降低开关频率,可以减小单位时间内的开关次数.这两种办法都可以减小开关损失.4,MOS管驱动跟双极性晶体管相比,一般认为使MOS管导通不需要电流,只要GS电压高于一定的值,就可以了.这个很容易做到,但是,我们还需要速度.在MOS管的结构中可以看到,在GS,GD之间存在寄生电容,而MOS管的驱动,实际上就是对电容的充放电.对电容的充电需要一个电流,因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路,所以瞬间电流会比较大.选择/设计MOS管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小.第二注意的是,普遍用于高端驱动的NMOS,导通时需要是栅极电压大于源极电压.而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同,所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V.如果在同一个系统里,要得到比VCC大的电压,就要专门的升压电路了.很多马达驱动器都集成了电荷泵,要注意的是应该选择合适的外接电容,以得到足够的短路电流去驱动MOS管.上边说的4V或10V是常用的MOS管的导通电压,设计时当然需要有一定的余量.而且电压越高,导通速度越快,导通电阻也越小.现在也有导通电压更小的MOS管用在不同的领域里,但在12V汽车电子系统里,一般4V导通就够用了.MOS管的驱动电路及其损失,可以参考Microchip公司的AN799 Matching MOSFET Drivers to MOSFETs.讲述得很详细,所以不打算多写了.5,MOS管应用电路MOS管最显著的特性是开关特性好,所以被广泛应用在需要电子开关的电路中,常见的如开关电源和马达驱动,也有照明调光.现在的MOS驱动,有几个特别的需求,1,低压应用当使用5V电源,这时候如果使用传统的图腾柱结构,由于三极管的be有0.7V左右的压降,导致实际最终加在gate上的电压只有4.3V.这时候,我们选用标称gate电压4.5V的MOS管就存在一定的风险.同样的问题也发生在使用3V或者其他低压电源的场合.2,宽电压应用输入电压并不是一个固定值,它会随着时间或者其他因素而变动.这个变动导致PWM电路提供给MOS管的驱动电压是不稳定的.为了让MOS管在高gate电压下安全,很多MOS管内置了稳压管强行限制gate电压的幅值.在这种情况下,当提供的驱动电压超过稳压管的电压,就会引起较大的静态功耗.同时,如果简单的用电阻分压的原理降低gate电压,就会出现输入电压比较高的时候,MOS管工作良好,而输入电压降低的时候gate电压不足,引起导通不够彻底,从而增加功耗.3,双电压应用在一些控制电路中,逻辑部分使用典型的5V或者3.3V数字电压,而功率部分使用12V甚至更高的电压.两个电压采用共地方式连接.这就提出一个要求,需要使用一个电路,让低压侧能够有效的控制高压侧的MOS 管,同时高压侧的MOS管也同样会面对1和2中提到的问题.在这三种情况下,图腾柱结构无法满足输出要求,而很多现成的MOS驱动IC,似乎也没有包含gate电压限制的结构.于是我设计了一个相对通用的电路来满足这三种需求.电路图如下:图1 用于NMOS的驱动电路图2 用于PMOS的驱动电路这里我只针对NMOS驱动电路做一个简单分析:Vl和Vh分别是低端和高端的电源,两个电压可以是相同的,但是Vl不应该超过Vh.Q1和Q2组成了一个反置的图腾柱,用来实现隔离,同时确保两只驱动管Q3和Q4不会同时导通.R2和R3提供了PWM电压基准,通过改变这个基准,可以让电路工作在PWM信号波形比较陡直的位置.Q3和Q4用来提供驱动电流,由于导通的时候,Q3和Q4相对Vh和GND最低都只有一个Vce的压降,这个压降通常只有0.3V左右,大大低于0.7V的Vce.R5和R6是反馈电阻,用于对gate电压进行采样,采样后的电压通过Q5对Q1和Q2的基极产生一个强烈的负反馈,从而把gate电压限制在一个有限的数值.这个数值可以通过R5和R6来调节.最后,R1提供了对Q3和Q4的基极电流限制,R4提供了对MOS管的gate电流限制,也就是Q3和Q4的Ice的限制.必要的时候可以在R4上面并联加速电容.这个电路提供了如下的特性:1,用低端电压和PWM驱动高端MOS管.2,用小幅度的PWM信号驱动高gate电压需求的MOS管.3,gate电压的峰值限制4,输入和输出的电流限制5,通过使用合适的电阻,可以达到很低的功耗.6,PWM信号反相.NMOS并不需要这个特性,可以通过前置一个反相器来解决.