漏电保护芯片关键模拟电路的研究与设计

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随着电力行业的迅猛发展,各类电器走进千家万户,作为保障人身财产安全的漏电保护器,其重要性不言而喻。漏电保护芯片作为漏电保护器的核心控制芯片,决定着漏电保护器的绝大部分性能。近年来国内对于漏电保护芯片的研究层出不穷,可是这些研究大多专注于数字电路算法部分的研究与优化,而忽视了模拟电路部分对漏电保护芯片的重要性。作为漏电保护芯片的前端信号处理模块,模拟电路对整体电路的性能也产生了重要的影响。本文基于TSMC 180nm CMOS工艺对漏电保护芯片关键模拟电路进行研究与设计,针对低压低功耗和芯片稳定性这两个重要指标进行研究,完成了带隙基准源、多值偏置产生电路、缓冲电路、斩波稳定运算放大器和迟滞比较器电路的设计与版图的全定制。首先针对芯片低压低功耗的设计需求,本设计采用1.8V作为电源电压。后仿真结果显示,-40~85℃的温度范围内,带隙基准电路五个工艺角下的温度系数均小于20ppm/℃,低频电源抑制绝对值均大于75dB。为改善整体芯片最小触发电压的离散性,采用斩波稳定技术对运算放大器的失调电压和低频噪声进行优化,失调电压降低到15uV以下,50Hz处的等效输入端噪声谱密度为129.86nV/(?)。比较器加入迟滞功能以降低工作环境中噪声对信号处理的影响。本文设计的电路整体版图面积为580um×531um,27℃下,后仿真显示各个工艺角下的平均消耗电流均小于871uA,最大功耗为1.57mW。五个工艺角下最小触发电压的平均值为8.15mV,标准差为0.106mV,整体电路的响应时间为83.23us。
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