在设计便携式设备和无线产品时,提高产品性能、延长电池工作时间是设计人员需要面对的两个问题.DC-DC转换器具有效率高、输出电流大、静态电流小等优点,非常适用于为便携式设备供电.目前DC-DC转换器设计技术发展主要趋势有:(1)高频化技术:随着开关频率的提高,开关变换器的体积也随之减小,功率密度也得到大幅提升,动态响应得到改善.小功率DC-DC转换器的开关频率将上升到兆赫级.(2)低输出电压技术:随着半导体制造技术的不断发展,微处理器和便携式电子设备的工作电压越来越低,这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的要求.这些技术的发展对电源芯片电路的设计提出了更高的要求.首先,随着开关频率的不断提高,对于开关元件的性能提出了很高的要求,同时必须具有相应的开关元件驱动电路以保证开关元件在高达兆赫级的开关频率下正常工作.其次,对于电池供电的便携式电子设备来说,电路的工作电压低(以锂电池为例,工作电压2.5~3.6V),因此,电源芯片的工作电压较低.MOS管具有很低的导通电阻,消耗能量较低,在目前流行的高效DC-DC芯片中多采用MOS管作为功率开关.但是由于MOS管的寄生电容大,一般情况下NMOS开关管的栅极电容高达几十皮法.这对于设计高工作频率DC-DC转换器开关管驱动电路的设计提出了更高的要求.在低电压ULSI设计中有多种CMOS、BiCMOS采用自举升压结构的逻辑电路和作为大容性负载的驱动电路.这些电路能够在低于1V电压供电条件下正常工作,并且能够在负载电容1~2pF的条件下工作频率能够达到几十兆甚至上百兆赫兹.本文正是采用了自举升压电路,设计了一种具有大负载电容驱动能力的,适合于低电压、高开关频率升压型DC-DC转换器的驱动电路.电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证,在供电电压1.5V ,负载电容为60pF时,工作频率能够达到5MHz以上.自举升压电路自举升压电路的原理图如图1所示.所谓的自举升压原理就是,在输入端IN输入一个方波信号,利用电容Cboot将A点电压抬升至高于VDD的电平,这样就可以在B端输出一个与输入信号反相,且高电平高于VDD的方波信号.具体工作原理如下.当VIN为高电平时,NMOS管N1导通,PMOS管P1截止,C点电位为低电平.同时N2导通,P2的栅极电位为低电平,则P2导通.这就使得此时A点电位约为VDD,电容Cboot两端电压UC≈VDD.由于N3导通,P4截止,所以B点的电位为低电平.这段时间称为预充电周期.当VIN变为低电平时,NMOS管N1截止,PMOS管P1导通,C点电位为高电平,约为VDD.同时N2、N3截止,P3导通.这使得P2的栅极电位升高,P2截止.此时A点电位等于C点电位加上电容Cboot两端电压,约为2VDD.而且P4导通,因此B点输出高电平,且高于VDD.这段时间称为自举升压周期.实际上,B点电位与负载电容和电容Cboot的大小有关,可以根据设计需要调整.具体关系将在介绍电路具体设计时详细讨论.在图2中给出了输入端IN电位与A、B两点电位关系的示意图.驱动电路结构图3中给出了驱动电路的电路图.驱动电路采用Totem输出结构设计,上拉驱动管为NMOS管N4、晶体管Q1和PMOS管P5.下拉驱动管为NMOS管N5.图中CL为负载电容,Cpar为B点的寄生电容.虚线框内的电路为自举升压电路.本驱动电路的设计思想是,利用自举升压结构将上拉驱动管N4的栅极(B点)电位抬升,使得UB>VDD+VTH ,则NMOS管N4工作在线性区,使得VDSN4 大大减小,最终可以实现驱动输出高电平达到VDD.而在输出低电平时,下拉驱动管本身就工作在线性区,可以保证输出低电平位GND.因此无需增加自举电路也能达到设计要求.考虑到此驱动电路应用于升压型DC-DC转换器的开关管驱动,负载电容CL很大,一般能达到几十皮法,还需要进一步增加输出电流能力,因此增加了晶体管Q1作为上拉驱动管.这样在输入端由高电平变为低电平时,Q1导通,由N4、Q1同时提供电流,OUT端电位迅速上升,当OUT端电位上升到VDD-VBE时,Q1截止,N4继续提供电流对负载电容充电,直到OUT端电压达到VDD.在OUT端为高电平期间,A点电位会由于电容Cboot 上的电荷泄漏等原因而下降.这会使得B点电位下降,N4的导通性下降.同时由于同样的原因,OUT端电位也会有所下降,使输出高电平不能保持在VDD.为了防止这种现象的出现,又增加了PMOS管P5作为上拉驱动管,用来补充OUT端CL的泄漏电荷,维持OUT端在整个导通周期内为高电平.驱动电路的传输特性瞬态响应在图4中给出.其中(a)为上升沿瞬态响应,(b)为下降沿瞬态响应.从图4中可以看出,驱动电路上升沿明显分为了三个部分,分别对应三个上拉驱动管起主导作用的时期.1阶段为Q1、N4共同作用,输出电压迅速抬升,2阶段为N4起主导作,使输出电平达到VDD,3阶段为P5起主导作用,维持输出高电平为VDD.而且还可以缩短上升时间,下降时间满足工作频率在兆赫兹级以上的要求.需要注意的问题及仿真结果电容Cboot的大小的确定Cboot的最小值可以按照以下方法确定.在预充电周期内,电容Cboot 上的电荷为VDDCboot .在A点的寄生电容(计为CA)上的电荷为VDDCA.因此在预充电周期内,A点的总电荷为Q_{A1}=V_{DD}C_{boot}+V_{DD}C_{A} (1)B点电位为GND,因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为0.在自举升压周期,为了使OUT端电压达到VDD,B点电位最低为VB＝VDD+Vthn.因此在B点的寄生电容Cpar上的电荷为Q_{B}=(V_{DD}+V_{thn})Cpar (2)忽略MOS管P4源漏两端压降,此时Cboot上的电荷为VthnCboot ,A点寄生电容CA的电荷为(VDD+Vthn)CA.A点的总电荷为QA2=V_{thn}C_{BOOT}+(V_{DD}+V_{thn})C_{A} (3)同时根据电荷守恒又有Q_{B}=Q_{A}-Q_{A2} (4)综合式(1)~(4)可得C_{boot}=\frac{V_{DD}+V_{thn}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{v_{thn}}{v_{ DD}-v_{thn}}C_{A}=\frac{V_{B}}{v_{DD}-v_{thn}}Cpar+\frac{V_{thn}}{v_{ DD}-v_{thn}}C_{A} (5)从式(5)中可以看出,Cboot随输入电压变小而变大,并且随B点电压VB变大而变大.而B点电压直接影响N4的导通电阻,也就影响驱动电路的上升时间.因此在实际设计时,Cboot的取值要大于式(5)的计算结果,这样可以提高B点电压,降低N4导通电阻,减小驱动电路的上升时间.P2、P4的尺寸问题将公式(5)重新整理后得:V_{B}=({V_{DD}-V_{thn})\frac{C_{boot}}{Cpar}-V_{thn}\frac{C_{A}}{Cpar} (6)从式(6)中可以看出在自举升压周期内, A、B两点的寄生电容使得B点电位降低.在实际设计时为了得到合适的B点电位,除了增加Cboot大小外,要尽量减小A、B两点的寄生电容. 在设计时,预充电PMOS管P2的尺寸尽可能的取小,以减小寄生电容CA.而对于B点的寄生电容Cpar来说,主要是上拉驱动管N4的栅极寄生电容,MOS管P4、N3的源漏极寄生电容只占一小部分.我们在前面的分析中忽略了P4的源漏电压,因此设计时就要尽量的加大P4的宽长比,使其在自举升压周期内的源漏电压很小可以忽略.但是P4的尺寸以不能太大,要保证P4的源极寄生电容远远小于上拉驱动管N4的栅极寄生电容.阱电位问题如图3所示,PMOS器件P2、P3、P4的N-well连接到了自举升压节点A上.这样做的目的是,在自举升压周期内,防止他们的源/漏--阱结导通.而且这还可以防止在源/漏--阱正偏时产生由寄生SRC引起的闩锁现象.上拉驱动管N4的阱偏置电位要接到它的源极,最好不要直接接地.这样做的目的是消除衬底偏置效应对N4的影响.Hspice仿真验证结果驱动电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计并经过Hspice仿真验证.在表1中给出了电路在不同工作电压、不同负载条件下的上升时间tr和下降时间tf 的仿真结果.在图5中给了电路工作在输入电压1.5V、工作频率为5MHz、负载电容60pF条件下的输出波形.结合表1和图5可以看出,此驱动电路能够在工作电压为1.5V,工作频率为5MHz,并且负载电容高达60pF的条件下正常工作.它可以应用于低电压、高工作频率的DC-DC转换器中作为开关管的驱动电路.结论本文采用自举升压电路,设计了一种BiCMOS Totem结构的驱动电路.该电路基于Samsung AHP615 BiCMOS工艺设计,可在1.5V电压供电条件下正常工作,而且在负载电容为60pF的条件下,工作频率可达5MHz以上.。